本發(fā)明涉及微波無源器件，尤其是涉及一種基于三線耦合結(jié)構(gòu)的四路濾波型功分器。

背景技術(shù)：

近年來，隨著微波和射頻技術(shù)的迅猛發(fā)展，有著高質(zhì)量信號傳輸和集成化小型化優(yōu)點(diǎn)的微波電路越來越受到青睞([1]d.m.pozar,microwaveengineering,第三版.newyork,ny,usa:wiley,2005)。功分器具有信號分離和合成功能，被廣泛應(yīng)用在一些微波和射頻電路中，如功率合成系統(tǒng)、陣列天線、混頻器和倍頻器等等。濾波器具有濾除無用信號的能力，因此也被廣泛應(yīng)用在射頻微波電路中([2]g.l.matthaei,l.young,ande.m.t.jones,microwavefilters,impedance-matchingnetworks,andcouplingstructures.norwood,ma:artechhouse,1980)。在很多應(yīng)用中，濾波器和功分器都需要連接在電路中，用來分配信號和濾除無用信號。傳統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通常采用各自獨(dú)立的器件來實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)功能。但是這樣會(huì)導(dǎo)致大體積，高插損。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)具有濾波功能的功分器可以有效地縮小尺寸，降低成本，減少插損([3]x.y.zhang,k.x.wangandb.j.hu,“compactfilteringpowerdividerwithenhancedsecond-harmonicsuppression,”ieeemicrowaveandwirelesscomponentsletters,vol.23,no.9,pp.483-485,sep.2013.)。

為了在滿足高性能設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上適應(yīng)電路更加小型化的發(fā)展趨勢，許多學(xué)者做出了大量的研究工作，并在許多領(lǐng)域取得重要成果。濾波型功分器主要有兩類：一類是諧波抑制型；一類是帶通響應(yīng)型。其中設(shè)計(jì)理論都相對比較完善的諧波抑制型功分器主要實(shí)現(xiàn)方法有：(a)缺陷地法(dgs)，這種方法是在原有的微帶線結(jié)構(gòu)的接地板上蝕刻出缺陷結(jié)構(gòu)，利用其帶阻性能和慢波效應(yīng)實(shí)現(xiàn)抑制諧波的特性，所以這種結(jié)構(gòu)也具備了小型化的特點(diǎn)。但由于缺陷地結(jié)構(gòu)的尺寸與所要抑制的諧波頻率對應(yīng)的波長有關(guān)，在不改變原電路板尺寸大小情況下能構(gòu)造的dgs結(jié)構(gòu)個(gè)數(shù)有限，故一般只能抑制一兩個(gè)諧波。同時(shí)，dgs結(jié)構(gòu)的功分器需要懸置安裝。(b)電磁帶隙結(jié)構(gòu)(ebg)法，其優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)生的阻帶寬且深，但在通帶內(nèi)的紋波較大。(c)開路分支線法，這種方法增加了設(shè)計(jì)的靈活性，而且結(jié)構(gòu)簡單，對諧波的抑制效果也非常好，但是尺寸小型化比較困難。目前帶通響應(yīng)型功分器的實(shí)現(xiàn)技術(shù)方案各異，結(jié)構(gòu)種類不同，性能也有很大的差別。但是從近年來的發(fā)展現(xiàn)狀來看，基本步驟是，先確定功分器所需的濾波特性，相應(yīng)地選擇一個(gè)濾波器并通過理論分析，拓展成一個(gè)具有帶通響應(yīng)特性的功分器。當(dāng)然，這種理論并不是很成熟，很多該類型的功分器的體積往往設(shè)計(jì)的很大，且隔離度不是很好。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于以上問題，本發(fā)明的目的在于提供具有寬通帶、小型化、可靠性能高、結(jié)構(gòu)簡單以及性能優(yōu)越等特點(diǎn)的一種基于三線耦合結(jié)構(gòu)的四路濾波型功分器。

本發(fā)明的五條輸入輸出饋線由50ω微帶線構(gòu)成，微帶線串聯(lián)一個(gè)階躍阻抗結(jié)構(gòu)，分成上下對稱的兩條支路，每條支路由三線耦合結(jié)構(gòu)、金屬化過孔接地結(jié)構(gòu)、彎折微帶線、wilkinson二路功分結(jié)構(gòu)及接在兩個(gè)三線耦合結(jié)構(gòu)之間的一個(gè)隔離電阻和接在wilkinson二路功分結(jié)構(gòu)中的兩個(gè)隔離電阻組成；

所述階躍阻抗結(jié)構(gòu)包括兩節(jié)特性阻抗不同的矩形微帶線串聯(lián)在電路中，所述三線耦合結(jié)構(gòu)包括三條寬度相同的矩形微帶線，三條微帶線互相平行靠近且間隙相同，在三線耦合結(jié)構(gòu)中間微帶線末端接有一個(gè)金屬化過孔接地結(jié)構(gòu)；所述彎折微帶線接在三線耦合結(jié)構(gòu)一端，所述wilkinson二路功分結(jié)構(gòu)包括并聯(lián)接在彎折微帶線之后的兩條支路微帶線以及連接在這兩條微帶線末端之間的100ω隔離電阻。

所述五條輸入輸出饋線50ω微帶線由通帶中心頻率、基板參數(shù)等計(jì)算得到，50ω微帶線線寬為1.13mm，接同軸線纜的特性阻抗均為50ω。

所述階躍阻抗結(jié)構(gòu)呈結(jié)構(gòu)對稱，兩節(jié)矩形微帶線的參數(shù)分別為：第一節(jié)微帶線長度l1為2.2mm，寬度w1為3.6mm；第二節(jié)微帶線長度l2為1.6mm，寬度w2為0.1mm。

所述三線耦合部分，三條矩形微帶線的寬度w相等，都是0.1mm，該結(jié)構(gòu)中三條微帶線之間的兩個(gè)間隙寬度s相同，都是0.1mm。耦合線的長度l為19mm。另外在階躍阻抗結(jié)構(gòu)之后并與兩個(gè)三線耦合部分連接的矩形微帶線長度l3為1.5mm，寬度與三線耦合微帶線的線寬度相同，為0.1mm。

所述金屬化過孔接地結(jié)構(gòu)，接在三線耦合結(jié)構(gòu)中間微帶線末端中心處，由一圓形金屬化過孔與底層接地板相連。該圓形金屬化過孔的圓心距離所述三線耦合結(jié)構(gòu)中間微帶線末端0.4mm，圓形金屬化過孔的直徑d為0.5mm。

所述彎折微帶線，呈直角l形彎角，寬度為0.4mm。其中長邊的長l4為4.6mm，短邊長度l5為1.1mm。

所述wilkinson二路功分結(jié)構(gòu)，兩條支路微帶線長度為l＝19mm，寬度w4為0.6mm。在彎折微帶線之后并與這兩條支路微帶線始端連接的微帶線長度為2×l6+w3＝2×1.15mm+0.4mm＝2.7mm，寬度為w4＝0.6mm。

所述隔離電阻，其中一個(gè)接在兩個(gè)三線耦合結(jié)構(gòu)之間的隔離電阻r阻值為200ω，另外兩個(gè)分別接在wilkinson二路功分結(jié)構(gòu)之間的電阻r1阻值為100ω。

本發(fā)明的原理在于：本發(fā)明提供一種基于三線耦合結(jié)構(gòu)的四路濾波型功分器應(yīng)用于中心頻率為2.4ghz無線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)要求，具有明顯的工程使用價(jià)值，本發(fā)明通過三線耦合結(jié)構(gòu)和階躍阻抗結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，設(shè)計(jì)出具有通帶響應(yīng)的寬帶濾波型四路功分器，并有效地減少了該功分器的物理尺寸。該功分器通過三線耦合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，將通帶濾波的性能引入了功分器當(dāng)中，使功分器有很好的頻率選擇性。同時(shí)，通過引入階躍阻抗結(jié)構(gòu)改善了端口阻抗匹配，而彎折微帶線部分起到了阻抗變化以及信號傳輸作用，并通過后面的二路功分結(jié)構(gòu)，使整個(gè)濾波型功分器實(shí)現(xiàn)了四路等分輸出。三個(gè)隔離電阻起到了各端口間的隔離作用。由此，該電路就可以兼具功分器和濾波器的功能。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和有益效果：

(1)本發(fā)明相對帶寬較寬。因?yàn)槿€耦合結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的濾波通帶較寬，所以該功分器就具備了這個(gè)功能。

(2)本發(fā)明的帶外抑制性能好。

(3)本發(fā)明具有優(yōu)良的隔離度。隔離電阻的阻值都可以通過計(jì)算仿真得到，所以能實(shí)現(xiàn)較好的通帶隔離度。

(4)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)緊湊，實(shí)現(xiàn)了體積的小型化。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種基于三線耦合結(jié)構(gòu)的四路濾波型功分器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明一種基于三線耦合結(jié)構(gòu)的四路濾波型功分器俯視圖；

圖3為仿真得到的本發(fā)明的散射參數(shù)隨頻率變化曲線圖(s11為濾波型功分器輸入端的反射系數(shù)(回波損耗)，s21、s31、s41、s51分別為從輸入端至四個(gè)輸出端口的傳輸系數(shù)(插入損耗))；

圖4為仿真得到的本發(fā)明的散射參數(shù)隨頻率變化曲線圖(s22、s33、s44、s55分別為四個(gè)輸出端的反射系數(shù)(回波損耗))；

圖5為仿真得到的本發(fā)明的散射參數(shù)隨頻率變化曲線圖(s32、s42、s52、s54分別為四個(gè)輸出端兩兩端口之間的隔離度)。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述。

一種基于三線耦合結(jié)構(gòu)的四路濾波型功分器，如圖1所示。該功分器包括輸入饋線1、輸出饋線9、階躍阻抗結(jié)構(gòu)2、三線耦合結(jié)構(gòu)3、金屬化過孔接地結(jié)構(gòu)8、彎折微帶線4、wilkinson二路功分結(jié)構(gòu)5、接在兩個(gè)三線耦合結(jié)構(gòu)之間的一個(gè)隔離電阻和接在wilkinson二路功分結(jié)構(gòu)中的兩個(gè)隔離電阻6、中間層介質(zhì)基板7和底層接地板。

彎折微帶線4的對稱面與中間層介質(zhì)基板7的一個(gè)對稱面重合；中間層介質(zhì)基板7下表面緊貼與基板表面積相等的底層接地板，底層接地板完全覆蓋中間層介質(zhì)基板，底層接地板接同軸線纜外導(dǎo)體。

中間層介質(zhì)基板7為長方體，該長方體的長邊為31.5mm，寬邊為18.4mm，高度為0.508mm，材料為rogersr04350b，介質(zhì)基板的相對介電常數(shù)為3.48。

連接在兩個(gè)三線耦合結(jié)構(gòu)之間的隔離電阻r為200ω，如圖2所示。連接在wilkinson二路功分結(jié)構(gòu)末端之間的兩個(gè)隔離電阻阻值r1大小相同，為100ω。

金屬化過孔接地結(jié)構(gòu)的過孔直徑d為0.5mm，過孔中心位于一邊長a為0.8mm的正方形微帶線的對稱中心，且該正方形微帶線位于三線耦合結(jié)構(gòu)中間一條微帶線的末端，靠近隔離電阻。

依照發(fā)明內(nèi)容中所提的圖2中的各個(gè)參數(shù)，使用hfss仿真軟件對所設(shè)計(jì)的濾波型功分器的各項(xiàng)特性參數(shù)進(jìn)行仿真分析，對散射參數(shù)進(jìn)行聯(lián)合仿真分析。

圖3～圖5所示為本發(fā)明的s參數(shù)仿真曲線圖。其中圖3中的s11為濾波型功分器輸入端的反射系數(shù)(回波損耗)，s21、s31、s41、s51分別為從輸入端至四個(gè)輸出端口的傳輸系數(shù)(插入損耗)，圖4中的s22、s33、s44、s55分別為四個(gè)輸出端的反射系數(shù)(回波損耗)，圖5中的s32、s42、s52、s54分別為四個(gè)輸出端兩兩端口之間的隔離度。如圖3所示，中心頻率為2.40ghz，中心頻率處的插入損耗為0.26db(不包括自帶四路功分插損6db)，3db帶寬為2.32ghz，通帶覆蓋范圍為1.25～3.57ghz，相對帶寬可達(dá)96.7％。在通帶外有多個(gè)傳輸零點(diǎn)，使功分器具有非常好的阻帶衰減特性，帶外抑制達(dá)到-30db。如圖4所示，四個(gè)輸出端口的回波損耗大于20db的頻率范圍為1.6ghz～3.2ghz。如圖5所示，任何兩個(gè)輸出端口之間的隔離度在頻率范圍1.25ghz～3.3ghz處均優(yōu)于15db。

本發(fā)明在利用三線耦合結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的基于三線耦合結(jié)構(gòu)的四路濾波型功分器，對三線耦合結(jié)構(gòu)的輸入輸出端做了阻抗匹配處理，很好的兼容了通帶濾波特性和端口的阻抗匹配；并利用隔離電阻實(shí)現(xiàn)對輸出端口間的有效隔離。wilkinson二路功分結(jié)構(gòu)進(jìn)一步將原本的一分二路濾波型功分器改進(jìn)成一分四路濾波型。通過理論計(jì)算以及數(shù)據(jù)仿真，確定兩個(gè)三線耦合結(jié)構(gòu)之間的隔離電阻和wilkinson二路功分結(jié)構(gòu)中的隔離電阻阻值。三線耦合結(jié)構(gòu)的濾波特性以及帶外抑制特性使本發(fā)明具有優(yōu)良的濾波和功分性能。在應(yīng)用過程中，可以通過調(diào)節(jié)三線耦合結(jié)構(gòu)的耦合線長以及wilkinson二路功分結(jié)構(gòu)的線長l可以靈活地調(diào)整濾波型功分器的中心頻率，從而可以實(shí)現(xiàn)該功分器的廣泛應(yīng)用。適當(dāng)調(diào)節(jié)阻抗匹配結(jié)構(gòu)三節(jié)阻抗部分的寬度w1及w2，以及彎折微帶線的線寬w3可以實(shí)現(xiàn)各端口的阻抗匹配，即反射系數(shù)達(dá)到最優(yōu)。通過以上幾個(gè)方面的調(diào)諧，從而達(dá)到濾波型功分器的結(jié)構(gòu)深度緊湊化和工作頻率的大幅度擴(kuò)展?；谠搩?yōu)點(diǎn)，可以在實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊化和寬頻帶的情況下對同一個(gè)濾波型功分器的各參數(shù)調(diào)諧，實(shí)現(xiàn)所需頻段的濾波和功分要求，無需重新設(shè)計(jì)新的濾波型功分器，縮短了功分器的設(shè)計(jì)時(shí)間，使得該濾波型功分器在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中具有普適性。