专利名称：集成带通滤波功能的集总元件功率分配器分配器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有滤波功能的功率分配器，特别涉及一种基于集成带通滤波功能的集总元件功率分配器分配器，可应用于射频前端电路的带滤波功能的功率分配器。
背景技术：
功率分配器是微波电路中一个基础的部分，因为其有分离和组合信号的功能，所以几乎在所有天线阵列和平衡电路中都要用到。而带通滤波器是无线通信系统中另一种不可缺少的器件，因其可以分离出需要的频带。这两种器件在许多微波系统中同时存在。在过去的几十年，有大量关于功率分配器的研究。研究的焦点在于拓宽频带，减小面积，双频响应以及谐波抑制。另一方面，带通滤波器也是无源电路设计中重要的研究领域。单通带和多通带滤波器是两个不同的研究方向。一方面，超宽带，谐波抑制以及可调滤波器是单通带带通滤波器设计要着重考虑的。另一方面，阶梯阻抗滤波器广泛应用于多通带带通滤波器的设计。最近，有研究表明多频响应可由开路支节加载到谐振器中心位置得到。在很多的器件中，功率分配器以及滤波器通常需要连接在一起以实现分离和滤除信号的功能。然而，所有上面提到的功率分配器以及滤波器研究都只是注重他们本身的特性，很少有考虑两者结合的可能性。传统的系统中通常应用离散器件实现这两个功能。但是，这样尺寸会很大。因此，为了减小尺寸，双功能器件是有需求的。同时有分离/组合功率信号以及频率选择的双功能器件已经有一些学者研究过。在K. J. Song, and Q. Xue,“Novel Ultra-Wideband (UffB) Multilayer Slotline Power Divider With BandpassResponse, ” IEEE Microw. Wireless Compon. Lett. , vol. 20, no. I, pp. 13-15，Jan,2010.中，作者完成了一个具有带通相应的超宽带功率分配器。多层微带开槽线耦合用于分离/组合信号以及阻隔无用频率带。此外，一种兼具带通响应和谐波抑制的威尔金森功率分配器设计在文献P. Cheong, K. Lai, and K. Tam, “Compact Wilkinson Power Dividerwith Simultaneous Bandpass Response and Harmonic Suppression, ” in 2010 IEEEMTT-S International Microwave Symposium Digest, Snaheim, USA, 2010.中被提出，在这个设计中，交叉指阶梯阻抗稱合线被用于实现功能。另外，在文献X. Y. Tang, and K.Mouthaan, “Filter Integrated Wilkinson Power Dividers, ” Microwave and OpticalTechnology Letters, vol. 52, no. 12, pp. 2830-2833，Dec, 2010.中提到，Π-型传输线可以被集成到功率分配器中，然而，文章中只是用Π-型传输线而不是真正的滤波器可以用于实现特性。到目前为止，尚未出现用集总元件，真正把滤波器集成到功率分配器中的器件，为了填补这一空白，本发明提出了一种新型的集总元件的单频带通滤波器的功率分配器。
发明内容
在本发明中，提出了一种新型的基于集总元件的单频带通滤波器的功率分配器。本设计中，集总元件滤波器用作阻抗转换器以代替传统的四分之一波长传输线。电阻作为隔离，匹配元件连接于两个集总元件滤波器的输出端以得到良好的隔离效果和匹配效果。因为功率分配器中集成了单频带通滤波器，所以可以同时实现功率分配和频率选择的功倉泛。为实现本发明目的，本发明所采用的技术方案如下
集成带通滤波功能的集总元件功率分配器分配器，包括上层集总元件结构、中间层介质基板和下层接地金属；上层集总元件结构附着在中间层介质基板上表面，下层接地金属板附着在中间层介质基板下表面；其特征在于上层集总元件结构包括主传输线和与主传输线连接的三个支路，其中一个支路通过第一谐振器接地，另外两个支路均各自连接有第二谐振器、第三谐振器和第四谐振器，第二谐振器串接在支路中，第三谐振器和第四谐振器均有一端并接在支路上且另一端接地；两个支路上的电路结构完全一致 ，且两个支路对称分布在中间层介质基板上表面；第二谐振器、第三谐振器和第四谐振器组成一个滤波器，两个支路上的两个所述滤波器共用一个输入口，两个所述滤波器的输出端口组成了所述集成带通滤波功能的集总元件功率分配器分配器的两个输出端口，该两个输出端口并接有一个匹配电阻。上述集成带通滤波功能的集总元件功率分配器分配器，其特征在于，所述第一谐振器包括并联连接的电容和电感；第二谐振器包括并联连接的电容和电感；第三谐振器包括串联连接的电容和电感；第四谐振器包括并联连接的电容和电感。上述集成带通滤波功能的集总元件功率分配器分配器，其特征在于，第二谐振器、第三谐振器和第四谐振器之间由微带线连接，其中第二谐振器串联在主传输线上，直接决定滤波器通带的左边传输零点；第三谐振器和第四谐振器通过微带线直接并联在支路上，而第三谐振器直接决定滤波器的右边传输零点。上述小型化的高选择性的集总元件的单频带通滤波器的功率分配器，谐振器谐振时，终端单频带通集总元件滤波器的输入端信号与输出端信号有大约-90°的相位偏移。上述小型化的高选择性的集总元件的单频带通滤波器的功率分配器，集总元件的单频带通滤波器的功率分配器的输入阻抗与输出阻抗相同，每一个终端单频带通集总元件滤波器的输入输出阻抗为集成了集总元件的单频带通滤波器的功率分配器的输入阻抗或输出阻抗的I倍。上述小型化的高选择性的集总元件的单频带通滤波器的功率分配器，隔离元件为电阻。相对于现有技术，本发明具有如下优点
I)在传统的功率分配器中集成了单频带通滤波器，可以同时实现功率分配和过滤信号的功能，而且尺寸比单独的两个分立的功率分配器和滤波器有较大减小，有利于射频前端系统的集成化以及小型化。(2)集成了单频带通滤波器的功率分配器有比传统的分立的功率分配器和滤波器组合而成的系统有更低的插入损耗。(3)基于集总元件集成了单频带通滤波器的功率分配器更有利于集成化和小型化。
图I是集成带通滤波功能的集总元件功率分配器分配器的结构 图2是集成带通滤波功能的集总元件功率分配器分配器的构示意 图3是集成带通滤波功能的集总元件功率分配器分配器的传输特性曲线 图4是集成带通滤波功能的集总元件功率分配器分配器通过增大第二谐振器的电感来改变左边传输零点的曲线 图5是集成带通滤波功能的集总元件功率分配器分配器通过减小第三谐振器的电感来改变右边传输零点的曲线图；
图6是集成带通滤波功能的集总元件功率分配器分配器的输出回波损耗和隔离系数的曲线图。
具体实施方案下面结合附图对本发明作进一步详细的说明，但本发明要求保护的范围并不局限于下例表述的范围。如图I所示，集成带通滤波功能的集总元件功率分配器分配器，包括上层集总元件结构、中间层介质基板和下层接地金属；上层集总元件结构附着在中间层介质基板上表面，下层接地金属板附着在中间层介质基板下表面；其特征在于上层集总元件结构包括主传输线和与主传输线连接的三个支路，其中一个支路通过第一谐振器接地，另外两个支路均各自连接有第二谐振器、第三谐振器和第四谐振器，第二谐振器串接在支路中，第三谐振器和第四谐振器均有一端并接在支路上且另一端接地；两个支路上的电路结构完全一致，且两个支路对称分布在中间层介质基板上表面；第二谐振器、第三谐振器和第四谐振器组成一个滤波器，两个支路上的两个所述滤波器共用一个输入口，两个所述滤波器的输出端口组成了所述集成带通滤波功能的集总元件功率分配器分配器的两个输出端口，该两个输出端口并接有一个匹配电阻。上述的集成带通滤波功能的集总元件功率分配器分配器，其特征在于，所述第一谐振器包括并联连接的电容和电感；第二谐振器包括并联连接的电容和电感；第三谐振器包括串联连接的电容和电感；第四谐振器包括并联连接的电容和电感。上述的集成带通滤波功能的集总元件功率分配器分配器，其特征在于，第二谐振器、第三谐振器和第四谐振器之间由微带线连接，其中第二谐振器串联在主传输线上，直接决定滤波器通带的左边传输零点；第三谐振器和第四谐振器通过微带线直接并联在支路上，而第三谐振器直接决定滤波器的右边传输零点。
实施例5、集成带通滤波功能的集总元件功率分配器分配器的结构如图一所示，有关尺寸规格如下图2所示。介质基板的厚度为O. 81mm,相对介电常数为3. 38，损耗角正切为O.0027。第一谐振器的第一电容8为4. 8±O. 2pF,第一电感13为2. 7±O. 2nH ;第二谐振器中的第二电容I为3. 5±0. 2pF,第二电感5为20. 0±2nH ;第三谐振器中的第三电容2为
7.O 土 lpF，第三电感6为4. O ± InH ;第四谐振器中的第四电容3为4. O ± lpF，第四电感7为1.5±0. 2nH;所述匹配电阻4为110±10Ω。图3是按照上述参数设计出来的一个集成带通滤波功能的集总元件功率分配器分配器的传输特性的仿真的结果；传输特性曲线图中的横轴表示频率，纵轴表示传输特性，其中S11表示集成了单频带通滤波器的功率分配器的回波损耗，S21表示输入端口匹配时，从第一输出端口到输入端口的插入损耗，S31表不输入端口匹配时，从第二输出端口到输入端口的插入损耗；由仿真结果可见，仿真的插入损耗曲线S21和S31基本重合，通带的中心频率在O. 8GHz，仿真得到的IdB相对带宽是10. 1%，测量到的在中心频点的插入损耗S21和S3i为-3. 9dB。由于集成了滤波器的缘故，集成了单频带通滤波器的功率的插入损耗要稍大于标准的功率分配器。在通频带内，集成了单频带通滤波器的功率分配器的回波损耗S11都高于-20dB，并且在通带两边各有一个传输零点，大大的改善了功率分配器中滤波功能的滚降特性。图6是按照上述参数设计出来的一个集成带通滤波功能的集总元 件功率分配器分配器的输出回波损耗S22和隔离系数S23的仿真结果。其中仿真得到的输出回波损耗S22高于_20dB ;在工作频率点上，仿真得到的端口 2与端口 3的隔离系数为-30dB。图4是按照上述参数设计出来的一个集成带通滤波功能的集总元件功率分配器分配器，通过增大第二谐振器的电感，使得S21和S31的左边传输零点往左偏移。图5是通过减小第三谐振器的电感，使得S21和S31的右边传输零点往右偏移。实施例的仿真结果表明本发明器件有两个功能，不但可以平均分配输入能量，还可以筛选出所需要的频段。以上所述仅为本发明的较佳实例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.集成带通滤波功能的集总元件功率分配器分配器，包括上层集总元件结构、中间层介质基板和下层接地金属；上层集总元件结构附着在中间层介质基板上表面，下层接地金属板附着在中间层介质基板下表面；其特征在于上层集总元件结构包括主传输线和与主传输线连接的三个支路，其中一个支路通过第一谐振器接地，另外两个支路均各自连接有第二谐振器、第三谐振器和第四谐振器，第二谐振器串接在支路中，第三谐振器和第四谐振器均有一端并接在支路上且另一端接地；两个支路上的电路结构完全一致，且两个支路对称分布在中间层介质基板上表面；第二谐振器、第三谐振器和第四谐振器组成一个滤波器，两个支路上的两个所述滤波器共用一个输入口，两个所述滤波器的输出端口组成了所述集成带通滤波功能的集总元件功率分配器分配器的两个输出端口，该两个输出端口并接有一个匹配电阻。
2.根据权利要求I所述的集成带通滤波功能的集总元件功率分配器分配器，其特征在于，所述第一谐振器包括并联连接的电容和电感；第二谐振器包括并联连接的电容和电感；第三谐振器包括串联连接的电容和电感；第四谐振器包括并联连接的电容和电感。
3.根据权利要求2所述的集成带通滤波功能的集总元件功率分配器分配器，其特征在于，第二谐振器、第三谐振器和第四谐振器之间由微带线连接，其中第二谐振器串联在主传输线上；第三谐振器和第四谐振器通过微带线直接并联在支路上。
4.根据权利要求2或3所述的集成带通滤波功能的集总元件功率分配器分配器，其特征在于，所述功率分配器的工作频率为800MHz,第一谐振器的第一电容(8)为4. 8±0. 2pF,第一电感(13)为2. 7 ± O. 2nH ;第二谐振器中的第二电容(I)为3. 5±0. 2pF,第二电感(5)为20. 0±2nH ;第三谐振器中的第三电容(2)为7. 0± lpF，第三电感(6)为4. OilnH ;第四谐振器中的第四电容(3)为4. 0±lpF，第四电感(7)为I. 5±0. 2nH ;所述匹配电阻(4)为110±10Ω。
全文摘要
本发明公开一种集成带通滤波功能的集总元件功率分配器分配器，包括上层集总元件结构，中间层介质基板和下层接地金属。集总元件的单频带通滤波器的功率分配器有三条支路，其中一条支路通过谐振器接地，另外两条支路上各由三个谐振器组成，所述两条支路交汇处由匹配电阻连接；集总元件的单频带通滤波器的功率分配器的输入阻抗与输出阻抗相同。本发明采用功率分配器与滤波器的结合而设计的单频带通滤波器的功率分配器，可用于各类射频前端系统中，同时具有功率分配和频率选择的功能，有利于器件的集成化与小型化,且该模型具有独创性。
文档编号H01P5/16GK102881981SQ20121031809
公开日2013年1月16日 申请日期2012年8月31日 优先权日2012年8月31日
发明者章秀银, 高立, 蔡少汶, 胡斌杰 申请人:华南理工大学