一种面向5G通信的小型化超宽带滤波功分馈电网络及其设计方法与流程

本发明涉及5g通信技术领域，具体来说是一种面向5g通信的小型化超宽带滤波功分馈电网络及其设计方法。

背景技术：

伴随着现代无线通信技术的快速发展，5g通信的商用也已经迫在眉睫。工信部已经公布了我国5g中频段内的频率使用规划，明确了3300-3400mhz(原则上限室内使用)、3400-3600mhz和4800-5000mhz频段作为5g通信系统的工作频段。而随着5g通信技术研究的深入，对于微波射频电路的要求也在逐渐提高，追求超宽带、高集成度、小型化、低插入损耗的性能特点。

在5g通信系统中，滤波器作为射频前端中不可缺少的一部分，其主要作用就是滤波和选频。通过滤除无用的频率信号，选择有用的信号并且对各种不同的信号进行分离来抑制噪声信号，减少对不同电路的干扰，滤波器的性能会影响整个通信系统的性能。功分器同样作为微波射频系统中的重要电路之一，是相控阵雷达、有源放大电路和天线阵等的主要组成硬件。功分器的作用是把一路输入信号分成两路或多路输出相等或不相等能量，也可以反过来将多路信号能量合成一路输出。

滤波器和功分器这两款无源器件在射频前端系统里占据着很大的空间，在一定程度限制着系统的小型化设计。5g通信频段的宣布意味着未来的频段将会增加，频段的增加对射频前端器件的数量影响最大，随着终端支持的频段数的增加，其器件数量急剧增加，这样会与未来的5g通信下要求的射频系统小尺寸电路相矛盾。传统的解决办法是将这两款器件分别进行小型化设计，这样整个系统的尺寸能得到减小，但是整体的尺寸缩小还是非常有限的。并且在滤波器与功分器的的小型化设计中，有一部分是以牺牲插入损耗作为代价的。因此，研究人员开始提出了这种滤波器与功分器集成化设计的方案，把两个功能独立的微波器件集成为一个单独的器件使其同时实现信号滤波与功率分配的功能。这样集成的设计方法将会在结构上直接减小系统的尺寸，同时还能使系统的整体性能得到改善，更好的完成现代通信系统的小型化、集成化设计。

近年来对于滤波功分馈电网络的集成化设计可以归纳为三种方式：

第一种是将滤波器和功分器通过级联的方式省去滤波器与功分器之间的50欧姆微带连接线来同时实现功率分配和滤波的功能，虽然在一定程度上能够减小电路的尺寸和损耗，但是效果并不明显；

第二种方法是使用滤波器来代替传统功分器中的四分之一波长线来达到集成的目的，这种设计中用来替代的滤波结构需要满足在工作频带内，输入与输出相位相差90度或90度的奇数倍，并且输入输出阻抗与四分之一的波长线特性阻抗相等；

第三种方法是采用特殊的结构将两种器件进行一体化综合设计，这种功分器的设计方法是通过结合等效四分之一阻抗变换器的思路，将具有带通特性的多模谐振器替代wilkinson的四分之一波长线并利用耦合矩阵重构其结构，这种方法设计的滤波功分馈电网络能够显著减小器件体积。

然而，随着目前通信技术的不断进步、5g的逐渐应用，更多的频段的通信需求将会一直存在，因此对通信系统中的超宽带、小型化的器件设计要求也越发显著，但是传统的滤波功分馈电网络还不能实现覆盖3g、4g、5g全部通信频段的超宽带特性，且部分存在尺寸较大的局限性。

因此，面向5g通信的滤波功分馈电网络其必须同时具备小型化、高选择性、超宽带的滤波特性、功率分配这三个必要条件才能满足于5g通信的应用需要，同时兼顾3g、4g通信系统同步工作的需要。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术中滤波功分馈电网络难以同时实现小型化、高带宽、高滤波特性的缺陷，提供一种面向5g通信的小型化超宽带滤波功分馈电网络及其设计方法来解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种面向5g通信的小型化超宽带滤波功分馈电网络，包括微波介质基板，微波介质基板的正面印刷有微带电路组件，微波介质基板的背面印刷有金属接地板，

所述的微带电路组件包括50欧姆输入传输线、微带三线耦合结构和两条50欧姆输出传输线，所述的微带三线耦合结构包括三条依次平行布置的第一耦合导体、第二耦合导体和第三耦合导体，50欧姆输入传输线的末端与第二耦合导体相连，第一耦合导体、第三耦合导体的末端分别与两条50欧姆输出传输线相连；

所述50欧姆输入传输线的末端连接有两条短路枝节线，两条短路枝节线分别位于微带三线耦合结构的两侧，两条短路枝节线呈镜像对应，两条短路枝节线的末端均金属化过孔连接至金属接地板，隔离电阻的一端接在第一耦合导体的首端，隔离电阻的另一端接在第三耦合导体的首端，第一耦合导体、第三耦合导体的末端均连接有改进型阶梯阻抗谐振器，两个改进型阶梯阻抗谐振器分别位于微带三线耦合结构的两侧，两个改进型阶梯阻抗谐振器呈镜像对应。

所述改进型阶梯阻抗谐振器的高阻抗传输线连接在第一耦合导体或第三耦合导体的末端，改进型阶梯阻抗谐振器的高阻抗传输线以低阻抗传输线为中心围绕布置在低阻抗传输线四周,两个改进型阶梯阻抗谐振器分别在微带三线耦合结构的两侧产生两个传输零点。

所述的短路枝节线为“几”字形，两个短路枝节线分别在微带三线耦合结构的边缘产生两个传输极点。

所述的第一耦合导体和第三耦合导体的传输线线宽相同，第一耦合导体、第二耦合导体和第三耦合导体的传输线长度相同，第一耦合导体的传输线长度为中心频率波长的四分之一。

所述的改进型阶梯阻抗谐振器呈方形，改进型阶梯阻抗谐振器的总长度为中心频率波长的二分之一。

一种面向5g通信的小型化超宽带滤波功分馈电网络的设计方法，包括以下步骤：

微带三线耦合结构的设计，根据中心频率设定微带三线耦合结构的长度为中心频率波长的四分之一，

设微带三线耦合结构的长度为d、电长度为θ，其计算公式如下：

β·d＝π

其中：β为介质材料的导波数，λg为导波波长，c为自由空间中的光速，f0为中心频率，εeff为介质材料的有效介电常数；

改进型阶梯阻抗谐振器的设计，根据传输零点的位置，结合改进型阶梯阻抗谐振器产生谐振的频率确定阻抗比，其产生谐振的条件表达式如下：

z1tanθ1-z2cotθ2＝0；

隔离电阻阻值的设计，根据wilkinson的设计理论和奇模分析下所确定的关系，在zino＝z0时获得较好的隔离度，计算隔离电阻的阻值大小，其之间的计算公式如下：

其中，zaoo和zaee是在奇模激励下的奇-奇模式和偶-偶模式阻抗，εr是介质材料的相对介电常数。

有益效果

本发明的一种面向5g通信的小型化超宽带滤波功分馈电网络及其设计方法，与现有技术相比在小型化的微波介质基板上实现了高带宽、高滤波功能，满足了5g通信的实际应用需求。

本发明较wilkinson型的传统滤波功分馈电网络相比能具有较宽的通带带宽，通过在输入传输线的的末端加载一对短路枝节传输线，来进一步增大带宽，使得通带带宽覆盖3g、4g、5g全部通信频段，并且通带裙带更加陡峭。同时，加载的改进型阶梯阻抗谐振器能够在通带两侧形成两个传输零点，提高了频率选择性；通过对改进型阶梯阻抗谐振器做特殊的折叠处理，能够减小整个电路的尺寸，并且保证了该滤波功分馈电网络还具有低插入损耗和较好的隔离特性。

基于本发明设计的滤波功分馈电网络，设计仿真的中心频率为3.5ghz，获得的相对带宽达到了101％，从1.73ghz-5.26ghz；电路尺寸大小为0.28λg×0.21λg；并且其两个输出端口的插入损耗最小处分别达到3.16db和3.41db，在通带内的隔离均小于10.3db；与传统基于wilkinson型的滤波器功分器相比，具有尺寸小、相对带宽大、插入损耗小的优点，适合于小型化、高性能微波电路系统，能够适应5g通信基站，并兼容3g、4g通信系统工作的应用环境需要。

附图说明

图1为本发明本发明的结构示意图；

图2为本发明的等效电路模型结构示意图；

图3a为本发明中偶模激励的等效电路图；

图3b为本发明中奇模激励的等效电路图；

图4a为本发明中改进型阶梯阻抗谐振器的低阻抗传输线不同特性阻抗大小的s参数比较图；

图4b为本发明中改进型阶梯阻抗谐振器的低阻抗传输线不同电长度大小的s参数比较图；

图5为本发明的微带三线耦合结构已加载和未加载短路枝节线s参数比较图；

图6为本发明中隔离电阻不同大小值时s参数比较图；

图7a和图7b为本发明的仿真与测试结果比较图；

其中，101-50欧姆输入传输线、102-微带三线耦合结构、103-改进型阶梯阻抗谐振器、104-短路枝节线、105-隔离电阻、106-微波介质基板、107-50欧姆输出传输线、108-第一耦合导体、109-第二耦合导体、110-第三耦合导体。

具体实施方式

为使对本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明，说明如下：

如图1所示，本发明所述的一种面向5g通信的小型化超宽带滤波功分馈电网络，包括微波介质基板106。微波介质基板106可以为rogerro4003c，微波介质基板的介电常数为3.55、损耗角正切为0.027、厚度为0.508mm。微波介质基板106的背面印刷有金属接地板，微波介质基板106正面印刷有微带电路组件，即将50欧姆输入传输线101与微带三线耦合结构102连接，两个改进型阶梯阻抗谐振器103对称分布在输出口，两个短路枝节线104加载在输入端，隔离电阻105跨接在微带三线耦合结构的两条不相邻传输线的始端。50欧姆输入传输线101、两条50欧姆输出传输线107都采用微带线形式，并与sma同轴接头匹配。

微带电路组件包括50欧姆输入传输线101、微带三线耦合结构102和两条50欧姆输出传输线107。微带三线耦合结构102能够实现传输线之间的强耦合，以此实现带宽，微带三线耦合结构102包括三条依次平行布置的第一耦合导体108、第二耦合导体109和第三耦合导体110，第一耦合导体108和第三耦合导体110的传输线线宽相同，第一耦合导体108、第二耦合导体109和第三耦合导体110的传输线长度相同，第一耦合导体108的传输线长度为中心频率波长的四分之一。相邻两传输线(第一耦合导体108与第二耦合导体109或第二耦合导体109与第三耦合导体110)的距离设置按照最低可加工尺寸而定，通过减小相邻耦合线之间的间距，能够获得强耦合来增大带宽。

50欧姆输入传输线101的末端与第二耦合导体109(微带三线耦合结构102的中间导体)(首端)相连，用于经输入信号引入端口。第一耦合导体108、第三耦合导体110的末端分别与两条50欧姆输出传输线107相连，将微带三线耦合结构102不相邻的两传输线终端作为两输出端口。

50欧姆输入传输线101的末端连接有两条短路枝节线104，两条短路枝节线104分别位于微带三线耦合结构102的两侧，两条短路枝节线104呈镜像对应。通过在输出端口加对称的短路枝节，可以在通带内多产生两个传输极点，通过控制改变枝节特性阻抗的大小影响极点的位置，让极点落在原通带的边界处，以增大带宽，从而增加通带频率宽度。

两条短路枝节线104的末端均金属化过孔连接至金属接地板，使微带线与介质基板的接地面相连形成短路连接，短路枝节线104的加载会在通带的边缘额外产生两个传输极点，进一步增大通带带宽，其传输线长度应为对应的中心频率的四分之一。通过调整传输线特性阻抗的大小可以用来改变极点的位置。本发明中是将传输极点的位置落在原通带内的最低和最高频率处，以此来增大滤波功分馈电网络的通带带宽并且会让通带裙带变得更加陡峭。值得注意的是，常规的增加通带频率宽度多采用增加耦合强度的方式来实现，如进一步缩小耦合线间距等，但其受加工工艺精度限制。为此，本技术创新性地采用在主传输线上级联短路枝节线，通过在通带范围内引入传输极点来增加带宽；进一步，通过计算短路枝节线长度，来调整传输极点的频率位置，使其位于通带两边，从而改善通带的边缘陡峭度，以提高频率选择特性。

为了进一步使得结构紧凑、缩小尺寸，在此将所述的短路枝节线104弯折为“几”字形。

根据设计理论需要，在此通过加装隔离电阻105使得隔离度更佳，隔离电阻105的一端接在第一耦合导体108的首端，隔离电阻105的另一端接在第三耦合导体110的首端，即隔离电阻105跨接在第一耦合导体108的首端和第三耦合导体110的首端。隔离电阻的引入将会加强两输出端口之前的隔离，不同电阻阻值是影响隔离特性的主要因素之一，其可以采用0402型封装贴片电阻,将会使两输出端口之间的隔离性能得到增强,阻值为200欧姆。

第一耦合导体108、第三耦合导体110的末端均连接有改进型阶梯阻抗谐振器103，改进型阶梯阻抗谐振器103按现有方式由一条高特性阻抗传输线和一条低特性阻抗传输线组成。两个改进型阶梯阻抗谐振器103分别位于微带三线耦合结构102的两侧，两个改进型阶梯阻抗谐振器103呈镜像对应。改进型阶梯阻抗谐振器103根据传统的阶梯阻抗谐振器改变而来，在输出端接阶梯阻抗谐振器，可以让其在通带两侧产生两个传输零点，从而改善通带陡峭度，提高频率选择特性。需要指出的是，为了提高频率抑制特性，常规的方法是通过增加开路枝节线来增加传输零点。然而，该方式的枝节线长度随传输零点的四分之一波长变化，不利于实现电路的小型化。为此，本技术创新性的采用阶梯阻抗谐振器来产生零点，通过调节阶梯阻抗比来实现结构的小型化，进一步的为使电路结构紧凑，结合电路布局将阶梯阻抗谐振器成几字形弯折。

改进型阶梯阻抗谐振器103的高阻抗传输线连接在第一耦合导体108或第三耦合导体110的末端，改进型阶梯阻抗谐振器103的高阻抗传输线以低阻抗传输线为中心围绕布置在低阻抗传输线四周。

优选地，改进型阶梯阻抗谐振器103呈方形，改进型阶梯阻抗谐振器103的总长度为中心频率波长的二分之一，即改进型阶梯阻抗谐振器将低阻抗传输线的宽度和尺寸长度设置为近似相等的矩形状，高阻抗传输线沿着低阻抗传输线的矩形边折叠、连接。这样在实际应用中，能够减小电路的尺寸。阶梯阻抗谐振器的引入能够在通带两侧分别形成一个传输零点，能够提高频率的选择性。

在此，还提供一种面向5g通信的小型化超宽带滤波功分馈电网络的设计方法，包括以下步骤：

第一步，微带三线耦合结构102的设计，根据中心频率设定微带三线耦合结构102的长度为中心频率波长的四分之一。如图2所示，将改进型的阶梯阻抗谐振器的两条传输线的特性阻抗和电长度分别记为z1,z2,θ1和θ2，并且将两特性阻抗相除，记作阻抗比：rz＝z2/z1，两传输线的总的电长度为π，将短路枝节线的特性阻抗和电长度记为z3和θ3。

设微带三线耦合结构(102)的长度为d、电长度为θ，其计算公式如下：

β·d＝π

其中：β为介质材料的导波数，λg为导波波长，c为自由空间中的光速，f0为中心频率，εeff为介质材料的有效介电常数；

第二步，改进型阶梯阻抗谐振器103的设计，根据传输零点的位置，结合改进型阶梯阻抗谐振器103产生谐振的频率确定阻抗比，其产生谐振的条件表达式如下：

z1tanθ1-z2cotθ2＝0。

假设已知零点的位置计算阶梯阻抗谐振器的线宽和电长度，以及已知回波损耗计算微带三线耦合结构的线宽。

如图3a所示为偶模激励下的二分结构等效图，在偶模激励下将耦合线的特性阻抗分别记为z0e,z0o，其阶梯阻抗谐振器的输入阻抗记为zt，从耦合线的端口4的输入阻抗记为zin4，短路枝节线的输入阻抗记为zins，从端口2输入的输入阻抗记为zine。其计算公式分别如下：

zins＝jz3tanθ3

已知回波损耗因为滤波电路可以被看作为一个无损耗电路，当传输系数时，在|s12|＝0时，得到传输零点，其传输零点的产生条件为：

z1tanθ1-z2cotθ2＝0

由已知的回波损耗，可以计算zine，在确定的零点的情况并且已知下zine下zin4可以被计算。此时耦合线结构可以被视为一个二端口网络，zin4可以被自身阻抗和传输阻抗来表达。

因此可以计算在偶模激励下的特性阻抗，计算其耦合线的线宽。

至此，还可以按微带三线耦合结构102的设计方法，以短路枝节线的长度为四分之一波长为基础，通过调节特性阻抗z3和电长度θ3使产生的传输极点落在合适的位置，以此来加大带宽。

第三步，隔离电阻105阻值的设计。

根据wilkinson的设计理论和奇模分析下所确定的关系，在zino＝z0时获得较好的隔离度，计算隔离电阻的阻值大小。如图3b所示，其为奇模激励下的二分结构等效图，在奇模激励下将耦合线的特性阻抗分别记为zaoe,从端口2输入的输入阻抗记为zino，从耦合线的端口4的输入阻抗记为zi'n4，其阶梯阻抗谐振器的输入阻抗记为zt，其之间的计算公式如下：

其中，zaoo和zaee是在奇模激励下的奇-奇模式和偶-偶模式阻抗，εr是介质材料的相对介电常数。根据wilkinson的设计理论，当zino等于z0时，将会形成较好的隔离特性。因此在zaoo和zaee确定的情况下，电阻阻值将会根据上式能够被计算。

通过上述方法，本专利突破了现有的电路板工艺加工精度的限制，在三线耦合传输线的基础上，通过在主传输线上增加短路枝节线、阶梯阻抗谐振器等方式来增加通带宽度、提高通带边缘选择特性，增加带外抑制度。同时，为进一步实现电路结构紧凑，结合电路结构的布局，通过合理分配通带传输极点和带外传输零点的位置来计算创新手段的结构尺寸和位置。与传统方法相比，本发明专利设计的滤波功分电路，可同时实现小型化、大带宽、频率选择特性好、带外抑制深等优点。

如图4a和图4b所示，其提供了根据本发明提供的改进型谐振器的低阻抗传输线不同线宽和长度时的s21参数图，s21是指所有端口接50欧姆负载时，输入端口到上输出端口的传输系数。图4a中的实线、点划线、点线分别表示在低阻抗线的线宽(w5)等于3.9、2.9、1.9mm时的s21曲线图，图4b中的实线、划线、点划线分别表示在低阻抗线的长度(l2)等于2.8、3.3、3.8mm时的s21曲线图。由图4a和图4b可知，通过减小低阻抗传输线的长度和或增大传输线的宽度时会使谐振频率增大，零点往右移动。因为根据零点产生的条件，零点产生的位置由阻抗比和谐振器的电长度共同决定。

如图5所示，其提供了根据本发明提供的是否加载短路枝节线时分布的s11参数比较图，s11是指输入端口接50欧姆负载时的反射系数。实线、点划线分别代表在在加载短路枝节线和没有加载时的s11曲线图。由图5可知，当加载了短路枝节线后，通带内会额外形成两个传输极点，这将会使通带带宽进一部扩大，并且使通带的裙带变得陡峭，提高了其频率选择性。

如图6所示，其提供了根据本发明提供的不同阻值大小的s23参数比较图。s23是指输入端口接负载时，两个输出端口之间的隔离度。实线、点线、点划线依次代表在电阻等于160欧姆、200欧姆、240欧姆时的s23曲线图。由图6可知，当电阻值等于200欧姆，两端口之间在带内会形成的隔离性能优于在电阻等于160欧姆和240欧姆时。因为根据设计步骤中的分析可知，在模式阻抗确定了以后，影响两端口隔离性能的因素将会是电阻阻值的大小。

如图7所示，显示了根据本发明提供的基于微带三线耦合结构而设计的小型化超宽带滤波功分馈电网络的仿真与测试结果比较图。图7a中的s11是指输入端口接50欧姆负载时的反射系数，s21是指所有端口接50欧姆负载时，输入端口到上输出端口的传输系数，s31是指所有端口接50欧姆负载时，输入端口到下输出端口的传输系数。图7b中的s22是指输出端口接50欧姆负载的反射系数，s23是指输入端口接负载时，两个输出端口之间的隔离度。仿真与测试结果基本吻合，测试结果显示中心频率为3.34ghz，通带内的输出端口的最小插入损耗为3.14db，3db相对带宽为95.2％，频率范围为1.75到4.93ghz，两个传输零点位置分别在1.35ghz和5.85ghz，功分端口的隔离度大于10.3db。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。