CN104681900B - 电磁分路耦合的高隔离度双工器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于分路电磁耦合的高隔离度双工器，主要解决现有双工器体积大，结构和设计复杂的问题。其包括：介质基板和三个端口，介质基板的正面设有金属导带结构(2)，反面为接地板(3)，各端口均与金属导带结构相连。金属导带结构分为形状相同、大小不同的左右两部分，形成频率不同的两个对称结构的滤波器；每个滤波器，由顶端开口的等腰直角三角形微带环(7)、弯曲微带线段(8)和包围在三角形下部的折线微带线段(9)组成；三角形底边中间位置设有磁耦合通孔(10)，折线微带线段(9)中间设有电耦合开口(11)，电耦合与磁耦合分别控制滤波器的两个传输零点。本发明隔离度高、结构简单，可用于小型化的射频通信系统。
Description
技术领域
本发明属于微波器件技术领域，尤其是一种通道隔离度幅值在40dB以上的新型小型化双工器，可用于小型化的射频通信系统。
背景技术
在无线通信系统中，射频收发机和天线连接共同完成接收和发送信号的处理任务。如果给接收机和发送机各配置一个天线，不仅会增加电路的体积和成本，两个天线之间还会产生相互的干扰，使得系统稳定和可靠性降低。双工器可以使收发机共用一副天线而又使其不相互影响。
双工器包括收发开关和频段双工器两种。如果收发机使用同一频段，则双工器就相当于一个收发开关。当天线接收信号时，发射机断开，接收机与天线连接，接收从天线传来的信号；发射机工作时，接收机断开，将发射信号传到天线上发射出去。频段双工器是将不同频段的信号利用一副共用天线分别进行发射和接收，它可以显著提高抗干扰能力。所以这种频段双工器拥有更加广泛的应用范围。
双工器根据使用的传输线的种类可以分为波导双工器、同轴双工器、介质双工器和微带双工器。微带双工器的优点在于小型化、低成本、易加工、易集成等，所以广泛应用于射频和微波通信系统中。但其也有功率容量较小，插入损耗较大的缺点。
双工器是由两个滤波器组成的三端口网络，有一个公共端口。但是如果只是将两个普通的滤波器连接在一起，将会不可避免的产生干扰而使整个系统的性能变坏。为了降低两个通道滤波器之间的相互干扰，必须采取措施以提高两个滤波器之间的隔离度。传统的方法是在公共端引入消纳电路，使得输入导纳在全部频谱上为一个恒定的实常数。但是消纳电路的引入使得双工器的结构更加复杂，也增加了体积，而且并不能完全消除干扰。隔离度是双工器设计的关键指标之一，为了获得好的隔离度，双工器中的滤波器需要具有良好的频率选择性来抑制不需要的信号。此前很多文献报道都集中在使用交叉耦合技术产生传输零点来提高滤波器的频率选择性，进而为双工器带来好的隔离度。但是为了达到交叉耦合，应该满足谐振器之间的非相邻耦合和相邻耦合相位相反，即非相邻耦合如果是电耦合，则相邻耦合应该是磁耦合。交叉耦合结构的滤波器都是由多个谐振器耦合而成的，电路尺寸大，因此由其构成的双工器结构更复杂，尺寸更大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高隔离度双工器设计方案，并解决现有双工器电路尺寸大、结构复杂的问题。
为实现上述目的，本发明包括：介质基板和三个端口(其中一个是公共端)，介质基板的正面设有金属微带电路结构，反面的金属镀层为金属微带贴片的接地板，各个端口分别与金属微带结构相连，且位于同一平面上，其特征在于：
金属微带结构以公共端口为中心分为形状相同、大小不同的左右两部分，形成频率不同的两个滤波器，滤波器是左右对称结构；
微带线结构，由顶端开口的等腰直角三角形微带环、弯曲微带线段和包围在该等腰直角三角形底边及两腰边下半部外侧的耦合折线微带线段组成，公共端到一个滤波器的距离大约为另一通道滤波器工作频率处波导波长的四分之一，等腰直角三角形底边的中间位置处设有磁耦合通孔，折线微带线段在与磁耦合通孔的正下侧对应位置处设有电耦合开口，该磁耦合通孔和电耦合开口以及三角形顶端开路端所产生的电耦合构成电磁分路耦合结构,形成滤波器的左右两个传输零点，电主耦合与磁主耦合各控制一个传输零点。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1.本发明中由于金属微带结构以公共端口为中心分为形状相同、大小不同的左右两部分，形成频率不同的两个对称结构的滤波器，并用微带“T”形连接结构，实现了两个滤波器的公共端，避免了传统双工器中由于用两个带通滤波器并联组成而要引入的消纳电路，使得结构更加简单。
2.本发明由于金属微带结构中等腰直角三角形底边的中间位置处设有磁耦合通孔，折线微带线段在与磁耦合通孔正下侧的对应位置处设有电耦合开口，通过该磁耦合通孔与电耦合开口以及三角形微带线顶端开口分别产生磁、电耦合效应，即采用分路的电磁耦合结构，使得每个带通滤波器通带两侧均能产生传输零点。传输零点分别由磁主耦合效应与电主耦合效应得到。
3.本发明的电、磁耦合强度可以单独进行调控，即可通过调节磁耦合通孔的半径改变滤波器通带左侧传输零点的位置，可通过调节电耦合的大小，即调节微带开路端耦合间隙的距离改变滤波器通带右侧传输零点的位置，实现带通滤波器通带两侧传输零点的单独可调可控，大大增强了滤波器的频率选择性和带外抑制能力。
4.本发明由于可对带通滤波器通带两侧的传输零点进行单独调控，可将第一带通滤波器右侧的传输零点调节到位于第二通带工作频率处，同时将第二带通滤波器左侧的传输零点调节到位于第一通带工作频率处，使双工器隔离度达到40dB以上，从而达到提高两通道之间的隔离度的目标。
5.本发明由于增加了包围在等腰直角三角形底边及两腰边下半部外侧的折线微带线段而构成一个电耦合路径，即在滤波器的输入端和输出端增加了一路直接的耦合传输路径，使得滤波器能够产生更多的传输零点。
6.本发明中由于双工器公共端口采用"T"形结构，且弯曲微带线段采用折叠弯曲的形式，使得整个电路的面积减小。
7.本发明结构简单、易于制作加工、易集成，可广泛应用于射频和微波通信系统中。
以下参照附图对本发明的实施例及效果作进一步详细的描述。
附图说明
图1是本发明的双工器结构图；
图2是本发明中微带结构示意图；
图3是在不同半径的磁耦合通孔下对微带滤波器的波形仿真结果图；
图4是在不同微带电耦合间隙下对微带滤波器的波形仿真结果图；
图5是对双工器中的左侧带通滤波器的波形仿真结果图；
图6是对双工器中的右侧带通滤波器的波形仿真结果图；
图7是对本发明双工器的频率响应仿真波形与测试波形比较图；
图8是本发明双工器的隔离度仿真波形与测试波形比较图。
具体实施方式
实施例1：
参照图1，本实施例包括：介质基板1、三个端口，即第一个端口4、第二个端口5和公共端口6。介质基板的正面设有金属微带结构2，反面的金属镀层为金属微带贴片的接地板3。介质基板1的介电常数为10.2，介质基板1厚度为1.27mm。
所述金属微带结构2，以公共端口6为中心分为形状相同、大小不同的左右两部分，形成频率不同的两个对称结构的滤波器。每个滤波器，由顶端开口的等腰直角三角形微带环7、弯曲微带线段8和包围在该等腰直角三角形底边及两腰边下半部外侧的折线微带线段9组成；等腰直角三角形底边的中间位置处设有磁耦合通孔10，折线微带线段9在与磁耦合通孔的正下侧对应位置处设有电耦合开口11，该磁耦合通孔10和电耦合开口11以及三角形微带顶端开口12产生的电耦合构成电磁分路耦合路径，滤波器通带两侧的传输零点分别由磁主耦合效应与电主耦合效应产生。弯曲微带线段8由“L”形微带线段和“几”字形微带线段两部分连接组成。“L”形微带线段的上端与折线微带线段9连接，“几”字形微带线段的下端与公共端口6连接。其中，左侧微带结构中的弯曲微带线段与右侧微带结构中的弯曲微带线段连接，并且与公共端口6连通，形成“T”形连接结构。第一端口4与左滤波器中包围等腰直角三角形的折线微带线段9的左半边连接，第二端口5与右滤波器中包围等腰直角三角形的折线微带线段9的右半边连接。所述的第一端口4、第二端口5和公共端口6位于同一平面上。
左右对称结构的两个滤波器，其顶端开口的等腰直角三角形微带环7和包围在该等腰直角三角形底边及两腰边下半部外侧的折线微带线段9的长度不同。
所述左滤波器中，其等腰直角三角形微带环7的腰长l1为10.68mm，腰宽w1为1.03mm，底长l2为15.1mm，底宽w2为0.4mm，等腰直角三角形微带环7的顶端电耦合开口12间距s1为0.8mm，底边磁耦合通孔10的半径r1为0.3mm，折线微带线段9包围在该等腰直角三角形两腰边下半部外侧的长度l3为5.1mm，电耦合开口11间距s2为0.1mm，开口的长度d1为1.5mm。
所述右滤波器中，等腰直角三角形微带环7的腰长l4为8.34mm，腰宽w3为1.03mm，底长l5为11.8mm，底宽w4为0.4mm，等腰直角三角形微带环7的顶端电耦合开口12间距s3为0.6mm，底边磁耦合通孔10的半径r2为0.33mm，折线微带线段9包围在该等腰直角三角形两腰边下半部外侧的长度l6为3.1mm，电耦合开口11间距s4为0.1mm，开口的长度d2为1.5mm。
本实例的电、磁耦合强度可以单独进行调控，实现带通滤波器通带两侧传输零点单独调节。可通过调节磁耦合通孔的半径改变滤波器通带左侧传输零点的位置，如图3所示。图3中的实线表示耦合通孔半径r2为0.3mm的仿真结果，虚线表示耦合通孔半径r2为0.33mm的仿真结果，图3中虚线圈内的曲线分别表示S11曲线和S21曲线。图3所示的仿真结果表明，耦合通孔半径r2为0.3mm的左传输零点的位置比耦合通孔半径r2为0.33mm的左传输零点的位置离中心频率更远，即耦合通孔半径r2越小，左传输零点的位置越往左偏移，而右侧传输零点的变化很小。可得出耦合通孔半径r2主要控制左侧传输零点，也就是说滤波器左侧传输零点主要是磁主耦合控制的。
同样本实例可通过调节微带间隙的距离改变滤波器通带右侧传输零点的位置，如图4所示，图4中的实线表示等腰直角三角形微带环的顶端电耦合开口间距s3为0.7mm的仿真结果，虚线表示s3为0.6mm的仿真结果，图4中虚线圈内的曲线分别表示S11曲线和S21曲线。图4所示的仿真结果表明，电耦合开口间距s3为0.6mm时的右侧传输零点的位置比s3为0.7mm时的右传输零点的位置更靠近中心频率，即电耦合开口间距s3越小，右传输零点的位置越往左偏移，而左侧传输零点基本保持不变。可得出电耦合间距s3主要控制右侧传输零点，也就是说滤波器右侧传输零点主要是电主耦合控制的。
对本实施例构成双工器的两个滤波器分别进行电磁仿真，结果如图5和图6所示。从图5可以看到左带通滤波器的工作频率为1.8GHz，且通带两侧均有传输零点。从图6可以看到右带通滤波器的工作频率为2.45GHz，且通带两侧均有传输零点。图中虚线圈内的曲线分别表示S11曲线和S21曲线。
对本实例双工器进行电磁仿真和加工测试，结果如图7和图8所示。图7为频率响应结果，图8为隔离度结果。图中的虚线表示电磁仿真结果，实线表示实测结果，图8中虚线圈内的曲线表示S21曲线。从图7和图8可以看到，实测结果与仿真结果吻合，表明本双工器为一种高隔离度双频段的双工器。双工器的隔离度在40dB以上，两个通带的工作频率分别为1.8GHz和2.45GHz。仿真和实测误差主要是由板材误差和加工精度引起的。
以上描述仅是本发明的一个具体实例，并未构成本发明的任何限制。显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和参数这些细节上的各种修正和改变，例如本发明微带金属结构中的等腰直角三角形开裂环结构，正三角形开裂环、矩形包括方形开裂环、正六边形开裂环等等都可用来设计高隔离度双工器，其设计思想是相通的。但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高隔离度双工器，包括：介质基板(1)、第一端口(4)、第二端口(5)和公共端口(6)，介质基板的正面设有金属导带结构(2)，反面的金属镀层为金属微带贴片的接地板(3)，该三个端口(4)、(5)、(6)分别与金属导带结构(2)相连，且位于同一平面上，其特征在于：
金属导带结构(2)以公共端口(6)为中心分为形状相同、大小不同的左右两部分，形成频率不同的两个左右对称滤波器；
每个滤波器，由顶端开口的等腰直角三角形微带环(7)、弯曲微带线段(8)和包围在该等腰直角三角形底边及两腰边下半部外侧的折线微带线段(9)组成；等腰直角三角形底边的中间位置处设有磁耦合通孔(10)，折线微带线段(9)在与磁耦合通孔的正下侧对应位置处设有电耦合开口(11)，该磁耦合通孔(10)和电耦合开口(11)以及三角形顶端开路端(12)所产生的电耦合构成电磁分路耦合结构,形成滤波器的左右两个传输零点,电主耦合与磁主耦合各控制一个传输零点。
2.根据权利要求1所述的高隔离度双工器，其特征在于：弯曲微带线段(8)由“L”形微带线段和“几”字形微带曲折线两部分连接组成，其中“L”形微带线段的上端与折线微带线段(9)连接，“几”字形微带线段的下端与公共端口(6)连接。
3.根据权利要求1所述的高隔离度双工器，其特征在于：折线微带线段(9)与等腰直角三角形微带开裂环(7)对应边的间距为0.1mm。
4.根据权利要求1所述的高隔离度双工器，其特征在于：折线微带线段(9)的电耦合开口(11)耦合间距为0.1mm。
5.根据权利要求1所述的高隔离度双工器，其特征在于：左侧滤波器中的三角形顶端开路端(12)的间距为0.8mm，右滤波器中三角形顶端开路端(12)的间距为0.6mm。
6.根据权利要求1所述的高隔离度双工器，其特征在于：左侧滤波器等腰直角三角形微带环底边磁耦合通孔(10)的半径为0.3mm，右侧滤波器等腰直角三角形微带环底边磁耦合通孔(10)的半径为0.33mm。
7.根据权利要求1所述的高隔离度双工器，其特征在于：左滤波器中的等腰直角三角形腰长l1为10.68mm，底长l2为15.1mm，实现的工作频率为1.8GHz。
8.根据权利要求1所述的高隔离度双工器，其特征在于：右滤波器中的等腰直角三角形腰长为0.78l1，底长为0.78l2，实现的工作频率为2.45GHz,其中l1＝10.68mm，l2＝15.1mm。
9.根据权利要求1所述的高隔离度双工器，其特征在于：第一端口(4)与左滤波器中包围等腰直角三角形的折线微带线段(9)的左半边连接，第二端口(5)与右滤波器中包围等腰直角三角形的折线微带线段(9)的右半边连接。
10.根据权利要求1所述的高隔离度双工器，其特征在于：左滤波器的弯曲微带线段中的“几”字形微带线段与右滤波器中的弯曲微带线段中的“几”字形微带线段相连,并和公共端口(6)互连，形成“T”形连接结构。
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