CN218101661U - 一种具有高功分比的双频Gysel功分滤波器 - Google Patents

Abstract

本实用新型适用于功率分配技术改进领域，提供了一种具有高功分比的双频Gysel功分滤波器，包括变换组件，变换组件的输入端及短路组件的一端分别连接双频Gysel功分滤波器的输入端(I/P)，变换组件的第一输出端与支线组件的一端分别连接双频Gysel功分滤波器的输出端(O/P1)，变换组件的第二输出端与支线组件的另一端分别连接双频Gysel功分滤波器的输出端(O/P2)，开路组件的一端连接支线组件，隔离组件的一端连接支线组件。结构简单，灵活度高，结构上更简化，尺寸上更小，有助于通信系统的小型化。

Description

一种具有高功分比的双频Gysel功分滤波器

技术领域

本实用新型属于功率分配技术改进领域，尤其涉及可应用在射频前端电路的集成双频带滤波功能的可以实现高功分比的双频段Gysel功分滤波器。

背景技术

作为射频前端系统中不可缺少的器件，对于滤波器和功分器的研究一直是射频器件研究的热点。因为这两个器件一般都需要工作在相同的频率，具有融合设计的前提；并且，这两个器件的联合使用非常广泛，如果能够将这两个器件进行融合设计，则会具有很高的应用价值。

目前主流的融合设计方法是使用具有90°相移特性的滤波电路替代功分器t型结构中的四分之一波长微带线，这样的设计方法其优点在于：1、实现更低的插入损耗2、大幅度减小系统的尺寸3、降低系统各部分之前的匹配难度。基于这样的设计思路，很多学者设计出了各种功分滤波器。

在之前的融合设计的基础上，为了拓展现代通信系统对于多种通信协议并存的需求，也有学者设计出具有双频带内90°相移特性的滤波器，并在双频功分器的基础之下进行拓扑分析，最终得到电路各部分的参数。也有学者利用多个谐振器组合或者左右手复合材料等技术结合威尔金森功分器结构进行分析，实现了多种多样的双频滤波功分器。

目前存在的双频段功分滤波器主要存在的问题如下：

1、研究的基础在于威尔金森功分器的结构，但是威尔金森功分器隔离器件仅为一个内部电阻，内部缺少了接地部分，这使得以此为基础的器件无法工作于大功率场景。而对于隔离部分拥有接地电阻的Gysel功分器的分析却存在空白。

2、研究的重点主要集中于等分功分滤波器的实现，但是忽视了阵列天线等应用对不等分功分器的需求，缩窄了功分滤波器的应用场景。

实用新型内容

考虑到上述问题及目前研究的空白，本实用新型提出了一种具有高功分比的双频Gysel功分滤波器。相对于现有的功分滤波器，填补了不等分功分滤波器设计上的空白，并且使用了可以应用于高功率场景下的Gysel 功分器类型，拓宽了应用场景；相对于传统的Gysel功分滤波器，此实用新型使用了一个在双频段下都具有90度相移的阻抗变换器去替代了功分滤波器中那四分之一波长的高阻抗微带线。这样设计后，功分比可以到达 10:1，带宽可以被任意的控制，同时，在通带边缘引入了三个传输零点，提高了频率选择性。

本实用新型的目的在于提供一种具有高功分比的双频Gysel功分滤波器，旨在解决上述的技术问题。

本实用新型是这样实现的，一种具有高功分比的双频Gysel功分滤波器，所述具有高功分比的双频Gysel功分滤波器包括变换组件、支线组件、开路组件、短路组件及隔离组件，所述变换组件的输入端及短路组件的一端分别连接具有高功分比的双频Gysel功分滤波器的输入端(I/P)，所述变换组件的第一输出端与所述支线组件的一端分别连接所述具有高功分比的双频Gysel功分滤波器的输出端(O/P1)，所述变换组件的第二输出端与所述支线组件的另一端分别连接所述具有高功分比的双频Gysel功分滤波器的输出端(O/P2)，所述开路组件的一端连接所述支线组件，所述隔离组件的一端连接所述支线组件。

本实用新型的进一步技术方案是：所述变换组件包括在两个工作频率下都具有90°相移的第一阻抗变换器及第二阻抗变换器组成，所述第一阻抗变换器的输入端与所述第二阻抗变换器的输入端连接。

本实用新型的进一步技术方案是：所述第一阻抗变换器包括两个相同的第一谐振器，两个所述第一谐振器对立放置且耦合连接，所述第一谐振器包括第一微带线、第二微带线、第三微带线、第四微带线、第五微带线及第一开路微带线，所述第一微带线的两端分别连接所述第二微带线的一端及第五微带线的一端，所述第二微带线的另一端连接所述第三微带线的一端，所述第五微带线的另一端连接所述第四微带线的一端，所述第一开路微带线的一端连接所述第一微带线，所述第一开路微带线的另一端邻近所述第四微带线。

本实用新型的进一步技术方案是：所述第二微带线与所述第五微带线位于所述第一微带线的同一侧，所述第一微带线与所述第三微带线位于所述第二微带线的不同侧，所述第一微带线与所述第四微带线位于所述第五微带线的同侧，所述第一微带线与所述第四微带线平行，所述第一微带线的延长线与所述第三微带线平行，所述第二微带线、第五微带线及第一开路微带线相互平行，所述第三微带线的中线与所述第四微带线的中线位于同一直线上。

本实用新型的进一步技术方案是：所述第二阻抗变换器包括两个相同的第二谐振器，两个所述第二谐振器对立放置且耦合连接，所述第二谐振器包括第六微带线、第七微带线、第八微带线、第九微带线、第十微带线及第二开路微带线，所述第六微带线的两端分别连接所述第七微带线的一端及第九微带线的一端，所述第七微带线另一端连接所述第八微带线的一端，所述第九微带线的另一端连接所述第十微带线的一端，所述第二开路微带线的一端连接在所述第六微带线上。

本实用新型的进一步技术方案是：所述第七微带线与所述第九微带线位于所述第六微带线的同侧，所述第八微带线与所述第六微带线位于所述第七微带线的同侧，所述第六微带线与所述第十微带线位于所述第九微带线的不同侧，所述第七微带线、第二开路微带线及第九微带线相互平行，所述第六微带线与所述第八微带线平行，所述第六微带线的延长线与所述第十微带线平行，所述第十微带线的中线与所述第八微带线的中线位于同一直线上。

本实用新型的进一步技术方案是：所述支线组件包括第一分支线、第二分支线、第三分支线及第四分支线，所述第一分支线的一端连接输出端口(O/P1)，所述第一分支线的另一端连接所述第二分支线的一端，所述第二分支线的另一端连接所述第三分支线的一端，所述第三分支线的另一端连接所述第四分支线的一端，所述第四分支线的另一端连接输出端口 (O/P2)。

本实用新型的进一步技术方案是：所述第二分支线包括第十一微带线、第十二微带线及第十三微带线，所述第十二微带线的两端分别连接所述第十一微带线的一端及第十三微带线的一端，所述第十一微带线与所述第十三微带线位于所述第十二微带线不同侧，所述第十一微带线与所述第十三微带线在同一平面平行。

本实用新型的进一步技术方案是：所述第三分支线包括第十四微带线、第十五微带线及第十六微带线，所述第十五微带线的两端分别连接所述第十四微带线的一端及第十六微带线的一端，所述第十四微带线与所述第十六微带线位于所述第十五微带线的不同侧，所述第十四微带线与所述第十六微带线在同一平面平行。

本实用新型的进一步技术方案是：所述短路组件包括短路微带线，所述短路微带线的一端连接输入端口(I/P)，所述短路微带线的另一端通过过孔接地，所述短路微带线位于所述第一阻抗变换器及第二阻抗变换器之间；所述开路组件包括第三开路微带线，所述第三开路微带线的一端连接所述第十三微带线与所述第十四微带线的连接处；所述第一分支线采用第十七微带线；所述第四分支线采用第十八微带线；所述隔离组件采用隔离电阻，所述隔离电阻包括电阻R1及电阻R2，所述电阻R1的一端连接所述第一分支线的另一端，所述电阻R1的另一端接地，所述电阻R2的一端连接所述第四分支线的一端，所述电阻R2的另一端接地。

本实用新型的有益效果是：相对于现有技术，本实用新型具有如下优点：

(1)第二工作频率可以单独进行调节，结构简单，灵活度高。

(2)相比于功分器和滤波器级联的方式，免去了对多器件联合匹配的繁琐，具有低插入损耗的性能，结构上更简化，尺寸上更小，体积优化空间更大，有助于通信系统的小型化，降低了级联多个器件造成的匹配难度。

(3)既保留了Gysel功分器适用于大功率场景的优点，又使得其信号具有了在双频段下的频率选择性。

(4)填补了了当前双频功分滤波器研究中关于不等分功分器的研究空白，丰富了对于不同应用场景下的器件设计方法。

(5)可以实现10:1的高功分比，通过使用方便调节匹配阻抗的耦合结构，解决了微带线高阻抗下难以加工的问题，可以适用于需要高功分比的天线阵列当中。

(6)在通带周围有三个传输零点，传输零点可以使得信号在通带外具有较强的抑制，使得滤波器的性能更好，让信号具有更强的频率选择性。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的是10:1功分比的Gysel滤波功分器的器件的拓扑结构图。

图2是本实用新型实施例提供的10:1功分比情况下的Gysel滤波功分器的第二阻抗变换器的示意图。

图3是本实用新型实施例提供的10:1功分比情况下的Gysel滤波功分器的第一阻抗变换器的示意图。

图4是本实用新型实施例提供的根据条件设计的10:1功分比下的双频 Gysel功分滤波器的传输特性仿真结果一。

图5是本实用新型实施例提供的根据条件设计的10:1功分比下的双频 Gysel功分滤波器的传输特性仿真结果二。

具体实施方式

如图1-5所示，本实用新型提供的具有高功分比的双频Gysel功分滤波器，所述具有高功分比的双频Gysel功分滤波器包括变换组件、支线组件、开路组件、短路组件及隔离组件，所述变换组件的输入端及短路组件的一端分别连接具有高功分比的双频Gysel功分滤波器的输入端(I/P)，所述变换组件的第一输出端与所述支线组件的一端分别连接所述具有高功分比的双频Gysel功分滤波器的输出端(O/P1)，所述变换组件的第二输出端与所述支线组件的另一端分别连接所述具有高功分比的双频Gysel功分滤波器的输出端(O/P2)，所述开路组件的一端连接所述支线组件，所述隔离组件的一端连接所述支线组件。

所述变换组件通过调整阻抗变换器中两个谐振器之间的耦合强度和端口位置的长度比例调整匹配的阻抗。

所述具有高功分比的双频Gysel功分滤波器的微带线长度应该满足函数式：(1+m)*θ＝π，从而保证双频段下角度正切值不变，其中，m为两个工作频率之比，θ为第一工作频率下对微带线电长度。角度正切值即功分滤波器中除了阻抗变换器以外的其他微带线在第一工作频率下电长度θ所对应的正切值。

整体上分为两个变换器、四根普通微带线、一根开路微带线、一根短路微带线和两个接地隔离电阻组成。其中变换器具有两个工作频率相同90°相移的特性，其他分支线具有两个频段下电长度互补的特性，即(1+m)* θ＝π：其中，m为两个工作频率之比，θ为第一工作频率下对应的微带线电长度。

所述变换组件包括两个工作频率相同90°相移的第一阻抗变换器及第二阻抗变换器组成，所述第一阻抗变换器的输入端与所述第二阻抗变换器的输入端连接。

该变换器主要分为两个谐振器，每个变换器的两个谐振器构成完全相同，由五根电长度和为二分之一波长的微带线和一个中心枝节开路微带线组成，两个谐振器通过其中的两根微带线耦合连接，对立放置。变换器可以通过调节端口位置和耦合强度来匹配到不同的特征阻抗，还可以通过调节中心枝节开路微带线的长度来单独调节第二频率工作点和等效阻抗。在变换器传输特性的通带旁引入了三个传输零点，增加了频率选择性。

所述第一阻抗变换器包括两个相同的第一谐振器1、2，两个所述第一谐振器1、2对立放置且耦合连接，所述第一谐振器1、2包括第一微带线 11、第二微带线12、第三微带线13、第四微带线15、第五微带线16及第一开路微带线14，所述第一微带线11的两端分别连接所述第二微带线12 的一端及第五微带线16的一端，所述第二微带线12的另一端连接所述第三微带线13的一端，所述第五微带线16的另一端连接所述第四微带线15 的一端，所述第一开路微带线14的一端连接所述第一微带线11，所述第一开路微带线14的另一端邻近所述第四微带线15。

所述第一开路微带线14及每个谐振器对应微带线的长度根据功分器的两个工作频点的比值获取，具体频率确定需满足函数式，

其中L1是阻抗变换器中除开中心枝节之外的长度和，L2是中心枝节长度，所以在谐振器长度固定之后可以实现单独调节 L2来调节第二个工作频率。

所述第二微带线12与所述第五微带线16位于所述第一微带线11的同一侧，所述第一微带线11与所述第三微带线13位于所述第二微带线12的不同侧，所述第一微带线11与所述第四微带线15位于所述第五微带线16 的同侧，所述第一微带线11与所述第四微带线15平行，所述第一微带线 11的延长线与所述第三微带线13平行，所述第二微带线12、第五微带线 16及第一开路微带线14相互平行，所述第三微带线13的中线与所述第四微带线15的中线位于同一直线上。

所述第二阻抗变换器包括两个相同的第二谐振器3、4，两个所述第二谐振器3、4对立放置且耦合连接，所述第二谐振器3、4包括第六微带线 17、第七微带线18、第八微带线19、第九微带线21、第十微带线22及第二开路微带线20，所述第六微带线17的两端分别连接所述第七微带线18 的一端及第九微带线21的一端，所述第七微带线18另一端连接所述第八微带线19的一端，所述第九微带线21的另一端连接所述第十微带线22的一端，所述第二开路微带线20的一端连接在所述第六微带线上。

所述第七微带线18与所述第九微带线21位于所述第六微带线17的同侧，所述第八微带线19与所述第六微带线17位于所述第七微带线18的同侧，所述第六微带线17与所述第十微带线22位于所述第九微带线的不同侧，所述第七微带线18、第二开路微带线20及第九微带线21相互平行，所述第六微带线17与所述第八微带线19平行，所述第六微带线17的延长线与所述第十微带线22平行，所述第十微带线22的中线与所述第八微带线19的中线位于同一直线上。

所述支线组件包括第一分支线6、第二分支线7、第三分支线8及第四分支线9，所述第一分支线6的一端连接输出端口(O/P1)，所述第一分支线6的另一端连接所述第二分支线7的一端，所述第二分支线7的另一端连接所述第三分支线8的一端，所述第三分支线8的另一端连接所述第四分支线9的一端，所述第四分支线9的另一端连接输出端口(O/P2)。

所述第二分支线7包括第十一微带线23、第十二微带线24及第十三微带线25，所述第十二微带线24的两端分别连接所述第十一微带线23的一端及第十三微带线25的一端，所述第十一微带线23与所述第十三微带线25位于所述第十二微带线24不同侧，所述第十一微带线23与所述第十三微带线25在同一平面平行。

所述第三分支线8包括第十四微带线26、第十五微带线27及第十六微带线28，所述第十五微带线27的两端分别连接所述第十四微带线26的一端及第十六微带线28的一端，所述第十四微带线26与所述第十六微带线28位于所述第十五微带线27的不同侧，所述第十四微带线26与所述第十六微带线28在同一平面平行。

所述短路组件包括短路微带线5，所述短路微带线5的一端连接输入端口(I/P)，所述短路微带线5的另一端通过过孔接地，所述短路微带线5 位于所述第一阻抗变换器及第二阻抗变换器之间；所述开路组件包括第三开路微带线10，所述第三开路微带线10的一端连接所述第十三微带线25 与所述第十四微带线26的连接处；所述第一分支线6采用第十七微带线；所述第四分支线9采用第十八微带线；所述隔离组件采用隔离电阻，所述隔离电阻包括电阻R1及电阻R2，所述电阻R1的一端连接所述第一分支线6的另一端，所述电阻R1的另一端接地，所述电阻R2的一端连接所述第四分支线9的一端，所述电阻R2的另一端接地。

为了使得器件在实现双频段滤波功分功能融合设计的情况下，仍然保证良好的隔离和匹配，需要对传统的Gysel功分器的隔离部分进行修改，使得其可以满足双频带的需要。在传统的Gysel功分器的隔离部分基础上引入了一条短路微带线和一条开路微带线。其中短路微带线位于两个变换器和输入端口之间，通过过孔与地相连接；开路微带线一端连接到微带线 7和8之间。他们的特征阻抗可以通过一端口和二端口匹配的方法得到具体的值，而为了保证在不同的频率下具有相同的阻抗特性，除开谐振器外的微带线电长度则应该满足互补的条件，(1+m)*θ＝π：其中，m为两个工作频率之比，θ为第一工作频率下对应的微带线电长度。

接地电阻作为隔离器件连接在微带线6与7、7与9之间的位置，并且与地相连接，其值可以由端口匹配的方法得到，这样得设计使得功分滤波器工作的时候可以将热量散到器件之外，适用于大功率工作场景。

实施例

具有高功分比的双频Gysel功分滤波器的结构如图1所示，介质基板的厚度为0.508mm，相对介电常数为3.55。

图4和图5是根据上述条件设计的10:1功分比下的双频Gysel功分滤波器的传输特性仿真结果。图中横轴表示频率，纵轴表示以dB为单位的传输特性。图4中，S11表示双频等分Gysel功分滤波器的输入回波损耗， S21和S31分别表示在输入端口(I/P)匹配时，第一输出端口(O/P1)和第二输出端口(O/P2)到输入端口(I/P)的插入损耗，仿真结果显示： 10:1功分比下的Gysel双频功分滤波器有两个工作频点，分别为1.88GHz 和3.03GHz；输入回波损耗S11在工作频点附近的通带内低于-15dB，在 1.88GHz左右的工作频点处为-18.3dB，在3.03GHz左右的工作频点处为 -19.1dB；插入损耗S21在1.88GHz的工作频率下的值为-11.3dB，在3.03GHz 的工作频率下为-11.35dB，其理论值为-10.4dB；插入损耗S31在1.88GHz 的工作频率下的值为-1.25dB，在3.03GHz的工作频率下为-1.2dB,其理论值为-0.4dB；S21和S31的差值在在1.88GHz的工作频率下的值为10.05dB，在3.03GHz的工作频率下为10.1dB，非常接近其理论值10dB.

在两个通带附近共有三个传输零点，增强了滤波功分器的频率选择性。图5中，S22和S33分别表示第一输出端口(O/P1)和第二输出端口(O/P2) 的输出回波损耗，S23表示第一输出端口(O/P1)和第二输出端口(O/P2) 的隔离系数。仿真结果显示：在两个工作频点附近的通带内都低于-15dB，实现了二三端口的匹配；隔离系数S23在工作频点附近的通带内整体低于 -15dB，在1.88GHz的工作频点处为-24.2dB，在3.03GHz的工作频点处为 -27.5dB。

实施例的仿真结果表明上述10:1功分比下的双频Gysel功分滤波器可以实现双频工作，10:1的功率分配功能和滤波功能。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有高功分比的双频Gysel功分滤波器，其特征在于，所述具有高功分比的双频Gysel功分滤波器包括变换组件、支线组件、开路组件、短路组件及隔离组件，所述变换组件的输入端及短路组件的一端分别连接具有高功分比的双频Gysel功分滤波器的输入端(I/P)，所述变换组件的第一输出端与所述支线组件的一端分别连接所述具有高功分比的双频Gysel功分滤波器的输出端(O/P1)，所述变换组件的第二输出端与所述支线组件的另一端分别连接所述具有高功分比的双频Gysel功分滤波器的输出端(O/P2)，所述开路组件的一端连接所述支线组件，所述隔离组件的一端连接所述支线组件。

2.根据权利要求1所述的具有高功分比的双频Gysel功分滤波器，其特征在于，所述变换组件包括在两个工作频率下都具有90°相移的第一阻抗变换器及第二阻抗变换器组成，所述第一阻抗变换器的输入端与所述第二阻抗变换器的输入端连接。

3.根据权利要求2所述的具有高功分比的双频Gysel功分滤波器，其特征在于，所述第一阻抗变换器包括两个相同的第一谐振器，两个所述第一谐振器对立放置且耦合连接，所述第一谐振器包括第一微带线、第二微带线、第三微带线、第四微带线、第五微带线及第一开路微带线，所述第一微带线的两端分别连接所述第二微带线的一端及第五微带线的一端，所述第二微带线的另一端连接所述第三微带线的一端，所述第五微带线的另一端连接所述第四微带线的一端，所述第一开路微带线的一端连接所述第一微带线，所述第一开路微带线的另一端邻近所述第四微带线。

4.根据权利要求3所述的具有高功分比的双频Gysel功分滤波器，其特征在于，所述第二微带线与所述第五微带线位于所述第一微带线的同一侧，所述第一微带线与所述第三微带线位于所述第二微带线的不同侧，所述第一微带线与所述第四微带线位于所述第五微带线的同侧，所述第一微带线与所述第四微带线平行，所述第一微带线的延长线与所述第三微带线平行，所述第二微带线、第五微带线及第一开路微带线相互平行，所述第三微带线的中线与所述第四微带线的中线位于同一直线上。

5.根据权利要求4所述的具有高功分比的双频Gysel功分滤波器，其特征在于，所述第二阻抗变换器包括两个相同的第二谐振器，两个所述第二谐振器对立放置且耦合连接，所述第二谐振器包括第六微带线、第七微带线、第八微带线、第九微带线、第十微带线及第二开路微带线，所述第六微带线的两端分别连接所述第七微带线的一端及第九微带线的一端，所述第七微带线另一端连接所述第八微带线的一端，所述第九微带线的另一端连接所述第十微带线的一端，所述第二开路微带线的一端连接在所述第六微带线上。

6.根据权利要求5所述的具有高功分比的双频Gysel功分滤波器，其特征在于，所述第七微带线与所述第九微带线位于所述第六微带线的同侧，所述第八微带线与所述第六微带线位于所述第七微带线的同侧，所述第六微带线与所述第十微带线位于所述第九微带线的不同侧，所述第七微带线、第二开路微带线及第九微带线相互平行，所述第六微带线与所述第八微带线平行，所述第六微带线的延长线与所述第十微带线平行，所述第十微带线的中线与所述第八微带线的中线位于同一直线上。

7.根据权利要求6所述的具有高功分比的双频Gysel功分滤波器，其特征在于，所述支线组件包括第一分支线、第二分支线、第三分支线及第四分支线，所述第一分支线的一端连接输出端口(O/P1)，所述第一分支线的另一端连接所述第二分支线的一端，所述第二分支线的另一端连接所述第三分支线的一端，所述第三分支线的另一端连接所述第四分支线的一端，所述第四分支线的另一端连接输出端口(O/P2)。

8.根据权利要求7所述的具有高功分比的双频Gysel功分滤波器，其特征在于，所述第二分支线包括第十一微带线、第十二微带线及第十三微带线，所述第十二微带线的两端分别连接所述第十一微带线的一端及第十三微带线的一端，所述第十一微带线与所述第十三微带线位于所述第十二微带线不同侧，所述第十一微带线与所述第十三微带线在同一平面平行。

9.根据权利要求8所述的具有高功分比的双频Gysel功分滤波器，其特征在于，所述第三分支线包括第十四微带线、第十五微带线及第十六微带线，所述第十五微带线27的两端分别连接所述第十四微带线的一端及第十六微带线的一端，所述第十四微带线与所述第十六微带线位于所述第十五微带线的不同侧，所述第十四微带线与所述第十六微带线在同一平面平行。

10.根据权利要求9所述的具有高功分比的双频Gysel功分滤波器，其特征在于，所述短路组件包括短路微带线，所述短路微带线的一端连接输入端口(I/P)，所述短路微带线的另一端通过过孔接地，所述短路微带线位于所述第一阻抗变换器及第二阻抗变换器之间；所述开路组件包括第三开路微带线，所述第三开路微带线的一端连接所述第十三微带线与所述第十四微带线的连接处；所述第一分支线采用第十七微带线；所述第四分支线采用第十八微带线；所述隔离组件采用隔离电阻，所述隔离电阻包括电阻R1及电阻R2，所述电阻R1的一端连接所述第一分支线的另一端，所述电阻R1的另一端接地，所述电阻R2的一端连接所述第四分支线的一端，所述电阻R2的另一端接地。

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