一种互补双工结构全频段吸收双频带通滤波器

技术领域

本发明属于电气领域，涉及一种无源射频器件，具体是一种互补双工结构全频段吸收双频带通滤波器。

背景技术

目前，随着通信技术的飞速发展以及人们对通信功能需求的日益多样化，对于能够适用于多种通信标准的多频带和高性能的微波器件的需求日益增加。随着5G移动通信系统的发展，整个移动通信行业都开始探索全新的频段。

目前，在全球多个国家已经开始将sub-6GHz的频谱资源用于5G通信，滤波器是射频前端系统中的关键器件，并广泛应用在无线通信以及卫星导航系统等的天线馈电网络中，如天线阵列、功率放大器以及移相器等。其中，带通滤波器作为一种常见的频率选择性器件，可以在特定的频段内传输信号与能量，并可以在一定频段抑制无用信号，即通带外信号全部被反射回端口。除此之外，为了满足5G通信高速率和大容量的需求，在频带支持上，要求滤波器能够同时支持多个频段或者覆盖尽可能宽的频带范围。

带通滤波器往往与放大器和天线阵列等系统连接，这些系统中存在大量的非线性器件，滤波器输入端口的信号和功率会反射进入与其相连接的设备中，并与这些相连系统中的非线性元件产生互调干扰。放大器等非线性元件对噪声和反射信号的灵敏度比较高，这些噪声信号和反射的信号会对非线性系统的性能产生比较大的影响，进而导致通信系统的灵敏度降低，信噪比过低，严重影响通信系统的性能。

发明内容

本发明针对上述问题，提出了一种互补双工结构全频段吸收双频带通滤波器，不但可以实现宽带双频滤波性能，提升带通滤波器的性能，还可以对输入端口反射信号全频率吸收，以防止信号反射到通信系统中，对通信系统造成不良的影响。

所述的互补双工结构全频段吸收双频带通滤波器，构建在单层电路板上，由双频带通滤波结构和左右对称的互补双频带阻吸收支路组成；

双频带通滤波结构为对称结构，包括一个终端开路的两端口的耦合线组c以及与其垂直连接的微带线s1；耦合线c的左线下端开路，上端连接左侧微带线s1的右端，微带线s1的左端连接左侧的互补双频带阻吸收支路，同时也与输入端口即第一端口直接相连；

对称地，耦合线c的右线下端开路，上端连接右侧微带线s1的左端；微带线s1的右端连接右侧的互补双频带阻吸收支路，同时也与输出端口即第二端口直接相连；

所述的互补双频带阻吸收支路并联在两个端口处，包括吸收枝节和阶梯阻抗开路枝节；

阶梯阻抗开路枝节包括串联的微带线s3和s4；吸收枝节包括串联的微带线s5和接地电阻R1；

与两个端口相连的微带线s1分别连接左右两侧微带线s2的上端，微带线s2的下端均与左右阶梯阻抗开路枝节中的微带线s3相连，另外，在微带线s2和s3之间并联吸收枝节的微带线s5。

所述的微带线s1，微带线s2，微带线s3，微带线s4，微带线s5的线宽和长度均不相同，具体由微带线的电长度和特征阻抗这两个电特性参数决定。

所述输入端口和输出端口均为SMA连接头。

所述的互补双工结构全频段吸收双频带通滤波器，工作原理如下：

当信号从第一端口输入时，带内信号通过双频带通滤波结构传输至输出端口，带外信号通过互补双频带阻吸收支路吸收，经能量损耗元件电阻将电流转化为能量消散。

1)带内信号的传输具体为：

首先，定义该滤波器的两个工作频率分别为f

然后，计算滤波器输入端口的阻抗：Z

Z

最后，当两个工作频率处，滤波器中的输入阻抗Z

同时，互补双频带阻吸收支路的输入阻抗Z

2)带外信号的吸收过程如下：

首先，该滤波器在直流和偶次谐波处f＝2nf

通过调节电阻R

然后，该滤波器在中心频率和奇次谐波处f＝(2n+1)f

当电阻R

本发明的优点在于：

1)一种互补双工结构全频段吸收双频带通滤波器，具有新颖的结构，包括双频带通滤波结构和互补双频吸收带阻支路两部分。

2)一种互补双工结构全频段吸收双频带通滤波器，双频带通滤波结构基于终端开路耦合线枝节，使得在两个通带范围内，该双频滤波器可以实现双频信号的有效传输，具有良好的滤波性能。

3)一种互补双工结构全频段吸收双频带通滤波器，通过在双频带通滤波结构的两个端口添加互补双频带阻吸收支路，其中吸收枝节由电阻和短路的四分之一波长枝节串联而成，在通带范围内，互补双频带阻枝节等效为开路，对滤波器的滤波性能影响较小，在通带范围外，该双频滤波器可以有效吸收反射噪声，接地电阻作为能量损耗元件，可以将输入端口的电流转化为热量消散，避免无用信号反射到与之连接的设备中，对通信系统的性能造成干扰。

4)一种互补双工结构全频段吸收双频带通滤波器，电路结构尺寸很小，结构简单，因此易于加工集成，电路结构平面化，可采用单层电路板加工，可以广泛应用在具有双频滤波需求的射频电路中。

附图说明

图1为本发明一种互补双工结构全频段吸收双频带通滤波器的结构图；

图2为本发明一种互补双工结构全频段吸收双频带通滤波器的微带线示意图；

图3为本发明结合输入阻抗的互补双工结构全频段吸收双频带通滤波器的工作原理图；

图4为本发明中心工作频率为1.80GHz的实施例中的电路结构示意图；

图5为本发明实施例中激励下，S

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图对本发明作进一步的详细和深入描述。

本发明一种互补双工结构全频带吸收双频带通滤波器，由基于开路耦合线枝节的双频带通滤波结构和具有吸收枝节的互补双频带阻吸收支路组成。通过在两个端口添加互补双频带阻吸收支路，可以实现双端口反射噪声全频吸收功能。另外，该整体双频滤波器的尺寸小，带宽宽，符合通信系统的小型化趋势和对带宽的需求。而且该整体双频滤波器是一个简单的平面结构，具有易实现性，可以实现对带外噪声的吸收，有效的提升射频系统的性能，减小反射噪声对系统的影响，减小微波系统的复杂性并显著提升系统的性能。

所述的双频带通滤波器，如图1所示，由单层印刷电路板实现，电路板顶层为基于耦合线的具有全频吸收性能的双频带通滤波器的电路，底层为金属接地面；利用单层印刷电路板的设计方法来实现，整体结构简单，易于加工和集成，设计思路新颖。

该整体双频滤波器可以实现全频带吸收，整体为一个互补双工结构，由双频带通滤波结构和左右对称的互补双频带阻吸收支路组成；

如图2所示，双频带通滤波结构基于耦合线开路枝节，为对称结构；包括终端开路的耦合线组c以及与其垂直连接的微带线s1；耦合线c的左线下端开路，上端连接左侧微带线s1的右端，微带线s1的左端连接左侧的互补双频带阻吸收支路，同时也与输入端口即第一端口直接相连；

对称地，耦合线c的右线下端开路，上端连接右侧微带线s1的左端；微带线s1的右端连接右侧的互补双频带阻吸收支路，同时也与输出端口即第二端口直接相连；

所述的互补双频带阻吸收支路并联在两个端口处，包括吸收枝节和阶梯阻抗开路枝节；

阶梯阻抗开路枝节包括串联的微带线s3和s4；吸收枝节包括串联的四分之一波长微带线s5和接地电阻R1；

与两个端口相连的微带线s1分别连接左右两侧微带线s2的上端，微带线s2的下端均与左右阶梯阻抗开路枝节中的微带线s3相连，另外，在微带线s2和s3之间并联吸收枝节的微带线s5。

所述的微带线s1，微带线s2，微带线s3，微带线s4，微带线s5的线宽和长度均不相同，具体由微带线的电长度和特征阻抗这两个电特性参数决定。

本实施例中耦合线c的偶模阻抗为Z

所述输入端口和输出端口均为SMA连接头。

所述的互补双工结构全频段吸收双频带通滤波器，可以宽带滤波性能，通过在两个端口添加互补双频带阻吸收支路，当信号从第一端口输入时，带内信号通过双频带通滤波结构传输至输出端口，带外信号通过互补双频带阻吸收支路吸收，经耗能元件接地电阻将电流转化为能量消散。此外，通过调节电阻的阻值调节直流和偶次谐波处端口反射能量的吸收水平，通过调节吸收枝节四分之一微带线的阻抗值调节中心频率和奇次谐波处端口反射能量的吸收水平。具体工作原理如下：

1)带内信号的传输具体为：

首先，定义该滤波器的两个工作频率分别为f

然后，利用双频带通滤波结构的输入阻抗Z

最后，当两个工作频率处，滤波器中的总输入阻抗Z

同时，互补双频带阻吸收支路的输入阻抗Z

2)带外信号的吸收过程如下：

吸收性能可以定义为反射系数|S

首先，该滤波器在直流和偶次谐波处f＝2nf

通过调节电阻R

然后，该滤波器在中心频率和奇次谐波处f＝(2n+1)f

在电阻R

此时，在中心频率处，二分之一波长为180°，由于传输线上相距二分之一波长两点的输入阻抗相等,阻抗Z

在本发明中，为了实现对双频带通滤波器两端口反射噪声的吸收，通过在双频带通滤波器的两个端口添加互补双频带阻吸收枝节，可以实现对带外反射噪声的吸收，电阻可以将反射能量转化为热量消散，从而实现全频吸收功能。

为了便于展示和适应当前通信频段需求，本发明展示了中心频率为1.8GHz的实施例。在这个实施例中，介质基板选择Rogers R4360B，介电常数为6.15，厚度为1.524mm，介质损耗为0.0035。介质基板下表面覆盖金属，作为地面。

如图4所示，为中心工作频率为1.8GHz的电路结构示意图,其中图4a为电路整体结构示意图，图4b为接地电阻R1和微带线s5的连接局部示意图。

在这个实施例中，两个端口的特征阻抗均为50欧姆，两个端口的宽度w

当输入端口被激励时，输入端口的反射系数和输出端口的传输系数(中心频率为1.8GHz)的仿真结果，如图5所示，双频带通滤波器的工作频率为0.8GHz和3.04GHz，在两个工作频率处，滤波器的插入损耗分别为0.7dB和1.35dB。同时该双频滤波器可以两端口反射信号的全频率吸收，在通带内回波损耗S

整个电路的尺寸大小为72mm×38mm，具有小型化和易于集成化特点，说明该具有全频率吸收功能的双频带通滤波器可以广泛应用于各种微波系统中，符合系统和器件小型化的趋势，并可以帮助减小对系统的干扰，应用前景非常广泛。