基于新型耦合線隔離網(wǎng)絡(luò)的緊湊型寬帶濾波功分器設(shè)計

黃駿 王雪道 戚涵瑞

摘要：基于耦合雙線與三線結(jié)構(gòu)，文章提出一種緊湊型寬帶濾波功分器的設(shè)計方法。通過延長耦合三線結(jié)構(gòu)中兩輸出邊線為終端短路枝節(jié)，實現(xiàn)通帶兩側(cè)帶有傳輸零點的濾波響應(yīng)。同時，文章利用延長的短路枝節(jié)，構(gòu)造帶通耦合線結(jié)構(gòu)，用于新型隔離網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計，實現(xiàn)輸出端口間良好的寬帶隔離。為指導(dǎo)設(shè)計，文章根據(jù)奇偶模等效電路，對三端口濾波功分器的理論濾波響應(yīng)進行了預(yù)測，分析實現(xiàn)良好端口隔離的阻抗條件，從而確定濾波功分器的初始尺寸和隔離電阻初始值。作為驗證，利用多層平面印刷電路，設(shè)計、加工了一款中心頻率位于1.93 GHz、3 dB相對帶寬為60.5%的濾波功分器原型，并進行了測試。結(jié)果表明，該濾波功分器在0～2.26 GHz內(nèi)實現(xiàn)了15 dB的端口隔離，實際電路的尺寸僅有0.35λ_g×0.17λ_g。

關(guān)鍵詞：濾波功分器；寬帶；耦合三線；隔離網(wǎng)絡(luò)；多層印刷電路；小型化

中圖分類號：TN626文獻標志碼：A

0 引言

濾波器和功率分配器是微波通信系統(tǒng)中的2個不可缺少的重要器件，二者級聯(lián)使用常導(dǎo)致電路尺寸增加，易產(chǎn)生失配損耗。為改善上述問題，具有功能集成特性的濾波功分器備受青睞。

從結(jié)構(gòu)來看，濾波功分器的功能集成方法主要可分為3種：第一種是結(jié)構(gòu)可見的傳統(tǒng)功分器與濾波器直接級聯(lián)設(shè)計^[1-3]，該方法可避免器件級聯(lián)的失配損耗，但尺寸不夠緊湊；第二種是將傳統(tǒng)的T型功分或耦合線功分中的2條1/4波長傳輸線替換為2組具有濾波功能的多模諧振器^[4-10]，該方法有效地優(yōu)化了濾波功分器的尺寸與性能，但隔離網(wǎng)絡(luò)需要額外設(shè)計以進行性能改善；第三種是融合設(shè)計，也就是同時把濾波器和功分器的功能雜糅在一個不可獨立分割的結(jié)構(gòu)模塊中，以達到高性能小型化的目的^[11-14]。

從制作工藝來看，單層平面印刷電路（Printed Circuit Board，PCB）結(jié)構(gòu)通常使得電路占用面積較大，多層平面電路可將二維電路三維化，從而縮小電路占用面積，如張鋼等^[15]、方潔等^[16]、Wu等^[17]中提出的基于低溫陶瓷共燒技術(shù)（Low Temperature Co-fired Ceramic，LTCC）設(shè)計的濾波功分器，但LTCC工藝復(fù)雜、制作成本高。多層PCB電路因制作成本低、易于加工制作的優(yōu)勢，成為多層封裝電路的重要研究手段^[18]。

鑒于此，本文基于耦合三線結(jié)構(gòu)，進行了以下4個方面的研究：（1）提出寬帶濾波功分器中的濾波與隔離網(wǎng)絡(luò)融合設(shè)計方案；（2）利用雙層PCB電路，通過地板開槽的方式設(shè)計耦合三線結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了寬帶濾波功分器的三維電路模型設(shè)計；（3）基于相同原理電路，通過上下層耦合的方式增強耦合，采用多層介質(zhì)基板層疊，設(shè)計實現(xiàn)了一款帶寬更寬的濾波功分器結(jié)構(gòu)；（4）對2個設(shè)計案例進行了對比。作為驗證，對所設(shè)計的雙層PCB電路進行了實物加工制作，文中給出了仿真和測試曲線，對比結(jié)果顯示仿真與測試吻合度良好。下面對本文提出的濾波功分器原理與設(shè)計進行詳細說明。

1 濾波功分器設(shè)計原理

1.1 原理電路設(shè)計

傳統(tǒng)的Wilkinson功分器受限于1/4波長傳輸線帶寬，難以實現(xiàn)寬帶濾波響應(yīng)?；谌€耦合結(jié)構(gòu)，本文提出一種寬帶濾波功分器，如圖1所示。該結(jié)構(gòu)由模塊Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ組成。其中模塊Ⅰ是輸入端的1/4波長阻抗匹配線部分；模塊Ⅱ是關(guān)于中心線對稱的耦合三線結(jié)構(gòu)，可用邊線的模式阻抗Z_aij（ij=ee， oo， oe），中心線的模式阻抗Z_bij（ij =ee， oo）和電長度θ表示^[19]，中心線一端為輸入，另一端接地；模塊Ⅲ是濾波和隔離網(wǎng)絡(luò)，由1對連接耦合三線邊線終端的短路線與2端加載接地電阻的半波長傳輸線耦合構(gòu)成。

直觀地，當信號由端口1輸入時，經(jīng)阻抗匹配線傳輸?shù)今詈先€中心線后，由輸出端耦合線耦合輸出，由于隔離與濾波網(wǎng)絡(luò)中的短路枝節(jié)諧振，相應(yīng)諧振頻率產(chǎn)生傳輸零點。當信號由端口2輸入時，鑒于端口2與端口3的對稱特性，可將該輸信號分為奇模與偶模信號同時輸入端口2、3進行分析。對于偶模輸入信號，濾波功分器對稱面PP′等效為磁壁，此時連接隔離電阻的傳輸線中心等效開路，對應(yīng)耦合線結(jié)構(gòu)呈帶阻狀態(tài)，隔離電阻兩端電壓最小，不影響信號傳輸；對于奇模輸入信號，濾波功分器對稱面PP′等效為電壁，此時連接隔離電阻的傳輸線中心等效短路，對應(yīng)耦合線結(jié)構(gòu)成帶通狀態(tài)，隔離電阻兩端電壓最大，使得奇模信號被電阻耗散。

由奇偶模分析方法可得濾波功分器的參數(shù)S與等效電路參數(shù)S的關(guān)系，如式（1）所示^[20]：

可以看出，同相濾波功分器中與輸入端口1相關(guān)的散射參數(shù)僅與偶模等效電路有關(guān)，端口2或端口3作為輸入的散射參數(shù)與奇模和偶模等效電路均有關(guān)。換言之，濾波功分器的濾波響應(yīng)取決于偶模等效電路參數(shù)，當偶模等效電路確定后，只需改變奇模等效電路中的剩余參數(shù)變量，也就是隔離電阻的阻值，便可調(diào)節(jié)輸出端口阻抗匹配與隔離。下面分別對濾波與隔離特性進行分析。

1.2 濾波響應(yīng)分析

基于上述分析，濾波功分器的濾波響應(yīng)由偶模等效電路確定，圖2給出了偶模等效電路的剖分，為簡化分析，設(shè)偶模等效電路中模塊Ⅱ?qū)?yīng)的耦合線參數(shù)為Z_e2、Z_o2、θ，模塊Ⅲ的耦合線參數(shù)為Z_e3、Z_o3、θ，則可得當該二端口等效電路在端口2接匹配負載Z₀時，端口1處的輸入阻抗Z_in1為：

其中，Z_ina為由點a看入的輸入阻抗，若由點b看入的輸入阻抗為Z_inb，則Z_ina可表示為：

此處，Z_inb為濾波與隔離網(wǎng)絡(luò)的輸入阻抗，可由四端口耦合線的矩陣Z設(shè)置相應(yīng)邊界條件推導(dǎo)得到：

顯然，此時隔離電阻R_iso并不會影響由點b看入的輸入阻抗。然后，根據(jù)輸入阻抗Z_in1，可得到圖2所示偶模電路的端口1散射參數(shù)S_11e為：

假設(shè)電路是無損的，則有：

根據(jù)上述理論公式，若給定傳輸線、耦合線的阻抗參數(shù)和中心頻率，則可得到濾波功分器的理論濾波響應(yīng)，如圖3所示。此時，Z_e2=127 Ω，Z_o2=32 Ω，Z_e3=75 Ω，Z_o3=44 Ω，Z_f=65 Ω?？梢钥吹?，濾波響應(yīng)在通帶內(nèi)存在2個傳輸極點，這是由濾波電路中的耦合線諧振器產(chǎn)生的，增大耦合強度可使傳輸極點距離增大，從而增大濾波響應(yīng)帶寬；另外，輸出耦合線加載的短路枝節(jié)使得濾波響應(yīng)產(chǎn)生2個傳輸零點，改變枝節(jié)阻抗和耦合線阻抗，均可改變傳輸零點位置。

1.3 隔離特性分析

根據(jù)奇偶模分析方法，當偶模等效電路由濾波特性確定后，可通過奇模等效電路確定隔離電阻阻值，圖4為濾波功分器的奇模剖分等效電路。根據(jù)阻抗匹配特性，當端口2與Z₀匹配時，隔離電阻處輸入阻抗Z_{in_iso}應(yīng)與R_iso匹配，根據(jù)圖4，則隔離電阻初始值為R_iso=Re[Z_{in_iso}]。

其中Z_in2為：

2 電路實現(xiàn)與結(jié)果分析

為了驗證上述理論電路，本文給出利用雙層背靠背微帶電路和地板開槽實現(xiàn)耦合三線結(jié)構(gòu)的寬帶濾波功分器設(shè)計實例，如圖5所示。該設(shè)計采用的介質(zhì)基板型號為羅杰斯RO4003C，相對介電常數(shù)ε_r=3.55，損耗角正切值tanδ=0.0027，單層厚度h=0.508 mm。根據(jù)上述分析，本文設(shè)計仿真了一款中心頻率位于1.93 GHz、3 dB相對帶寬為60.5%的濾波功分器。通過全波仿真優(yōu)化后得到最終尺寸為：W₅₀=1.13 mm， L₅₀=7 mm， L_f=24 mm， W_f=0.4 mm， L₁=26 mm， S₁=1.5 mm， W₁=1.3 mm， L_f2 =0.2 mm， W_f2=1.3 mm， L₂₁=1.5 mm， W_r2=0.3 mm， L₂₂=15.5 mm， L₂=20 mm， L₂₃=2.5 mm， L₂₄=3.1 mm， S₂=0.1 mm， W_r1=0.4 mm， W_slot=6 mm， W_W2=4 mm， L₃=26.8 mm， 隔離電阻的阻值為R_iso=200 Ω。

圖6為該寬帶濾波功分器的加工實物，測試結(jié)果如圖7所示。從測試結(jié)果可以看出，測試結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合。由圖可知，最終本文所設(shè)計出的濾波功分器在性能上可以達到61.3%的3 dB相對帶寬，帶內(nèi)回波損耗高于17.9 dB，端口隔離帶寬在0～2.26 GHz內(nèi)約為15 dB，帶內(nèi)幅度差小于0.3 dB，相位差小于4°。

3 延伸設(shè)計與討論

為了實現(xiàn)帶寬更寬的濾波特性與隔離響應(yīng)，本文基于圖1所示電路原理，采用帶狀線寬邊耦合的方式，對濾波功分器的結(jié)構(gòu)布局進行了改進，如圖8所示?？梢钥吹剑撾娐钒?層介質(zhì)基板、4層電路布局和3層接地板。其中，輸入與輸出端口饋線的耦合、濾波與隔離網(wǎng)絡(luò)中的耦合均由上下層寬邊耦合的帶狀線構(gòu)成，輸出饋線與隔離網(wǎng)絡(luò)之間通過多層過孔連接，過接地板處采用地板開槽形式避免過孔接地，2組寬邊耦合結(jié)構(gòu)層疊放置，構(gòu)成6層介質(zhì)結(jié)構(gòu)。各層電路的結(jié)構(gòu)布局如圖9所示。在本設(shè)計中，采用的介質(zhì)基板型號為FR-4，相對介電常數(shù)ε_r=4.4，損耗角正切值tanδ=0.02。在該結(jié)構(gòu)布局中，耦合三線的耦合強度因耦合距離減小而增大，濾波響應(yīng)帶寬增大，同時隔離網(wǎng)絡(luò)耦合強度增大，使得通帶內(nèi)的端口隔離度帶寬變大。

根據(jù)設(shè)計原理對該三維建模的濾波功分器進行仿真和優(yōu)化，最終的設(shè)計尺寸為：W₅₀=1.13 mm，L₅₀ =5 mm， W_f =0.7 mm， L_f =13 mm， W₁ =0.3 mm， W₂ =1.6 mm， L₁ =13 mm， S₁ =0.6 mm， W_f2 =W₁ =0.3 mm， L_f2 =0.5 mm， W_Tie =0.5 mm， L₂ =16.2 mm， L₂₁ =4.5 mm， L₂₂ =11.7 mm， W_r2 =0.2 mm， W_r =0.8 mm， L_r =1.5 mm， W_r1 =0.1 mm， L_{21 D} =0.7 mm，隔離電阻的阻值R_iso=110 Ω。介質(zhì)厚度為：h₁=0.508 mm，h₂=0.127 mm，h₃=0.508 mm，電路尺寸為：0.317λ_g×0.166λ_g。仿真結(jié)果如圖10所示?？梢钥闯?，該濾波功分器的中心頻率位于2.36 GHz，3 dB相對帶寬為81.3%，端口隔離在0.93～3.54 GHz內(nèi)達到18.8 dB，與雙層介質(zhì)電路相比，濾波響應(yīng)帶寬提升34.4%。

4 結(jié)語

本文提出了一種基于耦合線結(jié)構(gòu)的緊湊型寬帶濾波功分器，設(shè)計了一種寬帶的新型濾波隔離網(wǎng)絡(luò)，通過奇偶模分析方法估計了濾波響應(yīng)曲線，確定了隔離電阻初始值，然后利用雙層介質(zhì)電路對原理電路進行了建模、仿真、加工與測試，測試結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合。為了進一步提升帶寬特性，文章采用多層介質(zhì)對濾波功分器進行建模與仿真。結(jié)果表明，本文提出的濾波功分器不僅具有寬帶、低插損、高選擇性的濾波效果，還具有高水平的寬帶端口隔離和緊湊的尺寸，適用于現(xiàn)代高集成度、小型化的通信系統(tǒng)。

參考文獻

[1]WEN P， MA Z， LIU H， et al. Dual-band filtering power divider using dual-resonance resonators with ultrawide stopband and good isolation[J]. IEEE Microwave and Wireless Components Letters， 2019（2）： 101-103.

[2]LIU Y， ZHU L，SUN S. Proposal and design of a power divider with wideband power division and port-to-port isolation： a new topology[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques， 2020（4）： 1431-1438.

[3]HAN C， TANG D， DENG Z，et al. Filtering power divider with ultrawide stopband and wideband low radiation loss using substrate integrated defected ground structure[J]. IEEE Microwave and Wireless Components Letters， 2021（2）： 113-116.

[4]TANG S C， CHU P C， LIN C H， et al. 2019 European microwave conference in central Europe （EuMCE）：compact power divider and balun with quadruplet filtering responses，May 13-15，2019[C]. Prague： Czech Republic， 2019.

[5]WANG X， MA Z， XIE T，et al， Synthesis theory of ultra-wideband bandpass transformer and its Wilkinson power divider application with perfect in-band Reflection/Isolation[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques， 2019（8）： 3377-3390.

[6]BAO C， WANG X， MA Z，et al. An optimization algorithm in ultrawideband bandpass Wilkinson power divider for controllable equal-ripple level[J]. IEEE Microwave and Wireless Components Letters， 2020（9）： 861-864.

[7]SHEN G， CHE W， FENG W， et al. High-isolation topology for filtering power dividers based on complex isolation impedance and surface wave suppression[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques， 2021（1）： 43-53.

[8]ZHANG N， WANG X，ZHU L. A wideband bandpass power divider with out-of-band multi-transmission zeros and controllable equal-Ripple levels[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques， 2022（2）： 1178-1187.

[9]TIAN H， XIAO L， YU H， et al. Wideband microstrip filtering power divider designed by direct synthesis technique（DST）[J]. IEEE Microwave and Wireless Components Letters， 2022（6）： 507-510.

[10]朱院剛，徐樂，魏峰，等.基于枝節(jié)加載諧振器的雙頻濾波功分器設(shè)計[J].微波學(xué)報，2023（增刊1）：212-215.

[11]張鋼，張卓威，章秀銀，等.面向一類多頻濾波功分器的通用綜合設(shè)計方法[J].微波學(xué)報，2021（5）：1-8.

[12]陳守磊，齊世山，陳幸，等.基于三角窗耦合的SIW徑向濾波功分器[J].微波學(xué)報，2021（增刊1）：89-92.

[13]ZHANG R， ZHOU J，YU Z. A low phase noise feedback oscillator based on SIW bandpass response power divider[J]. IEEE Microwave and Wireless Components Letters， 2018（2）： 153-155.

[14]ZHENG J，ZHANG G， ZHOU X， et al. Dual-band filtering power divider based on CSRRs loaded SIW cavity[J]. IEEE Transactions on Circuits and Systems Ⅱ： Express Briefs， 2022（2）： 394-398.

[15]張鋼，鄭健，周鑫，等.2021年全國微波毫米波會議論文集（上冊）：LTCC三維封裝SIW濾波功分器設(shè)計[C].南京：中國電子學(xué)會，2021.

[16]方潔，戴永勝.一種基于LTCC的寬帶一分三濾波功分器[J].電子元件與材料，2019（9）：94-98.

[17]WU D S， LI Y C，XUE Q. Filtering power divider with harmonic suppression based on LTCC broadside coupling[J]. Electronics Letters， 2018（11）： 697-699.

[18]李曉明，姜海玲.基于多層PCB的三路威爾金森功分器設(shè)計[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2014（3）：148-151.

[19]王雪道.基于平面?zhèn)鬏斁€諧振器的新型濾波功分電路研究[D].南京：南京理工大學(xué)，2020.

[20]高山山.高性能小型化平面微波無源器件的研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2013.

（編輯 王永超編輯）

Design of compact broadband filtering power divider based on new coupled-line isolation network

Huang? Jun， Wang? Xuedao^*， Qi? Hanrui

（Jinling Institute of Technology， Nanjing 211169， China）

Abstract： Based on coupled dual-line and three-line structures， a design method for broadband filtering power divider （FPD） is proposed. By extending two output side lines in the coupled three-line structure as the short-circuited ones， filtering response with two transmission zeros at both sides of the passband is achieved. Meanwhile， by exploiting the extended short-circuited stubs， bandpass coupled structures can be constructed to design new isolation network， leading to good wideband isolation between output ports. For design guidance， theoretical filtering response of the three-port FPD is predicted and the impedance condition for good port-to-port isolation is analyzed according to the even-/odd-mode equivalent circuits. Then， the initial size of proposed FPD as well as the initial value of isolation resistor can be determined. For verification， an FPD prototype centered at 1.93 GHz with a 3 dB fractional bandwidth of 60.5% is designed and fabricated by utilizing the multilayer planar printed circuit and the measurement is also conducted. Results show that proposed FPD exhibits 15 dB port-to-port isolation from DC to 2.26 GHz， and the dimension of realized circuit is only 0.35λ_g×0.17λ_g.

Key words： filtering power divider; broadband; coupled three-line; isolation network; multilayer printed circuit; miniaturization