一種小型化微帶四工器的製作方法

2023-11-03 18:51:42

本發明涉及高頻器件的技術領域，尤其是指一種小型化微帶四工器。

背景技術：

由於近年來無線通信的高速發展，無論是4G技術的普及、物聯網的火熱還是5G的到來，都標誌著無線技術又將迎來一個蓬勃發展的高峰期。如今的無線通信系統，基本都是多工的系統，對於時分雙工，只要將收與發安排在不同的時間片就可以解決問題了，而對於頻分多工，為了減少天線的數量從而節省成本則需要設計專門的器件來使不同頻率的電磁波共用一副天線而不互相引起幹擾，這樣的器件就是多工器。而隨著通信技術的發展，無線通信對於多工器的性能要求也越來越高，小型化、寬阻帶、高隔離、低成本、易設計，都成為評價一個多工器性能的標準之一。

多工器，一般都是由一個匹配網絡再加上若干個帶通濾波器構成。帶通濾波器實現頻率選擇而匹配網絡則實現各個通道與埠的匹配以及通道之間的隔離。以一個四工器為例，如果該四工器每個通道都是三階的切比雪夫帶通響應，則一般需要一個匹配網絡加上12個諧振器，這樣將使多工器的尺寸較大並且增加了生產成本。而通過使三個帶通濾波器公用一個三模諧振器，將可以減少兩個諧振器，並且共用諧振器還能夠實現匹配網絡的功能，這樣四工器的尺寸將能夠大大的減小，應用面也將更廣。

對現有技術進行調查了解，具體如下：

2013年，Shi‐Shan Luo,Ko‐Wen Hsu,and Wen‐Hua Tu等人在"Asia‐Pacific Microwave Conference Proceeding"上發表題為"ComPact and High‐Isolation MicrostriP QuadruPlexer"的文章，文中採用多模諧振器和階梯阻抗諧振器，採用分布式耦合，形成一個四工器，該四工器結構緊湊但是該四工器中濾波器僅為二階，帶寬很窄並且隔離度和阻帶特性都未給出。

2013年，Wei‐Chung Hung,Ko‐Wen Hsu,and Wen‐Hua Tu等人在"2013IEEE MTT‐S International Microwave SymPosium Digest"上發表題為"Wide‐StoPband MicrostriP QuadruPlexer Using Asymmetric StePPed‐ImPedance Resonators"的文章，採用階梯阻抗諧振器和分布式的公共饋線，形成一個四工器，該結構具有寬阻帶的特性但是尺寸較大，有0.18λ2。

總的來說，目前由帶通濾波器組合而成的多工器設計已比較成熟，隨著現代可攜式無線電子產品的發展，小型化、成本低、高頻化成為了雙工器研究的標向，而微帶多工器正好能滿足這些要求。在小型化方面，各國的科研工作者都做過不少工作，其中一種方法就是採用共用諧振器。但是其中絕大部分研究都是基於雙工器而做的，多工器方面的少之又少，阻帶特性好結構簡單緊湊的更少。

技術實現要素：

本發明的目的在於克服現有技術的不足與缺點，提出了一種小型化微帶四工器，能夠實現良好的濾波特性和阻帶特性，並且結構緊湊，具有設計靈活、體積小、成本低、寬阻帶等優點。

為實現上述目的，本發明所提供的技術方案為：一種小型化微帶四工器，包括輸入埠、第一輸出埠、第二輸出埠、第三輸出埠、第四輸出埠、十字形諧振器、第一階梯阻抗諧振器、第二階梯阻抗諧振器、第三階梯阻抗諧振器、第四階梯阻抗諧振器、第五階梯阻抗諧振器，具有二分之一波長的第一、第二開口諧振環，具有四分之一波長的第一短路諧振器，具有二分之一波長的第一開路諧振器；所述十字形諧振器能夠在三個不同的頻率產生諧振，三個頻率對應三個通道，分別為第一通道、第二通道、第四通道，三個通道共用同一個輸入埠和十字形諧振器，三個通道的中心頻率能夠通過調整十字形諧振器的短路截線和開路截線的長度來調節，並且通過在輸入埠的饋線處使用分布式耦合獨立引入第三通道；所述第一通道由順序依次耦合的輸入埠、十字形諧振器、第一短路諧振器、第一開路諧振器、第一輸出埠構成，所述第二通道由順序依次耦合的輸入埠、十字形諧振器、第一階梯阻抗諧振器、第二階梯阻抗諧振器、第二輸出埠構成，所述第三通道由順序依次耦合的輸入埠、第三階梯阻抗諧振器、第四階梯阻抗諧振器、第五階梯阻抗諧振器、第三輸出埠構成，所述第四通道由順序依次耦合的輸入埠、十字諧振器、第一開口諧振環、第二開口諧振環、第四輸出埠構成。

所述十字諧振器、第一短路諧振器、第一開路諧振器，第一、二、三、四、五階梯阻抗諧振器均採用折彎結構來減小尺寸。

所述十字形諧振器、第一短路諧振器上均開設有接地通孔，為短路端。

所述第一短路諧振器、第一開路諧振器工作在2.4GHz處，所述第一、第二階梯阻抗諧振器基模為3.5GHz，所述第三、第四、第五階梯阻抗諧振器基模為在4.2GHz，第一、第二開口諧振環工作在5.2GHz處，每個通道均為三階切比雪夫響應。

所述第二輸出埠、第三輸出埠採用抽頭耦合結構。

所述輸入埠、第一輸出埠、第二輸出埠、第三輸出埠、第四輸出埠均為50歐姆的阻抗匹配。

本發明與現有技術相比，具有如下優點與有益效果：

1、通過引入共用諧振器，在實現良好的濾波性能的同時減少了諧振器的數量並且避免了匹配網絡的設計，有效的減小了尺寸和縮短了設計周期，使該結構更易於應用。

2、通過十字形諧振器和多種類型諧振器的混合使用，在保證它們基模諧振頻率相同的情況下，使它們的高次模錯開，從而能夠實現一個較好的阻帶特性，這在實際應用中將很好的實現對高頻噪聲的抑制。

3、本發明的小型化微帶四工器具有較低插入損耗，帶外選擇性良好，濾波特性好的特點。

4、由於本發明的小型化微帶四工器為微帶結構，重量輕、成本低、適合工業批量生產。

附圖說明

圖1為本發明的小型化微帶四工器的結構示意圖。

圖2為本發明的小型化微帶四工器的散射參數仿真結果。

圖3為本發明的小型化微帶四工器的隔離帶的參數仿真結果。

圖4為本發明的小型化微帶四工器的阻帶特性仿真結果。

具體實施方式

下面結合具體實施例對本發明做進一步的說明。

本實施例所提供的小型化微帶四工器主要基於十字形諧振器，使十字形諧振器分別在三個不同的頻率諧振，使其被三個通帶所共用，剩下的一個可以通帶獨立設計。每個通帶的其他諧振器可以自行選擇和設計。

參見圖1所示，本實施例的小型化微帶四工器以印刷電路板的方式製作在雙面覆銅微帶板上，微帶板的另外一面是覆銅接地板。本實施例的小型化微帶四工器包括輸入埠PORT1、第一輸出埠PORT2、第二輸出埠PORT3、第三輸出埠PORT4、第四輸出埠PORT5、十字形諧振器1，第一階梯阻抗諧振器2，第二階梯阻抗諧振器3，第三階梯阻抗諧振器7，第四階梯阻抗諧振器8，第五階梯阻抗諧振器9，具有二分之一波長的第一開口諧振環10、第二開口諧振環11，具有四分之一波長的第一短路諧振器4,具有二分之一波長的第一開路諧振器5；十字形諧振器1能夠在三個不同的頻率產生諧振，三個頻率對應三個通道，分別為第一通道、第二通道、第四通道，三個通道共用同一個輸入埠PORT1 和十字形諧振器1，三個通道的中心頻率可以通過調整十字形諧振器2的短路截線13和開路截線14的長度來調節，並且通過在輸入埠PORT1的饋線處採用分布式耦合引入第三通道；第一通道由順序依次耦合的輸入埠PORT1、十字形諧振器1、第一短路諧振器4、第一開路諧振器5、埠饋線6、第一輸出埠PORT2構成；第二通道由順序依次耦合的輸入埠PORT1、十字形諧振器1、第一階梯阻抗諧振器2、第二階梯阻抗諧振器3、第二輸出埠PORT3構成，第三通道由輸入埠PORT1、十字形諧振器1、第三階梯阻抗諧振器7、第四階梯阻抗諧振器8、第五階梯阻抗諧振器9、第三輸出埠PORT4構成，第四通道由輸入埠PORT1、十字形諧振器1、具有二分之一波長的第一開口諧振環10、第二開口諧振環11、輸出饋線12、第四輸出埠PORT5構成。其中，第一短路諧振器4、第一開路諧振器5工作在2.4GHz處；第一階梯阻抗諧振器2、第二階梯阻抗諧振器3工作在3.5GHz處；第三階梯阻抗諧振器7、第四階梯阻抗諧振器8、第五階梯阻抗諧振器9工作在4.2GHz處；具有二分之一波長的第一開口諧振環10、第二開口諧振環11工作在5.2GHz處；每個通道均為通帶波紋為0.4321的三階切比雪夫響應。設計中為了使結構更加緊湊，分別對十字諧振器1、第一階梯阻抗諧振器2、第二階梯阻抗諧振器3、第三階梯阻抗諧振器7、第四階梯阻抗諧振器8、第五階梯阻抗諧振器9、第一短路諧振器4、第一開路諧振器5進行了適當的彎折。第三通道為了提高通帶矩形度，採用了CT結構，通過採用交叉耦合引入了傳輸零點。五個埠PORT1、PORT2、PORT3、PORT4、PORT5均為50歐姆的阻抗匹配，為便於SMA頭的焊接，埠預留了足夠長度的饋線，圖中6、12、15為埠饋線，第二輸出埠PORT3、第三輸出埠PORT4、第四輸出埠PORT5採用抽頭耦合結構來獲得合適端耦合。via是接地通孔，需要用焊錫與覆銅接地板連接上，為短路端。經測量該四工器尺寸為0.4λ×0.22λ，總大小為0.088λ2，其中λ為第一個通道中心頻率出所對應的波長。

參見圖2所示，顯示了本實施例上述微帶四工器的散射參數仿真結果，其中心頻率分別為2.4Ghz，3.5GHz，4.2GHz，5.2GHZ。橫軸表示小型化微帶四工器的信號頻率，縱軸表示幅度，包括插入損耗(S21、S31、S41、S51)的幅度以及回波損耗S11的幅度，其中S11表示PORT1的回波損耗，S21、S31、S41、S51分別表示PORT2、PORT3和PORT4、PORT5的插入損耗。插入損耗表示一個信號的輸入功率與另一個埠信號的輸出功率之間的關係，其相應的數學函數為：輸出功率/輸入功率(dB)＝20*log|S21|。回波損耗表示該埠信號的輸入功率與信號的反射功率之間的關係,其相應的數學函數如下：反射功率/入射功率＝20*log|S11|。在本實施例中，回波損耗可以達到20dB以上，第一通道的中心頻率為2.4GHz，相對帶寬為5.4％，插入損耗為2.38dB，第二通道的中心頻率為3.5GHz，相對帶寬為12.6％，插入損耗為0.86dB，第三通道的中心頻率為4.2GHz，相對帶寬為5.5％，插入損耗為1.6dB,第四通道的中心頻率為5.2GHz，相對帶寬為4.4％，插入損耗為2dB。

參見圖3所示，顯示了本實施例上述小型化微帶四工器的隔離帶的部分參數仿真結果，在1～6GHz的範圍內，S32達的絕對值到了40dB以上，S43的絕對值達到60dB以上，S52的絕對值達到40dB以上，S53的絕對值達到40dB以上。

參見圖4所示，顯示了本實施例上述小型化微帶四工器的阻帶特性，從圖中可以看到其20dB阻帶可以達到基頻的3倍以上，並且通過進一步的優化諧振器結構仍然有進一步的提高空間。

以上所述實施例只為本發明之較佳實施例，並非以此限制本發明的實施範圍，故凡依本發明之形狀、原理所作的變化，均應涵蓋在本發明的保護範圍內。