基于新型耦合线隔离网络的紧凑型宽带滤波功分器设计

黄骏 王雪道 戚涵瑞

摘要：基于耦合双线与三线结构，文章提出一种紧凑型宽带滤波功分器的设计方法。通过延长耦合三线结构中两输出边线为终端短路枝节，实现通带两侧带有传输零点的滤波响应。同时，文章利用延长的短路枝节，构造带通耦合线结构，用于新型隔离网络的设计，实现输出端口间良好的宽带隔离。为指导设计，文章根据奇偶模等效电路，对三端口滤波功分器的理论滤波响应进行了预测，分析实现良好端口隔离的阻抗条件，从而确定滤波功分器的初始尺寸和隔离电阻初始值。作为验证，利用多层平面印刷电路，设计、加工了一款中心频率位于1.93 GHz、3 dB相对带宽为60.5%的滤波功分器原型，并进行了测试。结果表明，该滤波功分器在0～2.26 GHz内实现了15 dB的端口隔离，实际电路的尺寸仅有0.35λ_g×0.17λ_g。

关键词：滤波功分器；宽带；耦合三线；隔离网络；多层印刷电路；小型化

中图分类号：TN626文献标志码：A

0 引言

滤波器和功率分配器是微波通信系统中的2个不可缺少的重要器件，二者级联使用常导致电路尺寸增加，易产生失配损耗。为改善上述问题，具有功能集成特性的滤波功分器备受青睐。

从结构来看，滤波功分器的功能集成方法主要可分为3种：第一种是结构可见的传统功分器与滤波器直接级联设计^[1-3]，该方法可避免器件级联的失配损耗，但尺寸不够紧凑；第二种是将传统的T型功分或耦合线功分中的2条1/4波长传输线替换为2组具有滤波功能的多模谐振器^[4-10]，该方法有效地优化了滤波功分器的尺寸与性能，但隔离网络需要额外设计以进行性能改善；第三种是融合设计，也就是同时把滤波器和功分器的功能杂糅在一个不可独立分割的结构模块中，以达到高性能小型化的目的^[11-14]。

从制作工艺来看，单层平面印刷电路（Printed Circuit Board，PCB）结构通常使得电路占用面积较大，多层平面电路可将二维电路三维化，从而缩小电路占用面积，如张钢等^[15]、方洁等^[16]、Wu等^[17]中提出的基于低温陶瓷共烧技术（Low Temperature Co-fired Ceramic，LTCC）设计的滤波功分器，但LTCC工艺复杂、制作成本高。多层PCB电路因制作成本低、易于加工制作的优势，成为多层封装电路的重要研究手段^[18]。

鉴于此，本文基于耦合三线结构，进行了以下4个方面的研究：（1）提出宽带滤波功分器中的滤波与隔离网络融合设计方案；（2）利用双层PCB电路，通过地板开槽的方式设计耦合三线结构，实现了宽带滤波功分器的三维电路模型设计；（3）基于相同原理电路，通过上下层耦合的方式增强耦合，采用多层介质基板层叠，设计实现了一款带宽更宽的滤波功分器结构；（4）对2个设计案例进行了对比。作为验证，对所设计的双层PCB电路进行了实物加工制作，文中给出了仿真和测试曲线，对比结果显示仿真与测试吻合度良好。下面对本文提出的滤波功分器原理与设计进行详细说明。

1 滤波功分器设计原理

1.1 原理电路设计

传统的Wilkinson功分器受限于1/4波长传输线带宽，难以实现宽带滤波响应。基于三线耦合结构，本文提出一种宽带滤波功分器，如图1所示。该结构由模块Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ组成。其中模块Ⅰ是输入端的1/4波长阻抗匹配线部分；模块Ⅱ是关于中心线对称的耦合三线结构，可用边线的模式阻抗Z_aij（ij=ee， oo， oe），中心线的模式阻抗Z_bij（ij =ee， oo）和电长度θ表示^[19]，中心线一端为输入，另一端接地；模块Ⅲ是滤波和隔离网络，由1对连接耦合三线边线终端的短路线与2端加载接地电阻的半波长传输线耦合构成。

直观地，当信号由端口1输入时，经阻抗匹配线传输到耦合三线中心线后，由输出端耦合线耦合输出，由于隔离与滤波网络中的短路枝节谐振，相应谐振频率产生传输零点。当信号由端口2输入时，鉴于端口2与端口3的对称特性，可将该输信号分为奇模与偶模信号同时输入端口2、3进行分析。对于偶模输入信号，滤波功分器对称面PP′等效为磁壁，此时连接隔离电阻的传输线中心等效开路，对应耦合线结构呈带阻状态，隔离电阻两端电压最小，不影响信号传输；对于奇模输入信号，滤波功分器对称面PP′等效为电壁，此时连接隔离电阻的传输线中心等效短路，对应耦合线结构成带通状态，隔离电阻两端电压最大，使得奇模信号被电阻耗散。

由奇偶模分析方法可得滤波功分器的参数S与等效电路参数S的关系，如式（1）所示^[20]：

可以看出，同相滤波功分器中与输入端口1相关的散射参数仅与偶模等效电路有关，端口2或端口3作为输入的散射参数与奇模和偶模等效电路均有关。换言之，滤波功分器的滤波响应取决于偶模等效电路参数，当偶模等效电路确定后，只需改变奇模等效电路中的剩余参数变量，也就是隔离电阻的阻值，便可调节输出端口阻抗匹配与隔离。下面分别对滤波与隔离特性进行分析。

1.2 滤波响应分析

基于上述分析，滤波功分器的滤波响应由偶模等效电路确定，图2给出了偶模等效电路的剖分，为简化分析，设偶模等效电路中模块Ⅱ对应的耦合线参数为Z_e2、Z_o2、θ，模块Ⅲ的耦合线参数为Z_e3、Z_o3、θ，则可得当该二端口等效电路在端口2接匹配负载Z₀时，端口1处的输入阻抗Z_in1为：

其中，Z_ina为由点a看入的输入阻抗，若由点b看入的输入阻抗为Z_inb，则Z_ina可表示为：

此处，Z_inb为滤波与隔离网络的输入阻抗，可由四端口耦合线的矩阵Z设置相应边界条件推导得到：

显然，此时隔离电阻R_iso并不会影响由点b看入的输入阻抗。然后，根据输入阻抗Z_in1，可得到图2所示偶模电路的端口1散射参数S_11e为：

假设电路是无损的，则有：

根据上述理论公式，若给定传输线、耦合线的阻抗参数和中心频率，则可得到滤波功分器的理论滤波响应，如图3所示。此时，Z_e2=127 Ω，Z_o2=32 Ω，Z_e3=75 Ω，Z_o3=44 Ω，Z_f=65 Ω。可以看到，滤波响应在通带内存在2个传输极点，这是由滤波电路中的耦合线谐振器产生的，增大耦合强度可使传输极点距离增大，从而增大滤波响应带宽；另外，输出耦合线加载的短路枝节使得滤波响应产生2个传输零点，改变枝节阻抗和耦合线阻抗，均可改变传输零点位置。

1.3 隔离特性分析

根据奇偶模分析方法，当偶模等效电路由滤波特性确定后，可通过奇模等效电路确定隔离电阻阻值，图4为滤波功分器的奇模剖分等效电路。根据阻抗匹配特性，当端口2与Z₀匹配时，隔离电阻处输入阻抗Z_{in_iso}应与R_iso匹配，根据图4，则隔离电阻初始值为R_iso=Re[Z_{in_iso}]。

其中Z_in2为：

2 电路实现与结果分析

为了验证上述理论电路，本文给出利用双层背靠背微带电路和地板开槽实现耦合三线结构的宽带滤波功分器设计实例，如图5所示。该设计采用的介质基板型号为罗杰斯RO4003C，相对介电常数ε_r=3.55，损耗角正切值tanδ=0.0027，单层厚度h=0.508 mm。根据上述分析，本文设计仿真了一款中心频率位于1.93 GHz、3 dB相对带宽为60.5%的滤波功分器。通过全波仿真优化后得到最终尺寸为：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， 隔离电阻的阻值为R_iso=200 Ω。

图6为该宽带滤波功分器的加工实物，测试结果如图7所示。从测试结果可以看出，测试结果与仿真结果基本吻合。由图可知，最终本文所设计出的滤波功分器在性能上可以达到61.3%的3 dB相对带宽，带内回波损耗高于17.9 dB，端口隔离带宽在0～2.26 GHz内约为15 dB，带内幅度差小于0.3 dB，相位差小于4°。

3 延伸设计与讨论

为了实现带宽更宽的滤波特性与隔离响应，本文基于图1所示电路原理，采用带状线宽边耦合的方式，对滤波功分器的结构布局进行了改进，如图8所示。可以看到，该电路包含了6层介质基板、4层电路布局和3层接地板。其中，输入与输出端口馈线的耦合、滤波与隔离网络中的耦合均由上下层宽边耦合的带状线构成，输出馈线与隔离网络之间通过多层过孔连接，过接地板处采用地板开槽形式避免过孔接地，2组宽边耦合结构层叠放置，构成6层介质结构。各层电路的结构布局如图9所示。在本设计中，采用的介质基板型号为FR-4，相对介电常数ε_r=4.4，损耗角正切值tanδ=0.02。在该结构布局中，耦合三线的耦合强度因耦合距离减小而增大，滤波响应带宽增大，同时隔离网络耦合强度增大，使得通带内的端口隔离度带宽变大。

根据设计原理对该三维建模的滤波功分器进行仿真和优化，最终的设计尺寸为：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，隔离电阻的阻值R_iso=110 Ω。介质厚度为：h₁=0.508 mm，h₂=0.127 mm，h₃=0.508 mm，电路尺寸为：0.317λ_g×0.166λ_g。仿真结果如图10所示。可以看出，该滤波功分器的中心频率位于2.36 GHz，3 dB相对带宽为81.3%，端口隔离在0.93～3.54 GHz内达到18.8 dB，与双层介质电路相比，滤波响应带宽提升34.4%。

4 结语

本文提出了一种基于耦合线结构的紧凑型宽带滤波功分器，设计了一种宽带的新型滤波隔离网络，通过奇偶模分析方法估计了滤波响应曲线，确定了隔离电阻初始值，然后利用双层介质电路对原理电路进行了建模、仿真、加工与测试，测试结果与仿真结果基本吻合。为了进一步提升带宽特性，文章采用多层介质对滤波功分器进行建模与仿真。结果表明，本文提出的滤波功分器不仅具有宽带、低插损、高选择性的滤波效果，还具有高水平的宽带端口隔离和紧凑的尺寸，适用于现代高集成度、小型化的通信系统。

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（编辑 王永超编辑）

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