本发明公开了一种超宽带滤波响应功率分配器，主要解决现有技术的功率分配器带宽过窄问题。其包括微带介质基板(1)，输入端口(2)，两个输出端口(7，8)，上下两个宽带滤波器(3，4)，上宽带滤波器(3)由高通滤波单元(31)、阶梯阻抗传输线(32)和低通滤波单元(33)级联而成。高通滤波单元由主传输线和一对短路枝节组成，低通滤波单元由三段低阻抗传输线和四对高阻抗枝节交替级联而成，高、低通滤波单元之间通过阶梯阻抗传输线匹配连接；下宽带滤波器(4)与上宽带滤波器(3)结构相同，对称设置，两者之间设有隔离电阻(6)。本发明能实现3GHz到16GHz的带通滤波响应，可用于无线通信系统射频前端。
1.一种超宽带滤波响应功率分配器，包括微带介质基板(1)、输入端口(2)、两个输出端口(7，8)、上下两个宽带滤波器(3，4)；该两个宽带滤波器和输入输出端口刻蚀在介质基板(1)的上面，介质基板(1)的下面为金属接地板(5)；上宽带滤波器(3)的两端分别与输入端口(2)和第一输出端口(7)连接，下宽带滤波器(4)的两端分别与输入端口(2)和第二输出端口(8)连接，其特征在于，所述上宽带滤波器(3)，由高通滤波单元(31)，阶梯阻抗传输线(32)，低通滤波单元(33)级联而成；
该高通滤波单元(31)，由主传输线(311)和一对短路枝节(312)组成，用于实现3GHz高通滤波响应；
该低通滤波单元(33)，选用串葫芦型高低阻抗谐振器结构，由三段低阻抗传输线(331)和四对高阻抗枝节(332)交替级联而成，用于实现16GHz低通滤波响应；
高通滤波单元(33)与低通滤波单元(31)通过阶梯阻抗传输线(32)匹配连接，即主传输线(311)与四对高阻抗枝节(332)分别连接到阶梯阻抗传输线(32)的两端，实现超宽带滤波功能；
所述下宽带滤波器(4)，与上宽带滤波器(3)结构相同，且对称放置。
2.根据权利要求1所述的超宽带滤波响应功率分配器，其特征在于，上宽带滤波器(3)与下宽带滤波器(4)分别位于第一输出端口(7)与第二输出端口(8)，上宽带滤波器(3)中的主传输线与下宽带滤波器(4)对称的主传输线中间加载有七个相同的隔离电阻(6)用于对第一输出端口(7)与第二输出端口(8)进行隔离，实现超宽带功率分配。
3.根据权利要求1所述的超宽带滤波响应功率分配器，其特征在于，高通滤波单元上主传输线(311)的特征阻抗小于50欧姆，长度L1满足λgL/4＜L1＜λgL，其中，λgL表示中间变量，fcL为高通滤波器的截止频率，c为真空中的光速，εe为微带板的有效介电常数。
4.根据权利要求1所述的超宽带滤波响应功率分配器，其特征在于一对短路枝节(312)的长度L4＝λgL/4组成，两枝节之间的间距满足L8＝λgL/2，其中，λgL表示中间变量，fcL为高通滤波器的截止频率，c为真空中的光速，εe为微带板的有效介电常数。
5.根据权利要求1所述的超宽带滤波响应功率分配器，其特征在于，低阻抗线(331)特性阻抗小于50欧姆，长度L7＜λgH/4，其中λgH表示中间变量， fcH为低通滤波器的截止频率，c为真空中的光速，εe为微带板的有效介电常数。
6.根据权利要求1所述的超宽带滤波响应功率分配器，其特征在于，高阻抗线(332)特性阻抗大于50欧姆，长度L5＜λgH/4，其中λgH表示中间变量， fcH为低通滤波器的截止频率，c为真空中的光速，εe为微带板的有效介电常数。
7.根据权利要求1所述的超宽带滤波响应功率分配器，其特征在于微带介质基板(1)采用介电常数为2.45，板厚为1mm的双面覆铜板，其上面为金属刻蚀面作为微带线面，下面的金属面作为接地板(5)。
超宽带滤波响应功率分配器
技术领域
[0001] 本发明属于微波器件技术领域，特别涉及超宽带滤波响应功率分配器，可用于无线通信系统射频前端。
背景技术
[0002] 随着通信技术的迅速发展，人们对信息传输系统的要求越来越高，希望获得更多的频谱资源，来提高数据的传输速率、提高系统的安全性以及减小生产成本等。在此背景之下，超宽带UWB技术以其系统结构简单、成本低、功耗小、安全性高、不易产生干扰、数据传输速率高等特点成为目前无线通信领域的一个研究热点。在无线通信系统中，功分器与滤波器是两款重要的微波器件，经常一起被应用于通信系统的射频前端的电路中，由于这两款无源器件在射频前端占据比较大的空间，在很大程度上限制了无线通信系统的小型化设计。传统的方法是将功分器和滤波器进行单独的小型化设计，这样能使整个系统在一定程度上得到缩小，但是整体缩小的空间比较有限，此外，在对功分器和滤波器的小型化设计中，有一部分是以牺牲插入损耗作为代价的。近年来，逐渐有一部分研究人员提出了一种将滤波器与功分器集成化设计的方案，在一个电路结构中，同时实现功分器与滤波器的功能，这样不仅能减小电路的体积，还能使系统的损耗得到改善。
[0003] 超宽带UWB技术最早以军事雷达为主要用途，后于2002年2月14日解禁，美国联邦通信委员会FCC规定：“在发送功率低于美国放射噪音规定值－41.3dBm/MHz，即功率则为1mW/MHz的条件下，可将3.1G～10.6GHz的频带用于对地下和隔墙之物进行扫描的成像系统、汽车防撞雷达以及在家电终端和便携式终端间进行测距和无线数据通信”。
[0004] 2008年3月Zhewang Ma和Wenqing He等人在IEEE MTT-S International会议(June.15-20,pp.435-438,2008)上发表了“A Novel Compact Ultra-Wideband Bandpass Filter Using Microstrip Stub-Loaded Dual-Mode Resonator Doublets”,提出了一种超宽带滤波器，该滤波器能实现3.3-10.4GHz的超宽带，超宽带工作带宽仅覆盖3.3-10.4GHz，且不能进行功分。
[0005] 2010年1月Kaijun Song,等人在IEEE MICROWAVE AND WIRELESS COMPONENTS LETTERS期刊(vol.20,no.1,pp.28-30,2011)上发表了“Novel Ultra-Wideband(UWB)Multilayer Slotline Power Divider With Bandpass Response”,提出一种超宽带具有滤波特性的功分器，该方法虽能进行功分，但是频段覆盖只能达到3.1GHz到11.5GHz，这只是刚刚覆盖超宽带所定义频段范围，无法进一步延伸，以达到更宽的频带范围，以至于无法使用在卫星通信的Ku波段，同时此滤波响应通带边缘下降速率较慢，裙边陡峭程度较低。
发明内容
[0006] 本发明目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种能进一步延伸带宽的超宽带滤波响应功率分配器，以将通带带宽延伸到能覆盖五个倍频程，即实现3GHz到16GHz的频段，满足14/12GHz卫星通信业务的频段要求。
[0007] 为实现上述目的，本发明的超宽带滤波响应功率分配器，包括微带介质基板、输入端口、两个输出端口、上下对称的两个宽带滤波器；该两个宽带滤波器和输入输出端口刻蚀在介质基板的上面，介质基板的下面为金属接地板；上宽带滤波器的两端分别与输入端口和第一输出端口连接，下宽带滤波器的两端分别与输入端口和第二输出端口连接，其特征在于，每个宽带滤波器，由高通滤波单元，阶梯阻抗传输线，低通滤波单元级联而成；
[0008] 所述高通滤波单元，由主传输线和一对短路枝节组成，用于实现3GHz高通滤波响应；
[0009] 所述低通滤波单元，选用串葫芦型高低阻抗谐振器结构，由三段低阻抗传输线和四对高阻抗枝节交替级联而成，用于实现16GHz低通滤波响应；
[0010] 高通滤波单元与低通滤波单元通过阶梯阻抗传输线匹配连接，即主传输线与四对高阻抗枝节分别连接到阶梯阻抗传输线的两端，实现超宽带滤波功能。
[0011] 本发明具有以下优点：
[0012] 1.本发明由于在功率分配器的两条支路采用了多级传输线级联的结构，实现功分器的超宽带特性；
[0013] 2.本发明通过在功率分配器的主传输线上加载一对短路枝节组成了高通滤波单元，实现功分器频率低端的滤波特性，将通带低端截止频率降低到3GHz；
[0014] 3.本发明通过在功率分配器的输出端口前级联了串葫芦型高低阻抗谐振器结构的低通滤波单元，实现了功分器频率高端的滤波特性，将通带高端截止频率提升到16GHz。
附图说明
[0015] 图1为本发明的三维结构图；
[0016] 图2为本发明中上、下对称的两个宽带滤波器结构图；
[0017] 图3为本发明中低通滤波单元放大结构图；
[0018] 图4为本发明实施例的输入端口到输出端口传输系数曲线图；
[0019] 图5为本发明实施例的输入端口的回波损耗和输出端口隔离曲线图。
具体实施方式
[0020] 下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：
[0021] 参照图1、图2和图3，本发明主要由微带介质基板1，输入端口2，两个输出端口7、8，上下两个宽带滤波器3、4，上下两个高通滤波单元31、41，上下两根阶梯阻抗传输线32、42，上下两个低通滤波单元33、43，金属接地板5，隔离电阻6组成，其中：
[0022] 所述微带介质基板1，采用介电常数为2.45，板厚为1mm的双面覆铜介质基板，双面覆铜板下面为金属接地板5；
[0023] 所述上下两个高通滤波单元31、41结构相同，且对称放置，即上高通滤波单元31由长为L1，宽为w1的传输线311和长为L4，宽为w4的两个并联短路枝节312组成，与之相同，下高通滤波单元41由长为L1'，宽为w1'的传输线411和长为L4'，宽为w4'的两个并联短路枝节412组成，其中L1＝L1'＝18mm，w1＝w1'＝4mm，L4＝L4'＝3.2mm、w4＝w4'＝0.5mm，通过这两个高通滤波单元31、41实现3GHz的高通响应；
[0024] 所述上下两个低通滤波单元33，43均选用串葫芦型高低阻抗谐振器结构实现，且对称放置，即上低通滤波单元33分别由低阻抗线331和高阻抗线332组成，其中，低阻抗线分为三段，左边段与右边段的长均为w9＝2*L6+w7，宽均为L7，中间段的长为w6，宽为L7；高阻抗线分为四段，每段长均为L5，宽均为w5。与之相同，下低通滤波单元43分别由低阻抗线431与高阻抗线432组成，其中，低阻抗线分为三段，左边段与右边段长均为w9'＝2*L6'+w7'，宽均为L7'，中间段长为w6'，宽为L7'；高阻抗线分为四段，长均为L5'，宽均为w5'，如图3所示。其中w9＝w9'＝12.4mm，L7＝L7'＝0.4mm，w6＝w6'＝4mm；L5＝L5'＝0.4mm，w5＝w5'＝0.8mm，通过这种串葫芦型高低阻抗谐振器结构可实现16GHz的低通响应。
[0025] 上高通滤波单元31与上低通滤波单元33通过50欧姆级联传输线32匹配连接，共同组成上宽带滤波器3，与之相同，下宽带滤波器4也由这三部分组成，即下高通滤波单元41与下低通滤波单元43通过50欧姆级联传输线42匹配连接，它们共同组成了上下对称的两个宽带滤波器3和4。其中，传输线32的长为L3＝8mm，宽为w3＝2.73mm。
[0026] 所述隔离电阻6设置在该上下对称的两个宽带滤波器3和4之间，隔离电阻6的大小决定了功分器的隔离特性，本实例共设有七个阻值相同电阻，即：
[0027] R1＝R2＝R3＝R4＝R5＝R6＝R7＝200Ω。
[0028] 本发明的效果可通过以下仿真进一步说明：
[0029] 仿真1，对本发明超宽带滤波响应功分器的传输特性进行仿真，结果由图4，其中，S21(dB)曲线代表输入端口2到第一输出端口7之间的传输特性；S31(dB)曲线代表了输入端口2到第二输出端口8之间的传输特性。
[0030] 由图4可知，该超宽带滤波响应功分器实现了3-16GHz频段内的滤波功分响应，分配和插入损耗小于4.5dB。
[0031] 仿真2，对本发明超宽带滤波响应功分器的反射特性与隔离度特性进行仿真，结果由图5，其中S11(dB)曲线代表输入端口2的反射特性，S23(dB)代表输出端口7和输出端口8之间的隔离度特性曲线。
[0032] 由图5可知，本发明超宽带滤波器的反射特性曲线S11中最大值小于-8dB，输出端口之间隔离度S23大于10dB。
[0033] 上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
