平面吸收式可调传输零点平衡滤波功分器的创新设计与实现

《Chinese Journal of Electronics》：Planar Absorptive Balanced Filtering Power Dividers with Arbitrary Transmission Zeros

随着射频前端集成度提升，对多功能小型化无源器件需求迫切。本文提出全球首款可定制传输零点的吸收式平衡滤波功分器，其以新型低通滤波单元替代传统λ/4线，实现传输零点精准调控，并通过创新吸收网络有效抑制共模噪声，在2 GHz中心频率下验证了优良性能，为高性能平衡接收机设计提供关键解决方案。

　　

在现代无线通信系统中，射频前端电路日益复杂，对紧凑型、多功能的无源元件需求随之增长。功率分配器作为天线馈电网络和相控阵系统等应用中的关键角色，其性能直接影响整个系统的效能。然而，环境噪声和信号串扰等问题日益突出，促使研发全平衡式射频接收机前端成为趋势。滤波功分器作为一种多功能微波元件，能够同时提供功率分配、信号合成与滤波能力，这种双重功能高度契合现代微波系统的高集成度需求，并有助于实现器件的小型化。遗憾的是，现有的滤波功分器大多为单端结构。

为了在功率分配器中实现平衡操作，传统设计方法通常将滤波器、功分器和巴伦进行级联，如所示。这种方法会显著增加电路尺寸，且多级之间的相互作用常常引入额外的插入损耗，导致整体性能下降。作为替代方案，融合式设计（如图所示）将滤波、功率分配和平衡功能集成于单一结构，从而提升了紧凑性和效率。尽管已开发出多种平衡滤波功分器，但它们普遍缺乏吸收共模噪声的能力。在传统的非吸收式平衡器件中，共模噪声通常被反射回输入端口，残留在电路内部。这种残余噪声可能导致有害的信号干扰、谐波失真和串扰增加。因此，有效抑制共模噪声对于确保系统性能（尤其是在信号完整性和稳定性至关重要的应用中）至关重要。

为解决上述问题，本文首次提出了一种具有任意传输零点控制能力的吸收式平衡滤波功分器。该设计始于用一种新型低通滤波单元（Low-Pass Filtering Unit, LPFU）替代平衡六端口网络中的传统λ/4传输线单元，从而实现平衡滤波功分。通过调节LPFU的参数，可以实现对传输零点频率的精确控制。其次，基于先前研究引入的方法，设计了一种新的吸收网络，该网络在有效抑制共模噪声的同时，提供了优越的微分模（Differential-Mode, DM）信号传输性能。最后，通过将吸收网络集成到非吸收式功分器的每个平衡端口，实现了所提出的吸收式平衡滤波功分器。为验证该方法，设计、制作并测量了两个吸收式平衡滤波功分器，其中心频率均为2 GHz，传输零点分别设置在3 GHz和4 GHz。所提出的功分器具有三大关键优势：i） 启用传输零点控制的新型LPFU；ii） 多功能集成设计；iii） 卓越的共模噪声吸收能力。本研究成果已发表于《Chinese Journal of Electronics》。

为开展此项研究，研究人员主要运用了以下关键技术方法：首先是电路分析与混合模式散射矩阵理论，用于推导非吸收式六端口平衡网络的解析设计条件，并建立标准散射矩阵与混合模式散射矩阵的转换关系。其次是等效电路与参数综合方法，通过用集总参数LC谐振器构成的低通滤波单元等效替换传输线，并建立阻抗匹配方程，从而综合出实现特定传输零点所需的元件值。再者是微带线平面电路设计与电磁仿真优化，将理论电路模型转化为具体的微带布局（如所示），并利用商业电磁仿真软件对设计进行优化以计入所有寄生效应。最后是实测验证，在Rogers RT/Duroid 5880基板上加工制作了实物电路，并使用矢量网络分析仪测量其混合模式S参数，将实测结果与仿真结果进行对比以验证设计有效性。

研究结果部分通过严谨的电路设计、仿真与实验，系统验证了所提出的吸收式平衡滤波功分器的各项性能。

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  1. 六端口平衡网络电路分析：研究从图3(a)所示的非吸收式平衡功分器原理图出发，基于混合模式散射矩阵理论，推导了满足共模反射、微分模功率分配比k与阻抗Z₁、Z₂关系的设计方程，最终确定了Z₁= (Z₀/2) * √(1+k²)/k 和 Z₂= (Z₀/2) * √(1+k²) 的设计公式，为后续滤波功能集成奠定了基础。
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  2. 平衡功分器滤波功能设计：为实现滤波功能，使用新型低通滤波单元替代了平衡非吸收式功分器中的λ/4传输线。每个LPFU通过在并联LC谐振器两端并联电感和电容构成，如图3(b)和(c)所示。传输零点频率f₁由该LC谐振器决定（f₁= 1/(2π√(L₁C₁))）。为确保阻抗匹配，使LPFU等效为特性阻抗Z₁(或Z₂)的传输线，通过等效电路分析得到了元件值L₂和C₂的综合公式。研究证明，通过调整L₁和C₁可以灵活调谐传输零点频率f₁。此外，分析了阻抗Z₃对带宽的影响，仿真表明Z₃=30 Ω时能在各模式带宽间取得良好折衷。
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  3. 共模噪声吸收网络设计：为抑制共模反射同时保持正常微分模传输，基于先前工作的方法，提出了一种吸收网络并集成到常规平衡滤波功分器中，其最终电路如图5(a)所示。每个吸收支路由两段传输线、一对耦合线以及并联在耦合线间的电阻R₂构成。在中心频率f₀处，所有传输路径长度为λ/4。在微分模激励下，耦合线呈现开路，为获得良好匹配，需使Z₄= Z₀。在共模激励下，非吸收式功分器呈现零输入阻抗，且Z₄因长度为λ/4而开路，此时耦合线部分决定共模响应，其输入阻抗为(Z_e-Z_o)²/(8R₂)。为实现共模信号的完全吸收，需使该阻抗与Z₀匹配。假设偶模-奇模阻抗比Z_e/Z_o=N，结合微带工艺可行性，选定N=2.4, Z₀=50 Ω, R₂=24 Ω，据此计算出Z_e=170 Ω, Z_o=72 Ω。
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  4. 吸收式平衡滤波功分器设计流程与微带实现：研究给出了从给定功率分配比k、中心频率f₀、端口阻抗Z₀及目标传输零点频率f₁出发，逐步计算电路参数、设计吸收网络并进行电磁优化的完整设计流程。基于此流程，在Rogers RT/Duroid 5880基板上设计并制作了两个中心频率为2.0 GHz、传输零点分别为3.0 GHz和4.0 GHz的3-dB吸收式平衡滤波功分器，其具体布局和尺寸参数得以确定，隔离电阻R₁和吸收电阻R₂分别由并联的51 Ω电阻和单个24 Ω电阻实现，所有电感和电容通过高阻抗传输线实现。
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  5. 仿真与实测结果：对两款功分器的测试结果表明，仿真与测量数据高度吻合。对于传输零点在3.0 GHz的功分器，其测量的15-dB微分模回波损耗与隔离带宽达到462 MHz（相对带宽23%），微分模插入损耗为3.8 dB；15-dB微分模-共模转换带宽为1239 MHz（相对带宽60%）；在2.0 GHz处，共模回波损耗、插入损耗和隔离度均优于25 dB，其15-dB共模带宽为1290 MHz（相对带宽65%）；微分模反相位相位差在0.5-2.64 GHz范围内保持稳定在1°以内。电路尺寸紧凑，为0.81λ_g× 0.76λ_g。对于传输零点在4.0 GHz的功分器，其测量的15-dB微分模回波损耗与隔离带宽为493 MHz（相对带宽24.6%），插入损耗3.9 dB；15-dB模转换带宽为1274 MHz（相对带宽62%）；共模性能同样优异。4.0 GHz处的传输零点有效增强了带外抑制。两款功分器均展现了良好的滤波特性、功率分配功能以及出色的共模噪声吸收能力。

研究结论与讨论部分对全文工作进行了总结，并强调了其重要价值。本研究首次提出并实现了一种具有可任意控制传输零点能力的平面吸收式平衡滤波功分器。其核心创新在于：第一，采用了一种新型低通滤波单元来替代传统λ/4传输线，这不仅实现了平衡滤波功分，更重要的是通过调节LPFU参数，能够精确控制传输零点的频率，为滤波器响应形状的定制提供了灵活性。第二，采用多功能融合设计，将滤波、平衡功率分配和共模吸收功能高度集成于单一平面结构，显著提升了器件的集成度和性能。第三，引入了高效的共模噪声吸收网络，能够在不影响微分模信号传输的前提下，有效吸收共模噪声，从而显著改善了平衡系统的抗干扰能力和信号完整性。

通过严谨的电路分析、参数综合、电磁仿真优化以及实物加工测试，研究成功设计并验证了两个中心频率2 GHz、传输零点分别为3 GHz和4 GHz的功分器原型。实测结果与仿真高度吻合，证实了该设计方法的正确性与可行性。两款功分器均展现出优良的微分模匹配、隔离度、插入损耗以及宽带的共模噪声抑制和模转换抑制性能，电路尺寸紧凑。

该研究成果具有重要的理论意义和应用价值。在理论上，它提供了一套完整的设计与分析吸收式平衡滤波功分器的方法，特别是实现了传输零点的可定制化，丰富了微波无源器件的设计理论。在应用上，这种高性能、多功能、小尺寸的功分器非常适用于对信号纯净度、抗干扰能力和集成度要求极高的现代无线通信系统，如相控阵雷达、MIMO系统及高性能平衡接收机前端等，为推进射频前端模块的小型化与高性能化发展提供了有力的器件支持。