CN102412859B - 一种基于分立器件的射频混合双工器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于分立器件的射频混合双工器，包括一个混合环和三个功分器；其中，混合环和功分器由分立的电感、电容及电阻组成，混合环与三个功分器的等分端依次串联成环，混合环的差端为该双工器的发射端，与混合环相邻的一个功分器的和端为该双工器的天线端，与混合环相邻的另一个功分器的和端连接有接地电阻，与混合环相对的功分器的和端为该双工器的接收端。本发明可用于单天线通信、雷达等系统中，特别对于射频频段，可有效提高发射端与接收端的隔离度，降低器件生产成本，减小双工器的面积，有利于通信电路集成度的提高，对推进通信系统的小型化发展具有重要意义。

Description

一种基于分立器件的射频混合双工器

技术领域

本发明涉及一种射频频段无线通信系统中的双工器，尤其涉及一种具有高收发隔离度的基于分立器件的射频混合双工器，属于无线通信技术领域。

背景技术

在通信、雷达等系统中，常采用单天线方案以减少系统的体积。单天线方案需要采用环行器进行收发隔离。中国专利号为200620069716.8，名称为《微型微带环形器及隔离器》的专利，就公开了一种铁氧体环行器/隔离器，并对其结构进行了详细的描述。然而，常用的铁氧体环行器成本较高，且隔离度较低，发射功率泄漏到接收端，容易使接收端的低噪声放大器饱和，限制了其在通信系统中的应用。

在低成本的收发系统中，也可采用单个功分器或混合环代替铁氧体环行器。用单个功分器或混合环作为环行器，发射功率和接收功率损耗一半，但成本可以大大降低。功分器或混合环的环行器隔离度与铁氧体环形器相当，为20dB左右，较低的隔离度同样限制了其在系统中的应用。

中国专利号为200510031088.4，名称为《一种高收发隔离的混合环行器》的发明专利公开了一种用于雷达、通信系统单天线方案中进行收发隔离的环行器，具体地说是一种适用于各种频段的微波通信系统中的混合环行器，其包括复合在介质衬底上的三个微带线功分器和一个微带线混合环，该微带线功分器和微带线混合环的等分端通过环型臂依次串联呈环型，微带线混合环的差端为环行器的发射端，其中一个微带线功分器的和端为环行器的天线端，另一个微带线功分器的和端为环行器的接收端，其余各端分别设有接地电阻。这种混合环行器具有较高的收发隔离度，能把环行器的收发隔离度从20dB提高到60dB，采用微带线相对于铁氧体环行器可降低成本。然而，在无线通信的射频频段内，微带无源电路的面积较大(在厘米量级)，这种具有较大面积的微带线混合环行器限制了射频频段通信电路的小型化和集成度的提高。

因此，实有必要对这种混合环行器进行改进，设计出一种可应用于射频频段的单天线通信、雷达系统中的新型器件。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种基于分立器件的射频混合双工器，该双工器成本低，面积小，且具有高收发隔离度，能很好的应用在单天线通信、雷达等系统中。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种基于分立器件的射频混合双工器，包括一个混合环和三个功分器；

其中，所述混合环由分立电感及电容组成，包括一个和端、一个差端和两个等分端；所述功分器由分立电感、电容及电阻组成，包括一个和端和两个等分端；所述混合环与功分器的等分端依次串联成环；所述混合环的差端为该双工器的发射端，与所述混合环相邻的一个功分器的和端为该双工器的天线端，与所述混合环相邻的另一个功分器的和端连接有接地电阻，与所述混合环相对的功分器的和端为该双工器的接收端。

其中，所述混合环的四个端口的特征阻抗相同；所述功分器的三个端口的特征阻抗相同；在和端连接有接地电阻的功分器中，所述接地电阻与其和端的特征阻抗相同。作为本发明的优选方案，所述混合环的四个端口的特征阻抗为50Ω，且所述功分器的三个端口的特征阻抗为50Ω，其中的接地电阻也为50Ω。

作为本发明的优选方案，所述混合环包括电感L1、电感L2、电感L3、电容C1、电容C2和电容C3；电容C1、电容C2、电容C3和电感L2顺次串联成环，在电容C3与电容C2之间连接有接地电感L3，在电容C2与电容C1之间连接有接地电感L1；电容C1与电感L2之间的引出端口为其差端；电感L2与电容C3之间的引出端口为其一个等分端；电容C3与电容C2之间的引出端口为其和端，电容C2与电容C1之间的引出端口为其另一个等分端。

作为本发明的优选方案，所述功分器包括电容C4、电容C5、电容C6、电感L4、电感L5和电阻R1；电阻R1、电感L5和电感L4顺次串联成环，在电感L4与电感L5之间连接有接地电容C5，在电感L5与电阻R1之间连接有接地电容C6，在电阻R1与电感L4之间连接有接地电容C4；电感L4与电感L5之间的引出端口为其和端；电感L5与电阻R1之间的引出端口为其一个等分端；电阻R1与电感L4之间的引出端口为其另一个等分端。优选的，电阻R1的阻值为100Ω。

作为本发明的优选方案，所述混合环中的电感和电容分别采用表面贴装技术(SMT)的表贴电感和表贴电容；所述功分器中的电感、电容和电阻分别采用表贴电感、表贴电容和表贴电阻；与其中一个功分器和端连接的所述接地电阻采用表贴电阻。

本发明的有益效果在于：该混合双工器由分立的电感、电容及电阻构成的混合环及功分器组成，其结构简单，生产成本低；通过调整其中各电感和电容的电感值和电阻值，可使中心频率位于射频频段，符合射频无源电路的设计，相对于微带线混合环行器有更高的隔离度，并且面积相对更小，能很好的应用在单天线通信、雷达等系统中，有利于通信电路集成度的提高，对推进通信系统的小型化发展具有重要意义。

附图说明

图1为实施例中混合环的电路原理图；

图2a为实施例中混合环的幅度同向等分损耗；

图2b为实施例中混合环的幅度反向等分损耗；

图3a为实施例中混合环的反向等分相位差；

图3b为实施例中混合环的同向等分相位差；

图4为实施例中混合环的差端到和端的隔离度；

图5为实施例中功分器的电路原理图；

图6a-6b为实施例中功分器的同向等分损耗；

图7为实施例中功分器的等分端的隔离度；

图8为实施例中混合双工器的示意图；

图9为实施例中混合双工器发射端到天线端的损耗；

图10为实施例中混合双工器天线端到接收端的损耗；

图11为实施例中混合双工器发射端到接收端的隔离度。

具体实施方式

以下结合实施例，并参照附图，对本发明做进一步地详细说明。

一般来说，双工器是一个多端口的与频率相关的装置，可用于分离或组合各种信号。本发明的射频混合双工器可用于单天线的通信或雷达等系统中，连接在发射装置、接收装置与天线之间。其由分立的电容、电感及电阻等无源器件构成，其中，这些无源器件组成了一个混合环及三个功分器结构，并依次相连形成环形，混合环的一个端口作为发射端，一个功分器端口作为天线端，另外一个功分器端口作为接收端，第三个功分器端口连接电阻后接地。在单天线系统中，由发射端进入的信号，经过混合环与功分器后进入天线端；由天线端进入的信号，经过功分器和混合环后进入接收端；由此起到收发隔离的作用。

本实施例以2.45GHz双工器为例，对该基于分立器件的射频混合双工器作进一步说明。

图1是本实施例中混合环的电路原理图，图中端口1、2、3、4分别表示混合环的差端、两个等分端及和端。可见，该混合环包括电感L1、电感L2、电感L3、电容C1、电容C2和电容C3。电容C1、电容C2、电容C3和电感L2顺次串联成环，在电容C3与电容C2之间连接有电感L3接地，在电容C2与电容C1之间连接有电感L1接地。电容C1与电感L2之间的引出端口1为其差端；电感L2与电容C3之间的引出端口2为其一个等分端；电容C2与电容C1之间的引出端口3为其另一个等分端，电容C3与电容C2之间的引出端口4为其和端。

其中，端口1、2、3、4的特征阻抗相同，均为50Ω。本实施例混合环中的各电感和电容，设计时采用0201型号的表贴电感以及0402型号的表贴电容。通过调整混合环中各电感、电容的电感值和电容值，可使中心频率为2.45GHz。

混合环的幅度同向和反向等分损耗分别如图2a和2b所示，混合环的反向和同向等分相位差分别如图3a和3b所示，其差端(端口1)到和端(端口4)的隔离度如图4所示。可见混合环的和端(端口4)和差端(端口1)传输到两个等分端(端口2、3)的功率在中心频率2.45GHz时降低了3dB左右，差端到和端的隔离度在65dB左右。

图5是本实施例中单个功分器的电路原理图，图中端口1、2、3分别表示功分器的和端及两个等分端。可见，该功分器包括电容C4、电容C5、电容C6、电感L4、电感L5和电阻R1。电阻R1、电感L5和电感L4顺次串联成环，在电感L4与电感L5之间连接有接地电容C5，在电感L5与电阻R1之间连接有接地电容C6，在电阻R1与电感L4之间连接有接地电容C4。电感L4与电感L5之间的引出端口1为其和端；电感L5与电阻R1之间的引出端口2为其一个等分端；电阻R1与电感L4之间的引出端口3为其另一个等分端。

其中，端口1、2、3的特征阻抗相同，均为50Ω。本实施例中单个功分器中的各电感、电容和电阻，设计时采用0201型号的表贴电阻和表贴电感以及0402型号的表贴电容，表贴电阻的阻值为100Ω。调整功分器中各电感、电容的电感值和电容值，可使中心频率在2.45GHz。

功分器的同向等分损耗和等分端的隔离度分别如图6a-6b和图7所示，可见功分器的和端(端口1)传输到两个等分端(端口2、3)的功率在中心频率2.45GHz时降低了3dB左右，两个等分端(端口2、3)之间的隔离度在65dB左右。

图8是将图1所示混合环与三个图5所示功分器依次相连而构成的混合双工器的示意图。其中，混合环HR1与三个功分器D1、D2、D3的等分端依次串联成环；混合环HR1中的01、02、03、04分别表示其差端、两个等分端及和端，其差端01作为该双工器的发射端1，与混合环HR1相邻的一个功分器D1的和端，即端口2作为该双工器的天线端，与混合环HR1相邻的另一个功分器D3的和端，即端口3连接电阻接地，与混合环HR1相对的功分器D2的和端作为该双工器的接收端4。其中端口2与端口3的作用可以互换，即也可以用端口3作为天线端，端口2连接电阻接地。

由于其中混合环及功分器的各端口的特征阻抗为50Ω，因此，该混合双工器各端口的特征阻抗均为50Ω，端口3的接地电阻为50Ω。各功分器中的100Ω电阻及50Ω的接地电阻均为0201型号的贴片薄膜电阻。该混合双工器的中心频率为2.45GHz，发射端到天线端的损耗和天线端到接收端的损耗分别如图9和图10所示，图11给出了发射端到接收端的隔离度。可见发射端到天线端的损耗和天线端到接收端的损耗在中心频率2.45GHz处均为6dB左右，发射端到接收端的隔离度在100dB以上。

本发明中涉及的其他技术，属于本领域技术人员熟悉的范畴，在此不再赘述。上述实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案。任何不脱离本发明精神和范围的技术方案均应涵盖在本发明的专利申请范围当中。

Claims (9)

1.一种基于分立器件的射频混合双工器，其特征在于：

包括一个混合环和三个功分器；

所述混合环由分立电感及电容组成，包括一个和端、一个差端和两个等分端；

所述功分器由分立电感、电容及电阻组成，包括一个和端和两个等分端；

所述混合环与功分器的等分端依次串联成环；

所述混合环的差端为该双工器的发射端，与所述混合环相邻的一个功分器的和端为该双工器的天线端，与所述混合环相邻的另一个功分器的和端连接有接地电阻，与所述混合环相对的功分器的和端为该双工器的接收端；

所述混合环包括电感L1、电感L2、电感L3、电容C1、电容C2和电容C3；电容C1、电容C2、电容C3和电感L2顺次串联成环，在电容C3与电容C2之间连接有接地电感L3，在电容C2与电容C1之间连接有接地电感L1；电容C1与电感L2之间的引出端口为其差端；电感L2与电容C3之间的引出端口为其一个等分端；电容C3与电容C2之间的引出端口为其和端，电容C2与电容C1之间的引出端口为其另一个等分端。

2.根据权利要求1所述一种基于分立器件的射频混合双工器，其特征在于：所述混合环的四个端口的特征阻抗相同。

3.根据权利要求1所述一种基于分立器件的射频混合双工器，其特征在于：所述功分器的三个端口的特征阻抗相同。

4.根据权利要求1所述一种基于分立器件的射频混合双工器，其特征在于：在和端连接有接地电阻的功分器中，所述接地电阻与其和端的特征阻抗相同。

5.根据权利要求1所述一种基于分立器件的射频混合双工器，其特征在于：所述混合环的四个端口的特征阻抗为50Ω，且所述功分器的三个端口的特征阻抗为50Ω，其中的接地电阻也为50Ω。

6.根据权利要求1所述一种基于分立器件的射频混合双工器，其特征在于：所述功分器包括电容C4、电容C5、电容C6、电感L4、电感L5和电阻R1；电阻R1、电感L5和电感L4顺次串联成环，在电感L4与电感L5之间连接有接地电容C5，在电感L5与电阻R1之间连接有接地电容C6，在电阻R1与电感L4之间连接有接地电容C4；电感L4与电感L5之间的引出端口为其和端；电感L5与电阻R1之间的引出端口为其一个等分端；电阻R1与电感L4之间的引出端口为其另一个等分端。

7.根据权利要求6所述一种基于分立器件的射频混合双工器，其特征在于：所述电阻R1的阻值为100Ω。

8.根据权利要求1所述一种基于分立器件的射频混合双工器，其特征在于：所述混合环中的电感和电容分别采用表贴电感和表贴电容；所述功分器中的电感、电容和电阻分别采用表贴电感、表贴电容和表贴电阻。

9.根据权利要求1所述一种基于分立器件的射频混合双工器，其特征在于：与其中一个功分器和端连接的所述接地电阻采用表贴电阻。

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