CN103000978A - 一种新型对称功分比微带线三路功分器 - Google Patents

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贺斐
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Abstract

本发明属于微波工程领域，提供了一种新型的对称功分比微带线三路功分器。该功分器包括功分器输入端、功分器主体、功分器输出端、线路板和功分器壳体。功分器主体采用印制电路工艺，在线路板的正面上加工出“8”字型结构，“8”字型结构一端的三个节点分别连接三个功分器输出端；“8”字型结构另一端三个节点的中间节点连接功分器输入端，另外两个节点分别连接隔离电阻。功分器主体的整体结构关于水平中心轴线对称。本发明提供的功分器结构简单，成本低，易于设计和加工，亦能够大大降低调试难度；而且该功分器能够实现三个端口在一定频率范围内的对称比例输出，实现各端口的良好匹配，同时输出端口间具有良好隔离。

Description

一种新型对称功分比微带线三路功分器
技术领域
本发明属于微波工程领域，具体涉及一种新型的对称功分比微带线三路功分器。
背景技术
功率分配器是将输入信号功率分成相等的或不等的几路输出的一种多端口微波网络，功率分配器（简称功分器）是射频、无线通信系统和天线阵列馈电系统中不可或缺的功能单元。1960年Ernest J.Wilkinson提出一种能够实现等幅度、同相位功率分配的结构，该结构原理清晰，参数设计简单明了，各端口匹配良好，输出端口间隔离度高，在微波电路设计中获得广泛应用。
在微波电路和天线馈电系统中经常需要使用一分三的功分器（简称三路功分器或三功分器），由于Wilkinson结构满足输出端口的空间对称关系，当有三路输出时，输入端口只能位于电路结构中心，采用垂直馈电结构，而且三个输出端口互成120°，这使得该结构的功分电路难以采用微带电路等平面电路实现，且不易与整个电路系统集成。针对Wilkinson结构功分器存在的上述缺点，许多研究人员致力于改进Wilkinson功分器或进行全新设计。目前广泛采用的三功分器有如下几类：1、采用两个或两个以上二功分器级联构成三功分器；2、采用与Wilkinson结构原理相近似的平面对称三功分器结构，通过合理设计隔离电阻值、采用宽度渐变微带线和采用耦合微带线等手段，抑制三路间的不平衡，获得良好的功率等分性能和隔离性能；3、采用扇形微带枝节和辐射状放置的电阻构成宽带多路功分结构；4、由不同特征阻抗的微带线构成多端口网络，实现各端口良好的匹配和端口间的隔离，并由指定的端口完成三功分器的功能。
其中，第1类功分器能够较好产生所需比例的功率输出，实现各端口的匹配和输出端口间的隔离，但电路占用空间较多，微带线路径较长，参数结果使用软件优化得到，且为提高隔离度而使用集总参数滤波器；第2、3类功分器匹配和隔离指标俱佳，占用空间中等，通常用作等分输出，但外形较为复杂、所加电阻数目较多，通常参数较多且某些参数与设计指标间无显式的表达式，需通过数值计算和优化完成设计；第4类功分器各项指标较好，外形简单，参数较少且易于设计和优化，能够实现任意比例的功率输出，但占用空间稍大，约需要0.5λ×0.5λ（λ为微带传输线的导波波长）的空间，这在通常的天线阵馈电电路中是不能被接受的。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种新型的对称功分比微带线三路功分器，该功分器结构简单，灵巧，成本低，易于设计和加工，亦能够大大降低调试难度；而且该功分器能够实现三个端口在一定频率范围内的对称比例输出，各端口实现良好匹配，同时输出端口间实现良好隔离。
本发明提供的对称功分比微带线三路功分器，包括功分器输入端、功分器主体、功分器输出端、线路板和功分器壳体。功分器主体为微带线路，设置在线路板上，功分器主体设有一个功分器输入端和三个功分器输出端，功分器壳体将线路板除正面外的其他五面包围，并和线路板固定连接一起。功分器主体采用印制电路工艺，在线路板的正面上加工出“8”字型结构，该“8”字型结构由七段不同特征阻抗的传输线相互连接而成，“8”字型结构一端的三个节点分别连接三个功分器输出端；“8”字型结构另一端三个节点的中间节点连接功分器输入端，另外两个节点分别连接隔离电阻R1和R2。功分器主体的整体结构关于水平中心轴线对称。每一段传输线的长度，都是中心工作频率下的四分之一波长。
功分器输入端和功分器输出端均使用标准的50欧姆微带传输线。功分器壳体反面打孔，把导电胶灌入线路板的反面覆铜面后进行粘接。
本发明的优点和积极效果在于：（1）该功分器阻抗特性、端口隔离特性优良，易于集成在微波电路系统和天线阵馈电系统之中；（2）结构简单，易于设计和加工；（3）该功分器能够实现三个端口在一定频率范围内以对称比例输出、各端口实现良好匹配。
附图说明
图1本发明的对称功分比微带线三路功分器的结构示意图;
图2为优化后的功分器的端口阻抗匹配和端口隔离的仿真曲线；
图3为优化后的功分器的功率分配比的仿真曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实例来对本发明做进一步说明。
如图1所示，本发明提供的对称功分比微带线三路功分器，包括功分器输入端1、功分器主体2、功分器输出端3、线路板4和功分器壳体5，功分器主体2为微带线路，功分器主体2设置在线路板4上，功分器主体2中设有功分器输入端1和功分器输出端3，功分器壳体5包围除线路板4正面外的其他五面，并和线路板4固定连接一起。
功分器主体2采用印制电路工艺，在微波介质板材上加工出如图1所示的“8”字型结构，该结构由七段不同特征阻抗的传输线相互连接而成，每一段传输线的长度，都是中心工作频率下的四分之一波长（传输线的导波波长），通过调整各传输线的特征阻抗和隔离电阻的阻值，能够实现所需的不同功率分配比例的三路功率分配。当三路功分器的功率分配比满足对称性时，由于整个功分器的能量分布完全关于水平中心轴线对称。经过该轴线、与介质板相垂直的切面内，电场矢量无法向分量，即该平面为理想磁壁，可等效为开路点。故该功分器关于中轴线对称的端口有着相同的电性能。功分器主体2的“8”字型结构的一端的三个节点PortB、PortC、PortD分别连接三个功分器输出端3；“8”字型结构的另一端三个节点的中间节点PortA连接功分器输入端1，外边的两个节点分别连接隔离电阻R1和R2。
对于图1中构成功分器主体2的各段微带线的初始设计参数，本来可用多端口网络级联分析方法计算其散射特性。但是考虑到T型结、拐角和线宽突变等不连续性对电路性能的影响，准确写出散射矩阵的解析表达式极为困难。在具体实现时，可采用直接优化法。即:给定拓扑结构后，建立结构参数的合理变化区间，设置优化目标，直接优化获得符合要求的最终结果。
利用如图1中的2所示的拓扑结构，在2.4-2.6GHz频率范围内设计功率分配比为1:2:1的该种结构三路功分器。选择相对介电常数εr=2.55、介质厚度H1=1mm、覆铜厚度H2=0.035mm的双面覆铜聚四氟乙烯微波介质板材作为基板，以2.5GHz频率为设计中心频率，在仿真软件HFSS中完成建模。表1为本发明的功分器结构在功率分配比为1:2:1的各参数优化结果。
表1功率分配比为1:2:1的各参数优化结果
参数 设计初值 优化后值
W1 2.26mm 1.15mm
W2 4.52mm 2.10mm
W3 1.23mm 0.9mm
W4 1.23mm 0.35mm
L1 9.0mm 9.5mm
L2 9.2mm 9.2mm
R1 70Ω 120Ω
其中，W1表示“8”字型结构中间水平传输线的宽度，W2表示“8”字型结构上、下两端的水平传输线的宽度，W3表示“8”字型结构右侧竖直传输线的宽度，W4表示“8”字型结构左侧竖直传输线的宽度。L1表示“8”字型结构每段水平传输线的长度，L2表示“8”字型结构每段竖直传输线的长度。隔离电阻R1和R2相等。
经过仿真优化，如图2所示，本发明设计的三路功分器在2.4-2.6GHz频率范围内，端口PortA的回波损耗S11、端口PortB的回波损耗S33、端口PortC的回波损耗S22和端口PortD的回波损耗S44（因为端口PortB与PortD关于中轴线对称，故S44=S33，图2中仅给出S33的曲线）均优于-20dB，端口PortB与端口PortC间的隔离度S23、端口PortC与端口PortD间的隔离度S24、PortB与端口PortD间的隔离度S34（因为PortB与PortD关于中轴线对称，故S24=S23，图2中仅给出S24的曲线）均大于17dB。图2横坐标表示频率，纵坐标表示以dB为单位的回波损耗或隔离度。如图3所示，本发明设计的三路功分器的功率分配比满足1:2:1的设计要求，误差小于0.3dB，S21表示PortA与PortC之间的功率分配比，S31表示PortA与PortB之间的功率分配比，PortB与PortD关于中轴线对称，所以PortA与PortD之间的功率分配比S41=S31。图3中横坐标表示频率，纵坐标表示以dB为单位的功率分配比。
线路板4为双面覆铜板，功分器主体2通过印刷线路板技术设置在线路板4正面，为了更好的效果，线路板4为高性能聚四氟乙烯玻璃布板线路板。本发明实施例中优选线路板4为相对介电常数εr=2.55、介质厚度为1mm、覆铜厚度为0.035mm的高性能双面覆铜聚四氟乙烯微波介质板材。
功分器壳体5和线路板4的连接常规方法是：使用铆钉或者螺钉固定功分器壳体5与线路板4的反面覆铜面，这样点接触不能保证优良的接地性能，本发明针对此不足，将功分器壳体5反面打孔，把导电胶灌入线路板4的反面覆铜面，然后将功分器壳体5和线路板4的反面覆铜面进行粘接，通过实践证明导入导电胶的方法能够把功分器壳体5和线路板4覆铜面粘为一体，充分接地，性能优良。具体将功分器壳体5反面打孔，在功分器壳体5的反面打8个点孔，8个点孔分平行上下两排，每排均匀分布。
整个功分器主体2的结构是关于水平中心轴线对称的，在功率分配比对称的情况下，整个功分器结构可以看作由两个分支线定向耦合器并联而成。通过调整各传输线的特征阻抗和隔离电阻的阻值，能够实现所需的不同功率分配比例的三路功率分配。

Claims (7)

1.一种新型对称功分比微带线三路功分器，包括功分器输入端(1)、功分器主体(2)、功分器输出端(3)、线路板(4)和功分器壳体(5)，其特征在于，功分器壳体(5)包围线路板(4)除正面外的其他五面，并和线路板(4)固定连接一起；功分器主体(2)采用印制电路工艺，在线路板(4)的正面加工出“8”字型结构，该结构由七段不同特征阻抗的传输线相互连接而成；“8”字型结构一侧的三个节点分别连接三个功分器输出端(3)，另一侧的中间节点连接功分器输入端(1)，另外两个节点分别连接隔离电阻R1和R2；每一段传输线的长度，都是中心工作频率下的四分之一波长；功分器主体(2)的整体结构关于水平中心轴线对称。
2.根据权利要求1所述的三路功分器，其特征在于，所述的线路板(4)为高性能聚四氟乙烯玻璃布板线路板。
3.根据权利要求1所述的三路功分器，其特征在于，所述的线路板(4)为相对介电常数εr=2.55、介质厚度为1mm以及覆铜厚度为0.035mm的双面覆铜聚四氟乙烯微波介质板材。
4.根据权利要求1所述的三路功分器，其特征在于，所述的功分器输入端(1)和功分器输出端(3)均使用标准的50欧姆微带传输线。
5.根据权利要求1所述的三路功分器，其特征在于，所述的功分器壳体(5)反面打孔，把导电胶灌入线路板(4)的反面覆铜面后，将导电胶灌入线路板(4)的反面覆铜面与功分器壳体(5)粘接。
6.根据权利要求5所述的三路功分器，其特征在于，所述的功分器壳体(5)的反面打8个点孔，8个点孔分平行上下两排，每排均匀分布。
7.根据权利要求1所述的三路功分器，其特征在于，所述的三路功分器为1:2:1的三路功分器，采用相对介电常数εr=2.55、介质厚度为1mm和覆铜厚度为0.035mm的双面覆铜聚四氟乙烯微波介质板材作为基板，“8”字型结构中的七段传输线的参数是：中间水平传输线的宽度为1.15mm，上、下两端的水平传输线的宽度为2.10mm，右侧竖直传输线的宽度为0.9mm，左侧竖直传输线的宽度为0.35mm，每段水平传输线的长度为9.5mm，每段竖直传输线的长度为9.2mm；隔离电阻R1和R2均为120Ω。
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