CN103022616B - 基于低温共烧陶瓷技术的双频四路功率分配器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于低温共烧陶瓷技术的双频四路功率分配器，应用于高频系统中，包括：输入过渡模块、分配模块以及输出模块；其中，所述输入过渡模块，与外部电路和所述分配模块相连接；所述分配模块，与所述输入过渡模块和输出模块相连接；所述输出模块，与所述分配模块和外部电路相连接。本发明解决了目前功率分配器不能同时实现超宽带的功率分配以及电路系统的小型化的问题。

Description

基于低温共烧陶瓷技术的双频四路功率分配器

技术领域

本发明涉及功率传输领域，特别是一种基于低温共烧陶瓷技术的双频四路功率分配器。

背景技术

现有技术中，随着现代通信系统高新技术水平的不断提高，电子系统向着短、小、轻、薄和高可靠、高性能、高速度的方向快速发展。现有的集成电路已经不能满足系统集成的需要，这就促进了集成电路新技术的发展。而近些年发展起来的LTCC（LowTemperatureCo-firedCeramic，低温共烧陶瓷）多层集成电路技术，简称LTCC技术，已经成为高速高密度集成技术研究发展的热点。

LTCC技术可在多层陶瓷基板中同时埋置多个电路部件（如电阻、低容值电容、阻抗转换器、滤波器、耦合器等），然后将多个单层陶瓷基板在垂直方向上进行叠压，并在800～950℃温度下烧结，从而制成三维的彼此间互相独立的高密度电路；它还可将无源器件埋置在多层基板内部，将有源器件和IC（integratedcircuit，集成电路板）芯片贴在整个基板表面，从而制成无源/有源集成的功能模块。

功率分配器（简称功分器）是将输入功率分成相等或不相等的几路功率输出的一种多端口微波器件。在微波毫米波等高频系统中，都需要将发射或接收功率按一定的比例分配到各个子单元，因此微波毫米波功分器在微波毫米波组件与系统中得到了大量的应用。这里功分器有多种实现形式，如：3dB电桥耦合器、分支线电桥耦合器、环形电桥耦合器、Wilkinson（威尔金森）功分器等多种结构的功率分配器。

目前，随着无线通信的高速发展，器件的宽频带、小型化、低损耗是微波射频电路的研究热点，而且随着超宽带天线、超宽带滤波器等超宽带器件的研究，对超宽带的功率分配器的需求越来越大。在Wilkinson功分器设计中，通常使用的传输线为TEM或准TEM传输线，比如微带线、带状线、共面波导等。

现有Wilkinson功分器存在的缺点：

（1）如图1所示，为传统的Wilkinson功分器结构，但是Wilkinson功分器较窄的带宽严重限制了其在超宽带的应用。

（2）如图2所示，为现有技术的双频Wilkinson功分器的结构，该功分器采用了两个隔离电阻，并且其尺寸较大，Wilkinson功分器应用于较高频段时，波长就会与隔离电阻的尺寸相比拟，则不能忽略隔离电阻处存在的分布参数，而分布参数在功分器仿真设计是很难预测，且对最终测试结果有很大影响。

（3）对于现有技术中的Wilkinson功分器，为了使其工作于更宽的频段内，一般通过增加隔离电阻的个数与传输线的级数来拓宽带宽，如图3所示。但由于自身结构上的限制，会产生较高的损耗，同时增加隔离电阻分布参数带来的附加影响，导致测试结果和计算结果间较大的差异，Wilkinson功分器的性能下降，另外其体积也相对较大。

所以，如何设计一种功率分配器，能够同时实现超宽带的功率分配以及电路系统的小型化便成为了亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明提供一种基于低温共烧陶瓷技术的双频四路功率分配器，以解决目前功率分配器不能同时实现超宽带的功率分配以及电路系统的小型化的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于低温共烧陶瓷技术的双频四路功率分配器，应用于高频系统中，该双频四路功率分配器包括：输入过渡模块、分配模块以及输出模块；其中，

所述输入过渡模块，与外部电路和所述分配模块相连接，用于接收所述外部电路输入的功率，将该功率传送至所述分配模块；

所述分配模块，与所述输入过渡模块和输出模块相连接，用于接收所述输入过渡模块输入的功率，并将该功率分配为至少两路的功率，传送至所述输出模块；

所述输出模块，与所述分配模块和外部电路相连接，用于将所述分配模块分配后的至少两路的功率传输至所述外部电路。

进一步地，所述输入过渡模块进一步包括：带状线、接地板、接地孔、过渡柱以及共面波导；其中，

所述带状线，与所述外部电路和过渡柱相耦接，用于将所述外部电路输入的功率传输至所述过渡柱；

所述过渡柱，与所述带状线和共面波导相耦接，用于将所述带状线传输的功率传输至所述共面波导；

所述共面波导，与所述过渡柱和分配模块相耦接，用于接收所述过渡柱传输的功率并将该功率输出至所述分配模块；

所述接地板，与所述带状线共面设置；

所述接地孔，分布设置于所述接地板的板面上。

进一步地，其特征在于，所述分配模块进一步为双频渐变Wilkinson功分器。

进一步地，其特征在于，所述双频渐变Wilkinson功分器进一步包括含有一分二接头的传输线。

进一步地，所述输出模块进一步包括两路输出支路和双频分支线；其中，

所述输出支路，与所述分配模块和双频分支线相耦接，用于接收所述分配模块分配的两路功率，并将该功率传输至所述双频分支线；

所述双频分支线，与所述输出支路相耦接，用于接收所述输出支路发送的功率并将该功率输出至所述外部电路。

进一步地，所述两输出支路对称设置，且所述两输出支路之间设置有至少一个隔离电阻。

进一步地，所述双频分支线的长度小于中心频率对应的波长。

进一步地，所述分配模块采用传输线渐变的形式。

进一步地，所述传输线渐变的形式进一步由公式w(z)＝(w₂-w₁)-(w₂-w₁)sin²(πz/2l)确定。

与现有技术相比，本发明所述的一种基于低温共烧陶瓷技术的双频四路功率分配器，达到了如下效果：

1）本发明所述功率分配器有效减小了在射频微波频段功率分配器件的体积，为通信系统的小型化提供了进一步的保证，并且采用双频四路结构实现了超宽带的功率分配，能够有效提高器件性能；

2）本发明所述的功率分配器采用薄膜技术设计的隔离电阻，减小了功分器由隔离电阻造成的寄生效应的影响，并省去了体积大价格高的隔离电阻，有效提高了元件的传输特性，降低了功分器的成本；

3）本发明所述的功率分配器在结构上少了一个隔离端，由于结构上的对称性，其输出端间的相位一致性好，克服了分支线电桥功分器两输出端间相位不一致不能实现良好驻波性能的问题；

4）本发明所述的功率分配器输入与输出匹配良好，输出端之间具有很好的隔离，体积小，成本低，工作频段宽，损耗低。

附图说明

图1是现有技术中Wilkinson功分器的内部电路示意图；

图2是现有技术中带有双频传输线的Wilkinson功分器内部电路示意图；

图3是本发明实施例所述的一种基于低温共烧陶瓷技术的双频四路功率分配器的结构框图。

图4是采用本发明实施例所述装置的俯视结构图；

图5是采用本发明实施例所述装置的侧视结构图。

具体实施方式

如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接受的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。此外，“耦接”一词在此包含任何直接及间接的电性耦接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接于一第二装置，则代表所述第一装置可直接电性耦接于所述第二装置，或通过其他装置或耦接手段间接地电性耦接至所述第二装置。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本发明的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

以下结合附图对本发明作进一步详细说明，但不作为对本发明的限定。

如图3所示，为本发明所述基于低温共烧陶瓷技术的双频四路功率分配器，所述双频四路功率分配器10应用于高频系统中，该双频四路功率分配器包括：输入过渡模块101、分配模块102以及输出模块103；其中，

所述输入过渡模块101，与外部电路和所述分配模块102相连接，用于接收所述外部电路输入的功率，将该功率传送至所述分配模块102。

在本发明的实施例中，所述输入过渡模块101的结构可以包括带状线到共面波导的过渡，进一步包括：带状线、接地板、接地孔、过渡柱以及共面波导，所述输入过渡模块101与外部电路连接的端口可以采用SMA端口。

所述分配模块102，与所述输入过渡模块101和输出模块103相连接，用于接收所述输入过渡模块101输入的功率，并将该功率分配为至少两路，传送至所述输出模块103。

在本发明的实施例中，所述分配模块102可以采用双频渐变Wilkinson功分器。

所述输出模块103，与所述分配模块102和外部电路相连接，用于将所述分配模块102分配后的功率传输至所述外部电路。

在本发明的实施例中，所述输出模块102的结构可以采用两输出支路和双频分支线，该两输出支路对称设置，且所述两输出支路间设置有隔离电阻；所述分支线的长度小于中心频率对应的波长。

下面为实施例一

如图4和5所示，本发明所述双频四路功率分配器采用LTCC多层集成电路技术，所述过渡模块101的具体实施结构包括带状线到共面波导的过渡；其中，带状线到共面波导的过渡结构包括带状线、接地板、接地孔、过渡柱、共面波导；其中，所述带状线，与所述外部电路和过渡柱相耦接，用于将所述外部电路输入的功率传输至所述过渡柱；所述过渡柱，与所述带状线和共面波导相耦接，用于将所述带状线传输的功率传输至所述共面波导；所述共面波导，与所述过渡柱和分配模块相耦接，用于接收所述过渡柱传输的功率并将该功率输出至所述分配模块；所述接地板，与所述带状线共面设置；所述接地孔，分布设置于所述接地板的板面上。过渡模块101中的整个过渡段模拟同轴传输线，其工作主模为TEM模（TransverseElectricandMagneticFieldMode，在波导中，电场与磁场的纵向分量都为零的传播模式），同样，带状线和共面波导的工作主模为准TEM模，使得该过渡结构的工作带宽极宽，不会对其后的功分器的工作带宽产生影响。

所述分配模块102具体可以是双频渐变Wilkinson功分器。具体来说，所述分配模块102中的所述双频渐变Wilkinson功分器由传输线组成，其传输线包括一分二接头，接头的合路端口连接输入支路，接头的两支路端口分别连接两输出支路，在输入端与两支路连接处和输出端与两支路连接处，该功分器采用了切角技术，以实现更好的输入与输出端口之间的信号传输，从而获得更宽的工作带宽。

所述输出模块103具体可以是两输出支路和双频分支线。所述输出模块103的结构可以采用两输出支路和双频分支线，该两输出支路对称设置，且所述两输出支路间设置有隔离电阻；所述分支线的长度小于中心频率对应的波长。

在所述分配模块102和输出模块103的双频渐变Wilkinson功分器的T型头或Y接头的输出主支路之间设置隔离电阻和双频分支线的基础之上，设置一段渐变微带线，通过调节渐变曲线两端的宽度、隔离电阻的大小和位置，该功分器可以获得良好的输出隔离和输入输出匹配，且在使用相同隔离电阻的情况下，该功分器较现有的双频渐变Wilkinson功分器具有更宽的工作带宽。另外，这里在连接输入与输出端口的两级传输线中，可以通过采用经验公式对第一级传输线建模。通过传输线理论和奇偶模理论分析计算，可以的获得两级传输线的特性阻抗大小以及电长度、隔离电阻的初值。隔离电阻的大小和在两支路之间的位置会随着不同的工作频段而变化。

上述本发明所提供的双频渐变Wilkinson功分器，还可以进一步采用传输线与奇偶模理论，运用电磁场仿真软件分析优化，使得功分器在工作带宽内，输入与输出匹配良好，输出端之间有较好的隔离，输入输出的驻波性能以及输出端口间的隔离性能都得到很好的提高。

下面为实施例二

为了方便描述，将图4和图5中加入A-D四个段符，分别将本发明所述功率分配器分为3段：AB段、BC段和CD段。如图4和图5所示，该功分器输入与输出端口的特性阻抗皆为50欧姆，各端口可采用SMA接头实现输出，该功分器的介质可采用陶瓷材料FerroA6M，其介电常数是5.9，损耗角正切为0.002，每层介质基板厚度为0.094mm（共烧后）。为了使输入端与分支线之间有更好的传输特性，采用切角的设计技术，在CD段，该功分器采用传输线渐变的形式，其渐变形式采用经验公式：w(z)＝(w₂-w₁)-(w₂-w₁)sin²(πz/2l)，其中0≤z≤l。w(z)为微带线沿CD方向的宽度，z为BC方向的坐标，w₁、w₂分别为C、D两处微带线的宽度，l为CD段的长度。w₁、w₂可以分别由微带线C,D两处的特性阻抗Z₁、Z₂决定。

$Z_1=\frac{(A_2-Z_0)Z_2}{{2Z}_0\tan \left({\mathrm{\β}}_1{l}_1\right)\tan \left({\mathrm{\β}}_2{l}_2\right)}$

$Z_2=\sqrt{\frac{(Z_0+A_2)(-Z_0^2)[1+{\tan }^2\left({\mathrm{\β}}_2{l}_2\right)]+4Z_0^3{\tan }^2\left({\mathrm{\β}}_2{l}_2\right)[{\tan }^2\left({\mathrm{\β}}_2{l}_2\right)-{\tan }^2\left({\mathrm{\β}}_1{l}_1\right)]}{{2A}_1}}$

其中

A₁＝Z₀tan²(β₂l₂)[1+tan²(β₂l₂)]-2Z₀tan²(β₂l₂)[1+tan²(β₁l₁)]

$A_2=\sqrt{Z_0^2+8Z_0^2{\tan }^2\left({\mathrm{\β}}_1{l}_1\right){\tan }^2\left({\mathrm{\β}}_2{l}_2\right)}$

l₁、l₂，β₁、β₂分别为BC、CD段的长度和相位常数。另外，

$R=\frac{2Z_0{Z}_1{Z}_2\tan \left({\mathrm{\β}}_1{l}_1\right)}{Z_1{Z}_2\tan \left({\mathrm{\β}}_1{l}_1\right)+Z_2^2\tan \left({\mathrm{\β}}_2{l}_2\right)}$

l₂的大小可以由以上各式联合下式得到

$Z_1{Z}_2^2\tan \left({\mathrm{\β}}_1{l}_1\right)+Z_2^3\tan \left({\mathrm{\β}}_2{l}_2\right)=Z_0^2{Z}_1\tan \left({\mathrm{\β}}_1{l}_1\right)\tan \left({\mathrm{\β}}_2{l}_2\right)-Z_0^2{Z}_2$

从而获得两级传输线的特性阻抗大小以及电长度、隔离电阻的初值，使所述功分器可以获得良好的输出隔离和输入输出匹配，并具有更宽的工作带宽。

与现有技术相比，本发明所述的一种基于低温共烧陶瓷技术的双频四路功率分配器，达到了如下效果：

1）本发明所述功率分配器有效减小了在射频微波频段功率分配器件的体积，为通信系统的小型化提供了进一步的保证，并且采用双频四路结构实现了超宽带的功率分配，能够有效提高器件性能；

2）本发明所述的功率分配器采用薄膜技术设计的隔离电阻，减小了功分器由隔离电阻造成的寄生效应的影响，并省去了体积大价格高的隔离电阻，有效提高了元件的传输特性，降低了功分器的成本；

3）本发明所述的功率分配器在结构上少了一个隔离端，由于结构上的对称性，其输出端间的相位一致性好，克服了分支线电桥功分器两输出端间相位不一致不能实现良好驻波性能的问题；

4）本发明所述的功率分配器输入与输出匹配良好，输出端之间具有很好的隔离，体积小，成本低，工作频段宽，损耗低。

上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于低温共烧陶瓷技术的双频四路功率分配器，应用于高频系统中，其特征在于，该双频四路功率分配器包括：输入过渡模块、分配模块以及输出模块；

其中，所述双频四路功率分配器采用LTCC多层集成电路且具有结构上的对称性，所述输入过渡模块埋设在所述集成电路内部，所述输入过渡模块通过过渡柱连接布置在所述集成电路表面的分配模块；

所述输入过渡模块，与外部电路和所述分配模块相连接，用于接收所述外部电路输入的功率，将该功率传送至所述分配模块；

所述分配模块，与所述输入过渡模块和输出模块相连接，用于接收所述输入过渡模块输入的功率，并将该功率分配为至少两路的功率，传送至所述输出模块；

所述输出模块，与所述分配模块和外部电路相连接，用于将所述分配模块分配后的至少两路的功率传输至所述外部电路；

所述分配模块为双频渐变Wilkinson功分器，所述双频渐变Wilkinson功分器的T型头或Y接头的输出主支路之间设置隔离电阻和双频分支线以及一段渐变微带线。

2.如权利要求1所述的一种基于低温共烧陶瓷技术的双频四路功率分配器，其特征在于，所述输入过渡模块进一步包括：带状线、接地板、接地孔、过渡柱以及共面波导；其中，

所述带状线，与所述外部电路和过渡柱相耦接，用于将所述外部电路输入的功率传输至所述过渡柱；

所述过渡柱，与所述带状线和共面波导相耦接，用于将所述带状线传输的功率传输至所述共面波导；

所述共面波导，与所述过渡柱和分配模块相耦接，用于接收所述过渡柱传输的功率并将该功率输出至所述分配模块；

所述接地板，与所述带状线共面设置；

所述接地孔，分布设置于所述接地板的板面上。

3.如权利要求2所述的一种基于低温共烧陶瓷技术的双频四路功率分配器，其特征在于，所述双频渐变Wilkinson功分器进一步包括含有一分二接头的传输线。

4.如权利要求1所述的一种基于低温共烧陶瓷技术的双频四路功率分配器，其特征在于，所述输出模块进一步包括两路输出支路和双频分支线；其中，

所述输出支路，与所述分配模块和双频分支线相耦接，用于接收所述分配模块分配的两路功率，并将该功率传输至所述双频分支线；

所述双频分支线，与所述输出支路相耦接，用于接收所述输出支路发送的功率并将该功率输出至所述外部电路。

5.如权利要求4所述的一种基于低温共烧陶瓷技术的双频四路功率分配器，其特征在于，所述两路输出支路对称设置，且所述两输出支路之间设置有至少一个隔离电阻。

6.如权利要求4所述的一种基于低温共烧陶瓷技术的双频四路功率分配器，其特征在于，所述双频分支线的长度小于中心频率对应的波长。

7.如权利要求1所述的一种基于低温共烧陶瓷技术的双频四路功率分配器，其特征在于，所述分配模块采用传输线渐变的形式。

8.如权利要求7所述的一种基于低温共烧陶瓷技术的双频四路功率分配器，其特征在于，所述传输线渐变的形式在输入端与分支线之间采用切角设计。