CN103259072B

CN103259072B - 基于指数渐变的超宽带功分器

Info

Publication number: CN103259072B
Application number: CN201310151532.0A
Authority: CN
Inventors: 吴永乐; 张伟伟; 黎淑兰; 于翠屏; 苏明
Original assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2013-04-27
Filing date: 2013-04-27
Publication date: 2015-03-11
Anticipated expiration: 2033-04-27
Also published as: CN103259072A

Abstract

一种基于指数渐变的超宽带功分器，由位于介质板上、用作功分器主体，并实现匹配和传输特性转换的微带线及其端口所构成；其设有：一个输入端口，两个等幅、同相的输出端口，以及位于输入和输出端口之间的阻抗变换电路和超宽带功率分配电路；三个端口的微带线特征阻抗均为50Ω，整体电路上下对称。输入端口采用指数渐变的微带线，将特征阻抗为50Ω的微带线匹配到超宽带功率分配电路输入端、且特征阻抗为25Ω的微带线，再分为上下两侧对称的两条输出路径，分别经由四段特征阻抗均为50Ω、电长度都为π/2的半圆形微带线级联而输出等幅、同相的信号，且每对上下微带线之间都连接有不同的隔离电阻。该器件的传输性能优良，相对带宽可以达到100%以上。

Description

基于指数渐变的超宽带功分器

技术领域

本发明涉及一种功率分配器、即功分器，尤其是涉及一种基于指数渐变的超宽带功分器，属于微波传输器件的技术领域。

背景技术

在微波射频无源电路中，功分器全称是功率分配器（英文名：Power divider），用于将一路输入信号能量分成两路或多路信号能量输出的一种重要无源器件，也可反过来将多路信号能量合成一路输出，此时也称为合路器。因为功分器具有结构紧凑、性能稳定、成本低和易于实现的特点，故其被广泛应用于天线阵列前端、功率放大器和混频器等微波射频电路中，是组成微波射频电路的核心器件之一，并占有非常重要的地位。功分器的输出端口之间应保证一定的隔离度，其主要技术参数有：功率损耗（包括插入损耗、反射损耗）、各端口的电压驻波比，功率分配端口间的隔离度，功率容量和频带宽度等。

随着通信技术迅猛发展，经常需要将功率分配为两路或多路输出。但是，目前广泛应用的传统威尔金森（Wilkinson）功分器的相对带宽只有10%左右，且当频率升高时尺寸变小，微带线之间的损耗和耦合就会逐渐增加，严重影响了功分器的性能，所以，并不适用在超宽带的场合中。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的是提供一种基于指数渐变的超宽带功分器，该功分器的前端、即输入端采用基于指数渐变的阻抗匹配器，中间采用四对特征阻抗均为50Ω的半圆形微带线级联，并在上下每对微带线之间分别接有隔离电阻的电路结构，从而组成基于指数渐变的超宽带的功分器，其传输性能优良，相对带宽可以达到100%以上。

为了达到上述发明目的，本发明提供了一种基于指数渐变的超宽带功分器，由印制在介质板上、作为功分器主体，并用于实现匹配和传输特性转换的微带线及其端口所构成；其特征在于：该功分器设有：一个输入端口，两个等幅、同相的输出端口，以及位于输入端口和输出端口之间的阻抗变换电路和超宽带功率分配电路；该三个端口的微带线的特征阻抗均为50Ω，且整体电路结构上下对称，为电路测量和分析提供便利；其中，输入端口是采用指数渐变的微带线，将特征阻抗为50Ω的微带线匹配到超宽带功分器的输入端、且特征阻抗为25Ω的微带线，该25Ω的微带线分为上下两侧对称的两条输出路径，该上下两条输出路径分别经由四段特征阻抗均为50Ω、电长度都为π/2的半圆形微带线级联而输出等幅、同相的信号，且每对上下微带线之间都连接有不同的隔离电阻。

所述输入端口的指数渐变的微带线的电长度是可变的，用于将输入端口特征阻抗为50Ω的微带线匹配、过渡到特征阻抗为25Ω的功分器的输入端口，实现超宽带的阻抗匹配；该指数渐变的微带线长度能够选取任意数值，但长度越长，阻抗匹配电路的性能越好。

所述功分器两条输出路径中前后串接的四级半圆形微带线，与传统的威尔金森Wilkinson功分器的输出电路相比较，该电路结构在频率升高时，能够有效减少上下微带线之间的耦合。

所述每对上下微带线之间连接的四个不同的隔离电阻是采用高频结构仿真器HFSS优化方法确定其阻值，以便达到最好的隔离效果。

本发明的有益效果是：采用基于指数渐变的阻抗匹配器，使得各个输入和输出端口微带线的特征阻抗均为50Ω，且整体电路结构上下对称，易于测量；另外，电路结构简单，避免了复杂繁琐的计算。指数渐变部分的微带线长度具有可变性能，且经仿真试验证明：长度越长，性能越好，实现了超宽带的匹配。级联结构的电路与传统的Wilkinson功分器相比较，其带宽更宽，隔离度更好；半圆形微带线结构使得频率升高时，能够有效减少微带线之间的耦合，且采用50Ω的半圆形微带线级联和隔离电阻，满足了理想的输入与输出的匹配，以及输出端口之间的隔离；还为生产制造和结构改进提供了便利，为该功率器的整个功率分配设计创造了灵活性。

总之，该器件的电路结构简单、对称、紧凑，实用，采用平面微带结构，易于集成和小型化，成本低廉，工程实现容易，还能用于更加复杂、密集的集成电路中，具有很好的推广应用前景。

附图说明

图1是本发明超宽带功分器的电路结构图。

图2是本发明带有指数渐变的超宽带功分器的印制板示意图。

图3是本发明实施例仿真试验结果图。

图4是本发明实施例测试试验结果图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。

参见图1，先介绍本发明的超宽带功分器的电路结构图，该功分器的输入端口1A的微带线特征阻抗为25Ω、即Z₀/2。功分器的输出端口2和3的微带线特征阻抗均为Z₀=50Ω，输入端口1A和输出端口2和3之间的超宽带功率分配电路是分为两个支路、分别由中间接有R1、R2、R3和R4四个隔离电阻，且特征阻抗均为50Ω的四对微带传输线所组成。该上下对称的八条微带线特征阻抗均为Z₀=50Ω，其电长度θ=π/2。

参见图2，介绍本发明基于指数渐变的超宽带功分器的印制板示意图。本发明功分器是由印制在介质板上、作为功分器主体，并用于实现匹配和传输特性转换的微带线及其端口所构成。其区别于图1或本发明的一个重要特征是：在功分器的输入端口1采用基于指数渐变的微带线作为其阻抗匹配电路，其后才连接超宽带功率分配电路。将阻抗匹配电路和功率分配电路分开单独设计，打破了传统输入阻抗匹配和输出阻抗匹配紧密的关联性，从而使得该器件的三个端口1、2、3的微带线输入、输出的特征阻抗均为50Ω，且整体电路结构上下对称，为电路测量和分析提供便利。另外，该指数渐变的微带线阻抗匹配电路的电长度是可变的，用于将特征阻抗50Ω的输入端口1匹配、过渡到特征阻抗25Ω的功分器的两路输入端口1A，实现超宽带的阻抗匹配。需要强调的是，该指数渐变的微带线长度能够选取任意数值，且长度越长，阻抗匹配电路的性能越好。该25Ω的微带线又分为上下两侧对称的两条功率分配输出路径、即分别经由四段特征阻抗均为50Ω、电长度都为π/2的半圆形微带线前后串接级联、且中间接有四个不同的隔离电阻，从而输出等幅、同相信号的超宽带功分器。与传统的威尔金森Wilkinson功分器的输出电路相比较，该电路结构在频率升高时，能够确实减少微带线之间的耦合。再者，这里的四个不同隔离电阻R1、R2、R3和R4是用高频结构仿真软件HFSS优化方法选择其阻值，以达到最好隔离效果。

本发明已经进行了多次实施试验，现在简要说明仿真实施例的试验情况：

实施例的微带线印制板（如图2所示）是采用Rogers4350B材质的基板制成，其相对介电常数为3.48，损耗角正切为0.0037，厚度为0.76mm，中心频率为6GHz，微带线电路的形状或尺寸中，LSP1、LSP3、LSP4的长度是可以自由选择的，实施例选取的参数为：LSP1=2mm，LSP3=2mm，LSP4=24.51mm。LSP2的数值是随着其长度的增加，阻抗匹配电路的性能越好。本发明实施例兼顾印制板的尺寸等因素，选取LSP2=16mm。隔离电阻是根据HFSS软件优化计算得到的，实施例的参数是：R₁=250Ω，R₂=90Ω，R₃=160Ω，R₄=300Ω。其它相关参数的取值为：Rin=1.56mm，W=1.70mm，WS=4.58mm，W1=2.31mm，W2=3.45mm。

参见图3，介绍本发明超宽带功分器仿真实施例的测试结果。从仿真图中可以看到：在中心频率f=6GHz时，输入端口1到输出端口2的传输系数S₂₁为-3.3dB，能够满足功率等分输出的要求。而且，输入端口1的反射系数S₁₁、输出端口2的反射系数S₂₂和输出端口2与输出端口3之间的隔离度，在整个频率范围内都基本上保证在-10dB以下。如果以-15dB为准进行测量，得到的数据是：S₁₁、S₂₂、S₂₃的相对带宽分别为132%、130%、137%，其可用频带的相对带宽为116.7%，达到了超宽带的要求。

图4为最终测试结果图，可以看到：在频率f=5.12GHz时，S₂₁为-3.96dB，满足功率等分的要求。再以-10dB为准，则S₁₁、S₂₂、S₂₃的相对带宽分别为99.5%、139%、177%。可以看出S₂₃的隔离度非常好，其可用频带的相对带宽为99.5%，达到了超宽带的要求，从而实现了本发明的目的。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims

1.一种基于指数渐变的超宽带功分器，其特征在于，包括：

输入端口，形成为特征阻抗为50Ω的微带线；

阻抗匹配电路，形成为基于指数渐变的微带线，其连接在所述输入端口和超宽带功率分配电路的输入端口之间，用于将特征阻抗为50Ω的输入端口匹配到特征阻抗为25Ω的超宽带功率分配电路的输入端口；

超宽带功率分配电路的输入端口，形成为特征阻抗为25Ω的微带线，其连接到所述超宽带功率分配电路；

超宽带功率分配电路，形成为上下对称的两个支路，每个所述支路均形成为四段级联的半圆形微带线，每个所述半圆形微带线的特征阻抗为50Ω，电长度为π/2；以及

两个等幅且同相的输出端口，分别形成为特征阻抗为50Ω的微带线，分别连接到超宽带功率分配电路的所述两个支路，用于输出等幅、同相的信号；

其中，每对上下半圆形微带线之间都连接有阻值不同的隔离电阻。

2.根据权利要求1所述的超宽带功分器，其特征在于：所述四对上下半圆形微带线之间连接的隔离电阻分别为R₁＝250Ω，R₂＝90Ω，R₃＝160Ω，R₄＝300Ω。

3.根据权利要求1所述的超宽带功分器，其特征在于：所述输入端口的长度为LSP1＝2mm，所述阻抗匹配电路的长度为LSP2＝16mm，所述超宽带功率分配电路的输入端口的长度为LSP3＝2mm，所述输出端口的长度为LSP4＝24.51mm。

4.根据权利要求1所述的超宽带功分器，其特征在于：每个所述半圆形微带线的内环半径为Rin＝1.56mm，圆环宽度为W＝1.70mm，相邻半圆形微带线的连接部分宽度为W1＝2.31mm。