CN103367853B - 双频带可重构功率分配器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双频带可重构功率分配器，主要解决现有功率分配器存在单频工作，频带窄且频带固定的问题。其包括上层微带结构（1）、中间层介质基板（2）、下层接地金属板（3）、可控元件（4）、隔离元件（5）和输入/输出端口（6）；上层微带结构（1）附着在中间层介质基板（2）的上表面，中间层介质基板（2）的下表面为下层接地金属板（3），隔离元件（5）连接在上层微带结构（1）中；可控元件（4）位于第一组微带线段和第二组微带线段的开路枝节末端，用于调节两个工作频带的中心频率；上层微带结构（1）由上下对称的第一组微带线段和第二组微带线段组成，这两组微带线段共用一个输入端口。本发明具有双频带、频带宽、频率可重构的优点，可用于对频率选择性要求高的雷达和微波测量系统中。

Description

双频带可重构功率分配器

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，特别涉及一种双频带可重构功率分配器，可用于通信系统，雷达系统和微波测量等系统。

背景技术

作为射频电路前端的重要组成部分，功率分配器的研究与设计正越来越受到人们的重视。功率分配器简称为功分器，用于将一个输入信号按照一定比例分配给两个或多个输出端口，以实现信号功率的分配。功率分配器实现形式很多，如：同轴腔体功率分配器、带线功率分配器，微带功率分配器等，不同实现形式的功率分配器都有各自的优缺点，其中由于微带结构设计简单，结构紧凑且易于实现，所以备受人们青睐。

传统的功率分配器只能在单频工作，频带窄且频带固定，其应用存在一定的局限性。随着射频微波技术的迅速发展，频谱资源日趋珍贵，系统对信号传输速率，选择性的要求也越来越苛刻，现有仅适用于单一频率和奇次谐波的特性的功率分配器，已经远远不能满足现代通信系统双频带、宽频带、频率可重构的需要。

发明内容

本发明的目的在于针对目前功率分配器存在单频工作，频带窄且频带固定的问题，提出一种基于微带结构的双频带可重构功率分配器，以扩展功率分配器的带宽，并实现两个工作频带中心频率的可调，满足现代通信系统对功率分配器的要求。

为实现上述目的，本发明包括：

上层微带结构1、中间层介质基板2、下层接地金属板3、可控元件4、隔离元件5和输入/输出端口6，该上层微带结构1附着在中间层介质基板2的上表面，中间层介质基板2的下表面为下层接地金属板3，该隔离元件5连接在上层微带结构1中，其特征在于：

所述的微带结构1，包含上下对称的两组微带线段，即第一组微带线段11和第二组微带线段12，这两组微带线段共用一个输入端口，作为输入/输出端口6的输入端口P0，两组微带线段的两个输出端口，作为输入/输出端口6的第一输出端口P1和第二输出端口P2；

所述的可控元件4位于第一组微带线段11和第二组微带线段12的开路枝节末端，用于调节两个工作频带的中心频率。

作为优选，所述的可控元件4，包含两个变容二极管和两个限流电阻，该第一变容二极管D1和第一限流电阻R1连接在第一组微带线段11的开路枝节末端，该第二变容二极管D2和第二限流电阻R2连接在第二组微带线段12的开路枝节末端。

作为优选，所述的隔离元件5，包含隔离电阻R和隔直电容C1、C2、C3，该隔离电阻R位于第一输出端口P1和第二输出端口P2之间，用于对第一输出端口P1和第二输出端口P2进行隔离，这三个隔直电容C1、C2和C3分别位于输入/输出端口6的输入端口P0、第一输出端口P1和第二输出端口P2处，用于对输入/输出端口6的这三个端口进行直流隔离。

作为优选，所述的第一组微带线段11，包含第一传输线111、第二传输线112和第一开路枝节113，该第一传输线111的末端与第二传输线112始端连接，该第二传输线112末端与第一开路枝节113始端连接，该第一开路枝节113末端与第一变容二极管D1正极相连；该第一变容二极管D1的正极同时与第一限流电阻R1连接，该第一限流电阻R1与下层接地金属板3连接。

作为优选，所述的第二组微带线段12，包含第三传输线121、第四传输线122和第二开路枝节123，该第三传输线121的末端与第四传输线122始端连接，该第四传输线122末端与第二开路枝节123始端连接，该第二开路枝节123末端与第二变容二极管D2正极相连；该第二变容二极管D2正极同时与第二限流电阻R2连接，该第二限流电阻R2与下层接地金属板3连接。

与现有技术相比较，具有如下优点：

1.本发明由于采用两组微带结构，具有频带宽，结构紧凑且易于实现的优点。

2.本发明通过调节连接在第一组微带线段和第二组微带线段的开路枝节末端的可控元件，可实现两个频带的带宽和中心频率的调节，解决了传统功率分配器的频率单一、频带固定的缺点。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的原理示意图；

图3是本发明的输入回波损耗实测图；

图4是本发明的插入损耗实测图；

图5是本发明的输出回波损耗实测图。

具体实施方式

参照图1，本发明包括上层微带结构1、中间层介质基板2、下层接地金属板3、可控元件4、隔离元件5和输入/输出端口6，该上层微带结构1附着在中间层介质基板2的上表面，中间层介质基板2的下表面为下层接地金属板3，该可控元件4和隔离元件5连接在上层微带结构1中。其中：

微带结构1，包含上下对称的两组微带线段，即第一组微带线段11和第二组微带线段12，这两组微带线段共用一个输入端口，作为输入/输出端口6的输入端口P0，两组微带线段的两个输出端口，作为输入/输出端口6的第一输出端口P1和第二输出端口P2；

中间层介质基板2，采用的材料为FR4，其相对介电常数为4.4，介质基板的厚度为1mm；

下层接地金属板3，采用厚度为35um的铜皮；

可控元件4，包含两个变容二极管和两个限流电阻，其第一变容二极管D1和第一限流电阻R1连接在第一组微带线段11的开路枝节末端，第二变容二极管D2和第二限流电阻R2连接在第二组微带线段12的开路枝节末端；通过调节加载在第一变容二极管D1和第二变容二极管D2负极的直流电压，以调节变容二极管的等效电容，进而调节本发明功率分配器的带宽和中心频率；第一变容二极管D1的正极连接第一限流电阻R1，第二变容二极管D2的正极连接第二限流电阻R2，以实现对变容二极管的限流保护；

隔离元件5，包含隔离电阻R和三个隔直电容C1、C2、C3，该隔离电阻R位于第一输出端口P1和第二输出端口P2之间，用于对第一输出端口P1和第二输出端口P2进行隔离，以减少第一输出端口P1和第二输出端口P2之间的耦合，这三个隔直电容C1、C2和C3分别位于输入/输出端口6的输入端口P0、第一输出端口P1和第二输出端口P2处，用于对输入/输出端口6的这三个端口进行直流隔离；

输入/输出端口6，均采用50欧姆的传输线进行匹配。

所述第一组微带线段11，包含第一传输线111、第二传输线112和第一开路枝节113，该第一传输线111的末端与第二传输线112的始端连接，该第二传输线112的末端与第一开路枝节113的始端连接，该第一开路枝节113的末端与第一变容二极管D1的正极相连；该第一变容二极管D1的正极同时与第一限流电阻R1连接，该第一限流电阻R1通过可控元件4末端的第一过孔41与下层接地金属板3连接，通过调节加载在第一变容二极管D1负极的直流电压改变第一变容二极管D1的等效电容；

所述第二组微带线段12，包含第三传输线121、第四传输线122和第二开路枝节123，该第三传输线121的末端与第四传输线122的始端连接，该第四传输线122的末端与第二开路枝节123的始端连接，该第二开路枝节123的末端与第二变容二极管D2的正极相连；该第二变容二极管D2的正极同时与第二限流电阻R2连接，该第二限流电阻R2通过可控元件4末端的第二过孔42与下层接地金属板3连接，通过调节加载在第二变容二极管D2负极的直流电压改变第二变容二极管D2的等效电容。

参照图2，本发明的工作原理如下：

信号从输入端口P0进入，通过第一组微带线段11和第二组微带线段12的分配，以及可控元件的调节，从第一输出端口P1和第二输出端口P2输出，其中：输入端口P0、第一输出端口P1和第二输出端口P2阻抗均为Z₀；第一组微带线段11包含第一传输线111、第二传输线112和第一开路枝节113，阻抗分别为Z₁、Z₂、Z₃，相应的传输线长度分别为l₁、l₂和l₃；第二组微带线段12与第一组微带线段11上下对称，组成双频传输线；隔离电阻的阻值为R。

假设β₁和β₂分别是两个工作频带的传播常数，f₁和f₂分别是两个工作频带的中心频率，θ₁和θ₂分别是第一传输线111和第二传输线112的传输线的电长度，由于工作频带f₂是f₁的倍频，所以存在关系式β₂=mβ₁成立，其中，m是正整数。为了方便计算，假设第一传输线111和第二传输线112的传输线的长度相等，即l₁=l₂=l。

通过奇偶模的分析方法和传输线基本理论，可计算出阻抗Z₁、Z₂、Z₃和R的大小，分别为：

$Z_1={\sqrt{2}Z}_0\tan {\mathrm{\β}}_{1}l,$

$Z_2=\frac{\sqrt{2}{Z}_0}{\tan {\mathrm{\β}}_{1}l},$

$Z_3=\frac{\sqrt{2}{Z}_0\tan {\mathrm{\β}}_1{l}_3}{1-{\tan }^2{\mathrm{\β}}_{1}l},$

R=2Z₀，

其中： ${\mathrm{\β}}_{1}l=\frac{\mathrm{\π}}{1+m},$ ${\mathrm{\β}}_1{l}_3=\frac{\mathrm{p\π}}{1+m},$ p为正整数；

将m=2，p=2，Z₀=50Ω代入上面六个公式中，可得：

θ₁=θ₂=60°，θ₃=120°；

Z₁=122.5Ω，Z₂=40.8Ω，Z₃=61.2Ω；

R=100Ω。

本发明在实现双频功率分配器的基础上，将可控元件4加载在开路枝节的末端，通过调节第一开路枝节113和第二开路枝节123末端的变容二极管的负极直流电压，能够改变变容二极管的等效电容，进而调节本发明双频带可重构功率分配器的带宽和中心频率，实现双频带可重构功率分配器。

本发明的优点可通过以下实测数据进一步说明：

实测内容1，通过矢量网络分析仪AGILENTN5230A对本发明的双频带可重构功率分配器输入回波损耗的进行测量，测量结果如图3。图3中，横轴表示频率，单位为HZ，范围为500MHZ到2.5GHZ，纵轴表示输入回波损耗，单位为dB，范围为-30dB到0dB，其中输入回波损耗表示输入端口P0的回波损耗，用S11来表示，图3中共有六条曲线，每条曲线上分别标有不同形状的标志，这六条曲线分别表示，在变容二极管负极加载不同直流电压时的S11曲线图，加载的电压分别为0V、2V、4V、6V、8V和10V，由该实测结果可见，本发明的功率分配器具有两个通带，两个通带的中心频率调节范围分别为0.6GHz到1.1GHz和1.5GHz到2GHz，在通带范围内输入回波损耗S11均小于-10dB。

实测内容2，通过矢量网络分析仪AGILENTN5230A对本发明的双频带可重构功率分配器插入损耗的进行测量，测量结果如图4。图4中，横轴表示频率，单位为HZ，范围为500MHZ到2.5GHZ，纵轴表示输入插入损耗，单位为dB，范围为-30dB到0dB，其中插入损耗表示从输入端口P0到第一输出端口P1的插入损耗，用S21来表示，图4中共有六条曲线，每条曲线上分别标有不同形状的标志，这六条曲线分别表示，在变容二极管负极加载不同直流电压时的S21曲线图，加载的电压分别为0V、2V、4V、6V、8V和10V，由该实测结果可见，本发明的功率分配器具有两个通带，两个通带的中心频率调节范围分别为0.6GHz到1.1GHz和1.5GHz到2GHz，在通带范围内插入损耗S21均小于4dB。

实测内容3，通过矢量网络分析仪AGILENTN5230A对本发明的双频带可重构功率分配器输出回波损耗的进行测量，测量结果如图5。图5中，横轴表示频率，单位为HZ，范围为500MHZ到2.5GHZ，纵轴表示输入输出回波损耗，单位为dB，范围为-35dB到0dB，其中输出回波损耗表示第一输出端口P1的回波损耗，用S22来表示，图5中共有六条曲线，每条曲线上分别标有不同形状的标志，这六条曲线分别表示，在变容二极管负极加载不同直流电压时的S22曲线图，加载的电压分别为0V、2V、4V、6V、8V和10V，由该实测结果可见，本发明的功率分配器具有两个通带，两个通带的中心频率调节范围分别为0.6GHz到1.1GHz和1.5GHz到2GHz，在通带范围内输出回波损耗S22均小于10dB。

以上描述仅是本发明的一个具体实例，不构成对本发明的任何限制。显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (2)

1.一种双频带可重构功率分配器，包括上层微带结构(1)、中间层介质基板(2)、下层接地金属板(3)、可控元件(4)、隔离元件(5)和输入/输出端口(6)，该上层微带结构(1)附着在中间层介质基板(2)的上表面，中间层介质基板(2)的下表面为下层接地金属板(3)，该隔离元件(5)连接在上层微带结构(1)中，其特征在于：

所述的微带结构(1)，包含上下对称的两组微带线段，即第一组微带线段(11)和第二组微带线段(12)，这两组微带线段共用一个输入端口，作为输入/输出端口(6)的输入端口P0，两组微带线段的两个输出端口，作为输入/输出端口(6)的第一输出端口P1和第二输出端口P2；

所述的可控元件(4)，包括第一变容二极管D1、第一限流电阻R1和第二变容二极管D2、第二限流电阻R2，位于第一组微带线段(11)和第二组微带线段(12)的开路枝节末端，用于调节两个工作频带的中心频率；

所述的第一组微带线段(11)，包含第一传输线(111)、第二传输线(112)和第一开路枝节(113)，该第一传输线(111)的末端与第二传输线(112)始端连接，该第二传输线(112)末端与第一开路枝节(113)始端连接，该第一开路枝节(113)末端与第一变容二极管D1正极相连；该第一变容二极管D1的正极同时与第一限流电阻R1连接，该第一限流电阻R1与下层接地金属板(3)连接；

所述的第二组微带线段(12)，包含第三传输线(121)、第四传输线(122)和第二开路枝节(123)，该第三传输线(121)的末端与第四传输线(122)始端连接，该第四传输线(122)末端与第二开路枝节(123)始端连接，该第二开路枝节(123)末端与第二变容二极管D2正极相连；该第二变容二极管D2正极同时与第二限流电阻R2连接，该第二限流电阻R2与下层接地金属板(3)连接。

2.根据权利要求1所述的双频带可重构功率分配器，其特征在于所述的隔离元件(5)，包含隔离电阻R和隔直电容C1、C2、C3，该隔离电阻R位于第一输出端口P1和第二输出端口P2之间，用于对第一输出端口P1和第二输出端口P2进行隔离，这三个隔直电容C1、C2和C3分别位于输入/输出端口(6)的输入端口P0、第一输出端口P1和第二输出端口P2处，用于对输入/输出端口(6)的这三个端口进行直流隔离。