CN103560312B - 一种多路不等功率ltcc功分器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多路不等功率LTCC功分器，包括一个输入端和六个输出端，输出端与输入端分别位于陶瓷基板的底面和顶面，通过表面SMP连接器与外部电路连接。采用一分二不等功率分配器和耦合器分别实现输出小功率比和大功率比。通过输出端连接不同长度的蛇形带状线补偿因电路不对称及耦合器输出相位差带来的相位不等，改变某输出端对应蛇形线长度实现所需输出相位。三个不等功率分配器单元都由集总参数元件构成的电抗网络形成，并通过LTCC多层结构实现，极大地缩小了体积。该功分器可作为单独部件使用，连接方便，且具有输出端口之间幅相精度高、隔离度高、体积小、温度稳定性好、方便使用等优点，利于批量生产。

Description

一种多路不等功率LTCC功分器

技术领域

本发明属于微波技术领域，它涉及一种多路功分器，并具体涉及一种六路不等功率不等相位输出的考虑SMP连接的低温共烧陶瓷(LTCC)功分器。

背景技术

现有的多路不等功率功分器一般采用Wilkinson不等功率功分器形式，通过多个不同功分器单元的级联实现多路输出。对Wilkinson功分器单元电路，一般通过四分之一波长的阻抗线实现阻抗匹配，阻抗线的实现采用平面结构，为了实现功分器的平衡性和高隔离度，电路往往较复杂且占用的面积比较大，且实现较大功率比输出时要求较大的阻抗比，从而加大了现有工艺技术的实现难度或根本无法实现。采用平面结构时，多个功分器单元之间的连接也较为复杂，进一步扩大了整个电路的占用面积。因此，对于现有的多路不等功率功分器，其局限性在于占用面积大和难实现大功率比输出。可见实有必要进行改进。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于采用Wilkinson不等功率功分器原理电路和双耦合线耦合器电路提供一种基于LTCC技术并且考虑SMP连接的多路不等功率LTCC功分器。

为解决上述技术问题，本发明提供一种多路不等功率LTCC功分器，包括了一个输入端和六个输出端，其特征在于，该功分器包括功率分配电路和相位补偿电路，而功率分配部分用耦合器来替代不等功率功分器来实现较大的功率比；功率分配电路由三级电路组成，第一级为一个输出功率比为5:8的一分二不等功率A功分器单元，第二级为一个输出功率比为1:4的一分二不等功率B耦合器单元和一个输出功率比为3:5的一分二不等功率C功分器单元并联，第三级为一个输出功率比为2:1的一分二不等功率D功分器单元和一个输出功率比为1:4的一分二不等功率E耦合器单元并联，

其中，第一级A功分器单元的两输出端分别与第二级中的B耦合器单元和C功分器单元的输入端连接，第二级中不等功率C功分器单元的两输出端分别与第三级中D功分器单元和E耦合器单元的输入端连接；而第二级中B耦合器单元经相位补偿电路与输出SMP相连形成功分比为1:4的输出信号；第三级中D功分器单元经相位补偿电路与输出SMP相连形成功分比为2:1的输出信号；第三级中E耦合器单元经相位补偿电路与输出SMP相连形成功分比为1:4的输出信号；

相位补偿电路由不同长度的蛇形带状线组成；各功分器单元由集总参数元件构成的电抗网络形成，各耦合器单元用分布参数耦合线组成；最终输出功率比为1:4:2:1:1:4，依次对应6个输出端口，其中第一、第二、第四、第五、第六这5个端口输出相位相同，而第三端口输出相位比其他端口输出相位短32度，即实现不等功率不等相位的多路LTCC功分器。

该多路不等功率LTCC功分器，包括多层LTCC陶瓷材料的介质基板，介质基板共24层，每层厚度为0.096mm；其中，在介质基板的顶面安装有一个SMP连接器，是该功分器的输入端，在介质基板的底面安装有六个SMP连接器，是该功分器的六个输出端，且这六个端口平行排列；

介质基板上印刷有25层金属层，其中，第0层金属层印刷在第1层介质基板的下表面，第1层金属层印刷与第1层介质基板的上表面，其余从第2层到第24层金属层都采用印刷工艺印制在每层介质基板的上表面。

第4、20金属层为金属地层，并且这两层金属地层通过过孔连接在一起；这两层金属地层为功率分配电路的通用地，且使表层输入、输出端口与内部电路隔开。

第4、12、20金属层为金属地层，并且这三层金属地层通过过孔连接在一起；这三层金属地层为功相位补偿电路即蛇形线的通用地，使上下两层蛇形线隔开，且使蛇形线与表层电路及输入、输出端口隔开。

各功分器单元采用的集总参数电感的形式为单层或多层螺旋电感，根据Wilkinson功分器原理，每个功分器单元的电感由有分布在集总电容两侧的两螺旋电感，不同层之间的金属导体用双通孔实现互连，以增加电路的可靠性。

各功分器单元的集总电容一部分由内埋于陶瓷介质基板的圆形电容片实现，另一部分通过表面（如0603）封装的电阻焊盘实现，其中圆形电容片电容的一极板为电容片，另一极板为第4层金属地层，电阻焊盘电容的一极板为顶层的电阻焊盘，另一极板为第20层金属地层；电容与电感的连接及电阻焊盘与内部电路的连接用双通孔互连实现，以增加电路的可靠性。

各功分器单元输出信号之间的隔离通过陶瓷介质基板顶面贴装0603封装的隔离电阻实现，电阻两端分别与内埋于陶瓷介质基板的两电感相连，所用连接通孔为双通孔，以增加电路的可靠性。

各功分器单元输出信号之间的不同功率比通过改变两侧的螺旋电感值及隔离电阻值实现。

各耦合器单元采用分布参数设计，具体用宽边耦合形式的上下两层耦合带状线实现，为缩小耦合器尺寸，该耦合线用曲线形式实现，输出信号之间的隔离通过表层0603封装电阻实现，同样耦合器与表层电阻及与相位补偿部分的连接采用双通孔来增加电路的可靠性。

各耦合器单元输出信号的不等功率比通过调整两耦合线之间的耦合间距实现。

各耦合器单元上下两层耦合线中间只隔一层LTCC介质基板。

内部每个单元电路、相位补偿线及各单元之间的连接线均用隔离地孔或隔离地条来隔离。

本多路不等功率功分器包括一个输入端和六个输出端，该功分器包括功率分配部分和相位补偿部分，功率分配部分由三级电路组成，包括3个不等功率功分器和2个不等功率耦合器。为了减小尺寸，不等功率功分器用集总参数实现，耦合器用曲线形式实现，并通过LTCC多层结构来实现电路的集成。集总参数电感采用平面或垂直结构的螺旋电感，不同层之间的导体通过通孔实现互连，显著减小了功分器单元的尺寸。功分器和耦合器的隔离通过表贴电阻实现，基于LTCC多层陶瓷的特点，表贴电阻的焊盘可作为电路中的集总参数的电容的一部分。三级电路之间采用平面连接结构，成列排布，其中第一级电路位于中间部分，第二级电路中的耦合器和功分器分布与第一级电路的两侧，第三级电路中的功分器和耦合器分布于第二级功分器电路的两侧；输入端、内部电路以及输出端之间垂直分层排列结构，缩小了整个电路的面积；相位补偿部分蛇形线电路采用分层结构实现较长的相移，减小了相位补偿部分的尺寸；输入输出端与内部电路之间、上下层蛇形线之间通过地层进行隔离，各单元电路及单元电路之间的连接线用隔离地条或隔离地孔进行隔离，从而减小了电路之间的耦合及外部电路的干扰。

此外，考虑到实际应用，本发明所述多路不等功率LTCC功分器的输入、输出端采用表贴SMP连接器。该功分器可作为单独的部件使用，连接方便。

本发明所达到的有益效果：

该功分器可作为单独部件使用，连接方便，且具有输出端口之间幅相精度高、隔离度高、体积小、温度稳定性好、方便使用等优点，不存在特殊或复杂工艺，有利于批量生产。

附图说明

图1是本发明的多路不等功率LTCC功分器的原理结构图；

图2a是本发明一实施例的多路不等功率LTCC功分器的分层结构示意图；

图2b是本发明一实施例的多路不等功率LTCC功分器的电路结构示意图（隐去地金属面和地通孔）；

图3a是本发明一实施例的多路不等功率LTCC功分器的顶层示意图；

图3b是本发明一实施例的多路不等功率LTCC功分器的底层示意图；

图4a是本发明一实施例的多路不等功率LTCC功分器的输出幅度曲线图；

图4b是本发明一实施例的多路不等功率LTCC功分器的输出相位曲线图；

图4c是本发明一实施例的多路不等功率LTCC功分器的输出端口之间的隔离曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明的多路不等功率LTCC功分器，包括一个输入端和六个输出端，输出端口与输入端口分别位于陶瓷体的底面和顶面，通过表面SMP连接器实现与外部电路的连接，输出端口平行排布，输出端口的功率比是1:4:2:1:1:4。根据所需输出功率比不同，所述多路不等功率功分器采用一分二不等功率功分器和耦合器分别实现小功率比（1:2、5:8、3:5）和大功率比（1:4）。所述多路不等功率功分器的功率分配部分由三级电路组成，第一级为一个输出功率比为5:8的一分二不等功率功分器单元，第二级为一个输出功率比为1:4的一分二不等功率耦合器单元和一个输出功率比为3:5的一分二不等功率功分器单元并联，第三级为一个输出功率比为2:1的一分二不等功率功分器单元和一个输出功率比为1:4的一分二不等功率耦合器单元并联，其中第二级中不等功率功分器单元与第三级电路连接，而第二级中耦合器单元直接输出；所述多路不等功率功分器还包括相位补偿部分，通过输出端口连接不同长度的蛇形带状线来补偿因电路不对称及耦合器输出相位差带来的相位不等，也可以改变某输出端口对应蛇形线长度来实现所需输出相位。三个不等功率功分器单元都由集总参数元件构成的电抗网络形成，并通过LTCC多层结构实现这些元件，极大地缩小了体积，两个耦合器单元则采用分布参数设计。功分器单元和耦合器单元的隔离电阻在LTCC介质的第24层即顶面，通过0603封装的贴装电阻实现。输入、输出与内部电感、电容之间通过第4层和第20层的金属地层相隔离，内部每个单元电路、相位补偿线及各单元之间的连接线均用隔离地孔或隔离地条来实现隔离。

图1是多路不等功率LTCC功分器的拓扑结构原理图，图中A为第一级电路，B、C为第二级电路，D、E为第三级电路，其中A、C、D为不等功率功分器单元，B、E为不等功率耦合器单元，①②③④⑤⑥为六个输出端，相位补偿部分没有在此图中体现。

图2a、2b是多路不等功率LTCC功分器的结构示意图，图中所示陶瓷体共24层LTCC介质基板、25层印刷金属层，图中图层标示为印刷金属层的标示，其中陶瓷体的底面定义为印刷金属第0层，输入端口in在陶瓷体的顶面，输出端口out在陶瓷体的底面，均可通过SMP焊盘的接头与其它电路相连。具体封装及外形结构如图3a、3b所示。

图2a中，第0层金属层印刷在第1层介质基板的下表面，第1层金属层印刷与第1层介质基板的上表面，其余从第2层到第24层金属层都采用印刷工艺印制在每层介质基板的上表面。所有的介质基板都是型号和批次相同的LTCC陶瓷材料。

图2a中，第4、12、20层金属层为地层，电路中的隔离地孔或隔离地条、电阻和接头的接地焊盘通过单通孔的形式与这三层地层相连，实现整个电路中的金属地互连，通过接头焊盘与其它电路的地连接，从而达到电路有效接地和本电路与其它电路连接时系统共地的目的。

第0层金属层中的输出端口、第24层金属层中的输入端口与内部电路之间的连接和第8层金属层中的相位补偿线、第16层金属层中的相位补偿线、第24层金属层中的相位补偿线之间的连接以及第24层金属层中的电阻焊盘与内部电路之间的连接均用双通孔的形式实现，且连接通孔均穿过第4、第12和第20层的地层，为了避免出现短路，在每层地层每个连接双通孔的相应位置开一直径为0.84mm的孔。

图2b中，第5层金属层中具有三个不等功率功分器单元电路的电容，电容均为圆形结构，该电容的一极板为第5层金属层中的圆形电容片，另一极板为第4层的金属地层，可通过改变圆形电容片的尺寸来改变电容的大小，该电容与功分器集总电感之间的连接用双通孔实现。第24层金属层中的隔离电阻焊盘也是功分器电路的电容，其一极板为第24层金属层中的电阻焊盘，另一极板为第20层的金属地层，可通过在第20层金属地层上开槽来改变电容的大小。

不等功率功分器单元的电感位于第11层、第12层、第13层金属层，不同层电感之间的连接用双通孔实现。每个功分器单元电路的集总电感包括分布于隔离电阻两侧的两个螺旋电感，根据输出信号功率比的不同，此两螺旋电感的尺寸和电感圈数不同。

耦合器单元的上下两层耦合线分别位于第11层和第12层金属层，耦合器单元的输出功率比通过两层耦合线的耦合间距实现，而耦合间距的变化直接影响电路的输出功率比，此时要求第11层和第12层有较高的对位精度。本发明中所述输出功率比为1:4的耦合器单元，其耦合间距为0.258mm，耦合线线宽为0.185mm。

相位补偿部分的相移线印刷在第8层、第12层、第16层和第24层金属层，由于输出端与输入端之间的电路和连接线长度不同及设计所要求输出相位的不同，每个端口所需的相位补偿线长度也不同。对本发明所阐述的电路来说，输出端口①②所需补偿相移线最长，分布在第8层、第16层和第24层金属层；输出端口③所需补偿相移线次之，分布在第8层和第24层金属层；输出端口⑤所需补偿相位再次之，分布于第12层和第24层金属层；④⑥不需补偿相位，单元电路的输出直接与SMP接头相连。其中输出端口①②③的补偿相移线共有三层金属地层（4层、12层、20层）实现隔离，输出端口④⑤⑥则有两层金属地层（4层、20层）实现隔离，输出端口对应的补偿相移线单元与外围电路用隔离地条隔开。补偿相移线的最小线宽为0.12mm，为减小同层蛇形线之间的互耦，同层蛇形线之间的最小距离为0.58mm。

各单元电路之间通过带状线实现连接，连接带状线印刷于第12层金属层，用隔离地孔隔开。

电路中所有的连接通孔包括单通孔和双通孔均为直径0.13mm的圆柱形孔，且通孔对应每层金属层均需在相应位置印刷一圆形或椭圆形的金属导体，实现承上启下的作用，保证同一孔位不同层介质之间通孔的有效连接。

本发明LTCC多路平衡功分器的整体外形结构示意图如图3a、3b所示。整个器件尺寸为10mm×83.5mm×2.3mm，采用的LTCC陶瓷介质的相对介电常数为7.8，每层介质的厚度为0.096mm，金属导体采用金。

本发明多路不等功率LTCC功分器的测试结果如图4a、4b、4c所示。

该功分器的工作频率为1975MHz～2015MHz，中心频点处的插入损耗分别为12.93dB、6.88dB、10.49dB、12.74dB、12.53dB、6.54dB(包含了功分器、耦合器和相位补偿蛇形线的固有损耗)，输出端口之间的相位精度在±1度范围内，幅度精度在±0.5dB范围内，隔离度大于30dB。

综上，本发明提供的多路不等功率LTCC功分器具有输出信号幅相精度高、隔离度高、体积小、插入损耗小的优点，可以直接与电缆连接，组装方便。而且本发明功分器是基于LTCC工艺的，无特殊或复杂工艺，适合批量生产。该多路功分器可广泛应用于无线通信领域。

需要注意的是，上述具体实施仅仅是示例性的，在本发明的上述指导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行各种改进和变形，而这些改进或者变形都在本发明的保护范围内。

本领域技术人员应该明白，上面的具体描述只是为了解释本发明的目的，并非用于限制发明。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (12)

1. 一种多路不等功率LTCC功分器，包括了一个输入端和六个输出端，其特征在于，该功分器包括功率分配电路和相位补偿电路；功率分配电路由三级电路组成，第一级为一个输出功率比为5:8的一分二不等功率A功分器单元，第二级为一个输出功率比为1:4的一分二不等功率B耦合器单元和一个输出功率比为3:5的一分二不等功率C功分器单元并联，第三级为一个输出功率比为2:1的一分二不等功率D功分器单元和一个输出功率比为1:4的一分二不等功率E耦合器单元并联；

其中，第一级A功分器单元的两输出端分别与第二级中的B耦合器单元和C功分器单元的输入端连接，第二级中不等功率C功分器单元的两输出端分别与第三级中D功分器单元和E耦合器单元的输入端连接；而第二级中B耦合器单元经相位补偿电路与输出SMP连接器相连形成功分比为1:4的输出信号；第三级中D功分器单元经相位补偿电路与输出SMP连接器相连形成功分比为2:1的输出信号；第三级中E耦合器单元经相位补偿电路与输出SMP连接器相连形成功分比为1:4的输出信号；

相位补偿电路由不同长度的蛇形带状线组成；各功分器单元由集总参数元件构成的电抗网络形成，各耦合器单元用分布参数耦合线组成；最终输出功率比为1:4:2:1:1:4，依次对应第一至第六输出端口，其中第一、第二、第四、第五、第六这5个端口输出相位相同，而第三端口输出相位比其他端口输出相位落后32度，即实现不等功率不等相位的多路LTCC功分器。

2.根据权利要求1所述的多路不等功率LTCC功分器，其特征在于，包括多层LTCC陶瓷材料的介质基板，介质基板共24层，每层厚度为0.096mm；其中，在介质基板的顶面安装有一个SMP连接器，是该功分器的输入端，在介质基板的底面安装有六个SMP连接器，是该功分器的六个输出端，且这六个端口平行排列；

介质基板上印刷有25层金属层，其中，第0层金属层印刷在第1层介质基板的下表面，第1层金属层印刷于第1层介质基板的上表面，其余从第2层到第24层金属层都采用印刷工艺印制在每层介质基板的上表面。

3.根据权利要求2所述的多路不等功率LTCC功分器，其特征在于，第4、20金属层为金属地层，并且这两层金属地层通过过孔连接在一起；这两层金属地层为功率分配电路的通用地，且使表层输入、输出端口与内部电路隔开。

4.根据权利要求2所述的多路不等功率LTCC功分器，其特征在于，第4、12、20金属层为金属地层，并且这三层金属地层通过过孔连接在一起；这三层金属地层为相位补偿电路即蛇形带状线的通用地，使上下两层蛇形带状线隔开，且使蛇形带状线与表层电路及输入、输出端口隔开。

5.根据权利要求2所述的多路不等功率LTCC功分器，其特征在于，各功分器单元采用的集总参数电感的形式为单层或多层螺旋电感，每个功分器单元的电感由分布在集总电容两侧的两螺旋电感组成，不同层之间的金属层采用双通孔互连。

6.根据权利要求5所述的多路不等功率LTCC功分器，其特征在于，各功分器单元的集总电容一部分由内埋于陶瓷介质基板的圆形电容片实现，另一部分通过表面封装的电阻焊盘实现，其中圆形电容片电容的一极板为电容片，另一极板为第4层金属地层，电阻焊盘电容的一极板为顶层的电阻焊盘，另一极板为第20层金属地层；电容与电感的连接及电阻焊盘与内部电路的连接采用双通孔互连。

7.根据权利要求2所述的多路不等功率LTCC功分器，其特征在于，各功分器单元输出信号之间的隔离通过陶瓷介质基板顶面贴装0603封装的隔离电阻实现，电阻两端分别与内埋于陶瓷介质基板的两电感相连，所用连接通孔为双通孔。

8.根据权利要求5所述的多路不等功率LTCC功分器，其特征在于，各功分器单元输出信号之间的隔离通过陶瓷介质基板顶面贴装0603封装的隔离电阻实现，各功分器单元输出信号之间的不同功率比通过改变两侧的螺旋电感值及隔离电阻值实现。

9.根据权利要求1所述的多路不等功率LTCC功分器，其特征在于，各耦合器单元采用分布参数设计，用宽边耦合形式的上下两层耦合带状曲线实现，输出信号之间的隔离通过表层0603封装电阻实现，耦合器单元与表层电阻及与相位补偿电路的连接采用双通孔互连。

10.根据权利要求9所述的多路不等功率LTCC功分器，其特征在于，各耦合器单元输出信号的不等功率比通过调整两层耦合带状曲线之间的耦合间距实现。

11.根据权利要求9所述的多路不等功率LTCC功分器，其特征在于，各耦合器单元上下两层耦合带状曲线中间只隔一层LTCC介质基板。

12.根据权利要求1或2所述的多路不等功率LTCC功分器，其特征在于，内部每个单元电路、相位补偿线及各单元之间的连接线均用隔离地孔或隔离地条来隔离。