CN103943930A - 一种ltcc多路平衡功分器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种LTCC多路平衡功分器，包括一个输入端和六个输出端，输出端口成环形排列。该功分器由一个一分三功分器单元和三个相同的一分二功分器单元串联形成，两种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。该功分器的信号输入和输出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，输入、输出与内部电感、电容之间通过金属地相隔离，内部第一级电路的电感与第二级电路的电感之间用金属条隔离。该功分器具有输出端口之间的幅度一致性和相位一致性高、隔离度高、体积小、成本低、温度稳定性好、方便使用等优点，有利于批量生产。

Description

一种LTCC多路平衡功分器

 

技术领域

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

背景技术

多路等功率功分器是射频电路中一个重要的多端口无源器件，它的主要功能是实现输入信号的多路等功率等相位分配，或者相反实现多个输入信号的等功率等相位合成。一个好的多路等功率功分器要求各路信号的幅度和相位一致性好、各路信号之间的隔离度高、以及工作频带比较宽、插入损耗小。另外使多路功分器的体积尽可能小以及安装、连接方便也是电子系统向小型化、轻量化发展的需要。

传统的多路等功率功分器一般采用Wilkinson功分器形式，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，例如受平面结构的限制，一分三功分器中距离较远的两个端口之间的隔离电阻难布局，往往省略，这样做的结果是隔离度降低；受平面布局的限制，三路输出口之间的平衡性较难达到一致；为了提高隔离度和改善输出信号的一致性需要变换走线形式，增加电路的复杂性，同时也会增加电路的面积，不能满足射频电路对小型化的要求。

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功分器原理电路提供一种基于LTCC技术并且考虑SMP连接的多路平衡功分器。

为解决上述技术问题，本发明提供一种LTCC多路平衡功分器，包括了一个输入端和六个输出端，其特征在于，该功分器由第一级电路中的一个等功分的一分三功分器单元和第二级电路中的三个相同的等功分一分二功分器单元串联形成，六个输出端成环形排列，两种功分器单元都由集总参数元件构成的电抗网络形成；集总参数元件构成的电抗网络导体印刷在LTCC多层生瓷表面，并通过打孔、填孔、网印、层压、烧结等工艺形成电路；输入端、输出端分别由位于陶瓷体底面和顶面的SMP连接器实现；输入端信号通过一分三功分器单元的T型结分成三路信号，其中，第一路信号通过L11电感和其两端与地间并联的C11_1电容、C11_2电容构成的电抗网络与第二级电路相连；第二路信号通过L12电感和其两端与地间并联的C12_1电容、C12_2电容构成的电抗网络与第二级电路相连；第三路信号通过电感L13和其两端与地间并联的C13_1电容、C13_2电容构成的电抗网络与第二级电路相连；这三路信号电抗网络末端通过三个两两相连的第一级隔离电阻实现隔离；

第一级的三个输出信号通过带状线连接到第二级电路的输入端；第二级电路的第一路信号通过L21_1电感和其两端与地间并联的C21_1电容、C21_2电容构成的电抗网络实现，第二路信号通过L21_2电感和其两端与地间并联的C21_3电容、C21_4电容构成的电抗网络实现，第三路信号通过L22_1电感和其两端与地间并联的C22_1电容、C22_2电容构成的电抗网络实现，第四路信号通过L22_2电感和其两端与地间并联的C22_3电容、C22_4电容构成的电抗网络实现，第五路信号通过L23_1电感和其两端与地间并联的C23_1电容、C23_2电容构成的电抗网络实现，第六路信号通过L23_2电感和其两端与地间并联的C23_3电容、C23_4电容构成的电抗网络实现；第二级电路的第一路和第二路信号、第三路和第四路信号、第五路和第六路信号的电抗网络末端分别通过第二级隔离电阻相连实现隔离；第二级电路最终输出六路等幅度和等相位的信号。

该功分器包括多层介质基板，介质基板共18层，每层厚度为0.1mm；其中，在最下层介质基板的底面安装有一个SMP连接器，是该功分器的输入端，在最上层介质基板的顶面安装有六个SMP连接器，是该功分器的六个输出端，且这六个输出端的端口成环形排列。

各电抗网络中的电感采用单层或多层螺旋电感，不同层之间的导体用通孔实现互连。

所述C11_1电容、C12_1电容、C13_1电容组合后位于输入端的T型结连接处，所述C11_2电容、C12_2电容、C13_2电容、C21_1电容、C21_3电容、C22_1电容、C22_3电容、C23_1电容、C23_3电容组合后一部分位于第一级电路到第二级电路的T型结连接处，另一部分通过表面0603封装的电阻焊盘实现，所述C21_2电容、C21_4电容、C22_2电容、C22_4电容、C23_2电容、C23_4电容组合后通过表面0603封装的电阻焊盘实现。

所述的第一级隔离电阻设在第18层介质基板的上表面，通过贴装0603封装的电阻实现，电阻两端的导体通过过孔分别连接于第一级中三个电抗网络的末端，成三角形式两两首尾相连。

所述的第二级隔离电阻也设在第18层介质基板的上表面，通过贴装0603封装的电阻实现，电阻两端的导体分别和第二级中每个一分二功分器单元中的两个电抗网络的末端相连，成三角形式排列于第一级隔离电阻的外围。

第4、14层介质基板上的金属导体层为金属地面，并且这两层金属地面通过过孔连接在一起；这两层金属地为第一级、第二级电路的通用地，且使输入端、输出端的端口与内部电路隔开。

最下层的介质基板下表面为输入端焊盘；该焊盘通过通孔连接到设置在第8层上的T型结，把输入信号分成呈120度角间隔的三路。

所述的第13层圆形导体为电容C11_1、C12_1、C13_1的一个极板，另外极板是第14层的金属地面。

第5层介质基板上设置物理位置相差120度的圆形导体，分别作为C21_1电容与C21_3电容组合、C22_1电容与C22_3电容组合、C23_1电容与C23_3电容组合后的一个板极，这些电容组合后的另外一个极板是第4层介质基板上的金属地面。

所述第18层上的第一级隔离电阻的焊盘分别为C11_2电容、C12_2电容、C13_2电容的一个极板，C11_2电容、C12_2电容、C13_2电容的另外一个极板是第14层介质基板上的金属地面；所述第18层上的第二级隔离电阻的焊盘分别为C21_2电容与C21_4电容组合、C22_2电容与C22_4电容组合、C23_2电容与C23_4电容组合后的一个板极，这些组合后的电容的另外一个极板是第14层介质基板上的金属地面。

位于第8层介质基板上的金属导体层构成平面螺旋的L11电感、L12电感、L13电感，三个电感一端共连另一端成120度间隔排列；

所述第8、9、10层介质基板上的金属导体层构成六个垂直螺旋的L21_1电感、L21_2电感、L22_1电感、L22_2电感、L23_1电感、L23_2电感，其中L21_1电感、L21_2电感平行排列，L22_1电感、L22_2电感平行排列，L23_1电感、L23_2电感平行排列，且L21_1电感、L21_2电感与L22_1电感、L22_2电感以及L23_1电感、L23_2电感之间成间隔120度的三角形式排列，即朝向一个中心点，间隔成120角度排列。

所述第8、9、10层介质基板上的垂直螺旋电感，每一层都是由宽度为0.22mm的带状线绕成3/4矩形，然后通过垂直通孔将上下两层微带线连接在一起；

这三个电感的始端都在第8层，并和设置在第9层上的T型结通过通孔相连，三个电感的终端在第10层，并通过通孔分别和第18层的第二级隔离电阻相连。

所述第8层介质基板上的电感为平面螺旋电感，由宽度为0.15mm的带状线绕成1.5圈的矩形；

这三个电感的始端都在第8层，相交到中心位置，形成相差120度的T型结，并和位于最下层的介质基板下表面的输入端通过通孔相连，三个电感的终端在第8层，并通过通孔分别和第9层的T型结相连，以及和第18层的第一级隔离电阻相连。

本发明所达到的有益效果：

本发明的功分器采用两级含阻抗变换器的等功分电路实现六路平衡功分器。阻抗变换器一般采用四分之一波长的微波传输线来实现，为了减小功分器的体积，四分之一波长的微波传输线可以用集总参数的电抗网络来等效，并通过LTCC多层结构来实现集总参数电抗网络。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。功分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，且各电阻可最大限度的紧凑排列。本功分器的内部电路、隔离电阻和输出端口均采用环形排列形式，这样实现既可以保证输出信号的一致性和高隔离度，又可以显著地减小功分器的尺寸。两级电路之间采用平面与垂直连接相结合的结构，其中第一级电路位于整个电路的中间部分，第二级电路位于整个电路的外围，成120度形式排列，输入端、内部电路以及输出端之间垂直分层排列，通过金属地层进行隔离，内部第一级电路的电感与第二级电路的电感之间用金属条隔离，可以减小电路之间的耦合，同时显著地减小了功分器的尺寸。

此外，考虑到功分器的使用，在功分器的输入、输出端表面贴装SMP连接器。该功分器可作为单独的部件使用，连接方便。

附图说明

图1是本发明的LTCC一分三等功分器的原型电路图；

图2是本发明的LTCC多路平衡功分器的等效集总参数电路图；

图3a是本发明具体实施方式所述的LTCC多路平衡功分器的分层结构示意图；

图3b是本发明具体实施方式所述的LTCC多路平衡功分器的电路结构示意图（隐去金属地层和地层上的通孔）；

图4是本发明具体实施方式所述的LTCC多路平衡功分器的外形示意图；

图5a、5b、5c是本发明具体实施方式所述的LTCC多路平衡功分器的测试结果，分别为输出幅度、输出相位、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。

图1是本发明的LTCC一分三等功分器的原型电路图。图中阻抗变换器的长度都是四分之一波长的传输线。图2是本发明的LTCC多路平衡功分器的等效集总参数电路图。本发明的目的就是用LTCC工艺在尽可能小的体积范围内实现图2中的所有电容、电感以及电阻元件。

图3a、图3b所示是采用LTCC实现图2中所有集总参数元件的三维结构图。图中共18层介质层，为了说明连接关系，层与层之间尽量拉开了距离。本发明功分器的实际封装结构图如图4所示。

图3a、图3b中，第1层金属位于第1层介质基板的上表面，第2层金属位于第2层介质基板的上表面，依次类推，第18层金属位于第18层介质基板的上表面。第1层到第18层金属都采用印刷工艺印制在每层介质基板的上表面，底面的金属印制在第1层介质基板的下表面。所有的介质基板都是相同型号的LTCC陶瓷材料。

第4、14金属导体层为地层，并且这两层金属地通过通孔相连，这两层金属地为第一级、第二级电路的通用地，且使输入端、输出端的端口与内部电路隔开。底面的输入端焊盘通过通孔与第8层上的第一级电感相连，用于导入信号。第13层的圆形金属导体为接地电容C11_1、C12_1、C13_1的一个极，这三个电容的另外一个极是第14层的金属地。电容C11_2、C12_2、C13_2的一个极由位于第18层上的第一级隔离电阻的焊盘构成，这三个电容的另外一个极是第14层的金属地。第8层有一端连接在一起且呈Y形排列的金属导体构成平面螺旋电感，分别为电感L11、 L12、L13，Y型金属用于把输入信号分成三路信号。第9层金属导体是三个T型结，和第8层的导体相连，用于把输入信号分成两路信号，即将第一级的三路信号再分成六路信号。第5层上的三个圆形金属导体分别为电容C21_1和C21_3、电容C22_1和C22_3、电容C23_1和C23_3的组合，通过通孔与T型结相连。通过此T型结分开的信号分别和电感L21_1、L21_2、L22_1、L22_2、L23_1、L23_3通过通孔相连。电容C21_2、C21_4、C22_2、C22_4、C23_2、 C23_4的一个电极由位于第18层上的第二级隔离电阻的焊盘构成，这六个电容的另外一个极是第14层的金属地。两级的隔离电阻都在第18层上。

第4、14层上连接输入端、输出端以及隔离电阻的通孔位置对应的金属地上分别开了直径为0.56mm的过孔，便于直径为0.15mm的通孔通过。为了加强输出端口的匹配，这层金属地的相应输出端位置都剪掉了2.1mm×1.8mm面积的矩形块。

第8层成Y型排列的金属构成的电感为平面螺旋电感，由宽度为0.15mm的带状线绕成1.5圈的矩形。

第8、9、10层金属构成的电感为垂直螺旋电感，每一层都是由宽度为0.22 mm的带状线绕成3/4矩形，然后通过垂直金属通孔将上下两层微带线连接在一起。

所有金属通孔的直径为0.15mm，而且每一层的金属微带线如果要与金属通孔相连，必须在金属微带线与金属通孔相连的位置加上直径为0.25mm的圆形金属。

本发明LTCC多路平衡功分器的整体外形结构示意图如图4所示，包括输入端、输出端和接地端。整个器件尺寸为22.5mm×22.5mm×2.0mm，采用的LTCC陶瓷介质的相对介电常数为7.8，每层介质基板的厚度为0.1mm，其上的金属导体采用银或金。

本发明LTCC多路平衡功分器的测试结果如图5a、图5b和图5c所示。

该功分器的工作频率为2100MHz～2200MHz，相对带宽为23%，插入损耗小于9.3dB(包含了功分器固有的7.6dB损耗)，相位不平衡度小于3^o，幅度不平衡度小于0.2dB，隔离度大于20dB。

综上，本发明提供的考虑外形结构的LTCC多路平衡功分器具有输出信号一致性好、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，制造成本低，适合批量生产。该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 (14)

1. 一种LTCC多路平衡功分器，包括了一个输入端和六个输出端，其特征在于，该功分器由第一级电路中的一个等功分的一分三功分器单元和第二级电路中的三个相同的等功分一分二功分器单元串联形成，六个输出端成环形排列，两种功分器单元都由集总参数元件构成的电抗网络形成；集总参数元件构成的电抗网络导体印刷在LTCC多层生瓷表面，并通过打孔、填孔、网印、层压、烧结等工艺形成电路；输入端、输出端分别由位于陶瓷体底面和顶面的SMP连接器实现；输入端信号通过一分三功分器单元的T型结分成三路信号，其中，第一路信号通过L11电感和其两端与地间并联的C11_1电容、C11_2电容构成的电抗网络与第二级电路相连；第二路信号通过L12电感和其两端与地间并联的C12_1电容、C12_2电容构成的电抗网络与第二级电路相连；第三路信号通过电感L13和其两端与地间并联的C13_1电容、C13_2电容构成的电抗网络与第二级电路相连；这三路信号电抗网络末端通过三个两两相连的第一级隔离电阻实现隔离；

第一级的三个输出信号通过带状线连接到第二级电路的输入端；第二级电路的第一路信号通过L21_1电感和其两端与地间并联的C21_1电容、C21_2电容构成的电抗网络实现，第二路信号通过L21_2电感和其两端与地间并联的C21_3电容、C21_4电容构成的电抗网络实现，第三路信号通过L22_1电感和其两端与地间并联的C22_1电容、C22_2电容构成的电抗网络实现，第四路信号通过L22_2电感和其两端与地间并联的C22_3电容、C22_4电容构成的电抗网络实现，第五路信号通过L23_1电感和其两端与地间并联的C23_1电容、C23_2电容构成的电抗网络实现，第六路信号通过L23_2电感和其两端与地间并联的C23_3电容、C23_4电容构成的电抗网络实现；第二级电路的第一路和第二路信号、第三路和第四路信号、第五路和第六路信号的电抗网络末端分别通过第二级隔离电阻相连实现隔离；第二级电路最终输出六路等幅度和等相位的信号。

2.根据权利要求1所述的LTCC 多路平衡功分器，其特征在于，该功分器包括多层介质基板，介质基板共18层，每层厚度为0.1mm；其中，在最下层介质基板的底面安装有一个SMP连接器，是该功分器的输入端，在最上层介质基板的顶面安装有六个SMP连接器，是该功分器的六个输出端，且这六个输出端的端口成环形排列。

3.根据权利要求1所述的LTCC 多路平衡功分器，其特征在于，各电抗网络中的电感采用单层或多层螺旋电感，不同层之间的导体用通孔实现互连。

4.根据权利要求1所述的LTCC 多路平衡功分器，其特征在于，所述C11_1电容、C12_1电容、C13_1电容组合后位于输入端的T型结连接处，所述C11_2电容、C12_2电容、C13_2电容、C21_1电容、C21_3电容、C22_1电容、C22_3电容、C23_1电容、C23_3电容组合后一部分位于第一级电路到第二级电路的T型结连接处，另一部分通过表面0603封装的电阻焊盘实现，所述C21_2电容、C21_4电容、C22_2电容、C22_4电容、C23_2电容、C23_4电容组合后通过表面0603封装的电阻焊盘实现。

5.根据权利要求1、2所述的LTCC 多路平衡功分器，其特征在于，所述的第一级隔离电阻设在第18层介质基板的上表面，通过贴装0603封装的电阻实现，电阻两端的导体通过过孔分别连接于第一级中三个电抗网络的末端，成三角形式两两首尾相连。

6.根据权利要求5所述的LTCC 多路平衡功分器，其特征在于，所述的第二级隔离电阻也设在第18层介质基板的上表面，通过贴装0603封装的电阻实现，电阻两端的导体分别和第二级中每个一分二功分器单元中的两个电抗网络的末端相连，成三角形式排列于第一级隔离电阻的外围。

7.根据权利要求2所述的LTCC 多路平衡功分器，其特征在于，第4、14层介质基板上的金属导体层为金属地面，并且这两层金属地面通过过孔连接在一起；这两层金属地为第一级、第二级电路的通用地，且使输入端、输出端的端口与内部电路隔开。

8.根据权利要求2所述的LTCC多路平衡功分器，其特征在于，最下层的介质基板下表面为输入端焊盘；该焊盘通过通孔连接到设置在第8层上的T型结，把输入信号分成呈120度角间隔的三路。

9.根据权利要求2所述的LTCC 宽带功分器，其特征在于，所述的第13层圆形导体为电容C11_1、C12_1、C13_1的一个极板，另外极板是第14层的金属地面。

10.根据权利要求2或4所述的LTCC 多路平衡功分器，其特征在于，第5层介质基板上设置物理位置相差120度的圆形导体，分别作为C21_1电容与C21_3电容组合、C22_1电容与C22_3电容组合、C23_1电容与C23_3电容组合后的一个板极，这些电容组合后的另外一个极板是第4层介质基板上的金属地面。

11.根据权利要求5所述的LTCC 多路平衡功分器，其特征在于，所述第18层上的第一级隔离电阻的焊盘分别为C11_2电容、C12_2电容、C13_2电容的一个极板，C11_2电容、C12_2电容、C13_2电容的另外一个极板是第14层介质基板上的金属地面；所述第18层上的第二级隔离电阻的焊盘分别为C21_2电容与C21_4电容组合、C22_2电容与C22_4电容组合、C23_2电容与C23_4电容组合后的一个板极，这些组合后的电容的另外一个极板是第14层介质基板上的金属地面。

12.根据权利要求2所述的LTCC多路平衡功分器，其特征在于，位于第8层介质基板上的金属导体层构成平面螺旋的L11电感、L12电感、L13电感，三个电感一端共连另一端成120度间隔排列；

所述第8、9、10层介质基板上的金属导体层构成六个垂直螺旋的L21_1电感、L21_2电感、L22_1电感、L22_2电感、L23_1电感、L23_2电感，其中L21_1电感、L21_2电感平行排列，L22_1电感、L22_2电感平行排列，L23_1电感、L23_2电感平行排列，且L21_1电感、L21_2电感与L22_1电感、L22_2电感以及L23_1电感、L23_2电感之间成间隔120度的三角形式排列。

13.根据权利要求12所述的LTCC 多路平衡功分器，其特征在于，所述第8、9、10层介质基板上的垂直螺旋电感，每一层都是由宽度为0.22mm的带状线绕成3/4矩形，然后通过垂直通孔将上下两层微带线连接在一起；

这三个电感的始端都在第8层，并和设置在第9层上的T型结通过通孔相连，三个电感的终端在第10层，并通过通孔分别和第18层的第二级隔离电阻相连。

14.根据权利要求2所述的LTCC 多路平衡功分器，其特征在于，所述第8层介质基板上的电感为平面螺旋电感，由宽度为0.15mm的带状线绕成1.5圈的矩形；

这三个电感的始端都在第8层，相交到中心位置，形成相差120度的T型结，并和位于最下层的介质基板下表面的输入端通过通孔相连，三个电感的终端在第8层，并通过通孔分别和第9层的T型结相连，以及和第18层的第一级隔离电阻相连。