CN104022334A - 一种微波四频功分器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微波四频功分器，其属于多频功分器领域。该四频功分器包含了一个隔离电阻和两个结构相同的四频阻抗变换器，其中，四频阻抗变换器是由两段相同传输线和三对组合短截线构成，组合短截线可由两个开路短截线并联而成或者两个短路短截线并联而成或者一个开路短截线和一个短路短截线并联而成。通过将两个结构相同的四频阻抗变换器以并联形式连接并加载隔离电阻从而实现四频功分器，其中，两对组合短截线分别位于两段传输线的两侧，另一对组合短截线位于两段传输线的中间位置。本设计电路简单，布局平面化，可使用PCB工艺，以微带电路形式实现，成本低，只需较少调试。

Description

一种微波四频功分器

技术领域：

本发明涉及一种微波四频功分器，其属于多频功分器领域。

背景技术：

现有多频功分器的实现方案一般有以下几种：

1)对功分器输出端口的传输线进行拓展。通过选取合适的特性阻抗，电长度和隔离电阻实现双频工作，结构简单，但不适用于高阶多频功分器的设计。

2)利用T型开路支节线或者短路支节线替代四分之一波长传输线实现三频功分器。T型支节线不但结构复杂，不易提取结构参数使得其具有类似于四分之一波长传输线的阻抗变换特性，而且实现的三个工作频点间有限定关系，不便于设计独立的工作频率。

3)利用多节平行耦合线结构结合隔离电阻实现多频功分器。此种设计虽然电路效率高，但是复杂的耦合结构使得电路结构安排非常局促，如果要设计高阶多频功分器则电路结构的安排会更为困难，而且耦合间距窄，实现难度大。

发明内容：

本发明提供一种微波四频功分器，以解决功分器的多频工作，实现结构复杂，带宽不易调节等问题，使用PCB工艺即可实现，只需较少调试。

本发明采用如下技术方案：该微波四频功分器，其包括一个隔离电阻和两个结构相同的四频阻抗变换器，以通过两个结构相同的四频阻抗变换器的并联形式连接并加载隔离电阻从而实现微波四频功分器，所述四频阻抗变换器是由两段相同传输线和三对组合短截线构成，所述其中两对组合短截线分别位于两段传输线的两侧，所述另一对组合短截线位于两段传输线的中间位置，所述组合短截线由两个开路短截线并联而成或者两个短路短截线并联而成或者一个开路短截线和一个短路短截线并联而成。

本发明具有如下有益效果：

(1).本发明可以实现四频功分器，而且其工作频率可以在一定范围内任意设定；

(2).可以通过z_c和θ_c这两个自由参量的合理设置并且选择适当的组合短截线结构来调节工作频点处的带宽；

(3).各频点处的匹配性好，输出端口间的隔离度高；

(4).本发明采用组合短截线结构，电路结构简洁，易于平面化实现，可使用PCB工艺，以微带电路形式加工实现，只需较少调试。

附图说明：

图1是wilkinson功分器的K变换器结构图。

图2是四频K变换器的结构图。

图3是实现四频导纳值的组合短截线结构图。

图4是实现四频K变换器的短截线构成图。

图5两个四频K变换器的并接结构图。

图6四频功分器的结构图。

图7-图11给出了该四频功分器仿真的反射特性曲线S11、S22，传输特性曲线S21和S31，隔离曲线S32。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

图1给出了一种wilkinson功分器的K变换器结构图。通过K变换器的阻抗变换功能使得输入端口处的输入阻抗和输入传输线实现阻抗匹配，从而减小功率的反射损耗。

其ABCD矩阵为：

$A=\left(\begin{array}{cc}0& \±\mathrm{jK}\\ \±\frac{1}{\mathrm{jK}}& 0\end{array}\right)$

图2是四频K变换器的结构图。四频阻抗变换器由两段相同传输线和三对组合短截线构成的，其在四个频点均可等效为K变换器，即可通过图2结构与原始K变换器的ABCD矩阵等效建立方程求解四个频点处的导纳值，即求解在f₁(0.9GHz),f₂(2.1GHz),f₃(3.5GHz),f₄(5.2GHz)等处的电纳值B₁(f₁)、B₁(f₂)、B₁(f₃)、B₁(f₄)，B₂(f₁)、B₂(f₂)、B₂(f₃)、B₂(f₄)。图2结构的ABCD矩阵为：

$A=\left(\begin{array}{cc}1& 0\\ {\mathrm{jB}}_2& 1\end{array}\right)\·\left(\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_c& {\mathrm{jz}}_c\sin {\mathrm{\θ}}_c\\ j\frac{1}{z_c}\sin \mathrm{\θ}& \cos {\mathrm{\θ}}_c\end{array}\right)\·\left(\begin{array}{cc}1& 0\\ j{B}_1& 1\end{array}\right)\·\left(\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_c& {\mathrm{jz}}_c\sin {\mathrm{\θ}}_c\\ j\frac{1}{z_c}\sin \mathrm{\θ}& \cos {\mathrm{\θ}}_c\end{array}\right)\·\left(\begin{array}{cc}1& 0\\ j{B}_2& 1\end{array}\right)$

对于某一给定的z_c，对于不同的频率，θ_c有着不同的取值，进而建立方程求解。

图3是实现四频导纳值的组合短截线结构图。

(a)图中的导纳特性为：jB(f)＝-jy₁cotα+jy₂tanβ

(b)图中的导纳特性为：jB(f)＝-jy₁cotα-jy₂cotβ

(c)图中的导纳特性为：jB(f)＝jy₁tanα+jy₂tanβ

根据组合短截线的结构特性如图3并且结合遗传算法继而获得合适的结构参数来实现如图4。其中，两对组合短截线分别位于两段传输线的两侧，此组合短截线由两个开路短截线并联而成；另一对组合短截线位于两段传输线的中间位置，此组合短截线由两个短路短截线并联而成。

图5为两个四频K变换器的并接结构图。两个四频K变换器以并联形式连接，左端的两组组合短截线结构处于同电位点，可以根据其阻抗特性进行合并，简化结构。

图6由图5结构加上隔离电阻，输入输出传输线(z₀＝50Ω)，实现四频3dB功分器。其相应的3dB功分带宽为0.76GHz-1GHz、1.82GHz-2.12GHz、3.42GHz-4.10GHz、5.16GHz-5.98GHz，通过遗传算法提取短截线的电长度和特性阻抗参数从而获取合适的同时满足四个频点处导纳值的组合短截线结构，然后用ADS软件对整体结构进行优化，获得的各传输线的特性阻抗和电长度参数如下表所示：

zc(Ω)	70.7	θc(deg2.1GHz)	45
				z1(Ω)	35.74	θ1(deg0.9GHz)	52.42

z2(Ω)	40.26	θ2(deg0.9GHz)	32.64
				z3(Ω)	43.33	θ3(deg0.9GHz)	69.53
z4(Ω)	99.4	θ4(deg0.9GHz)	14.17
				z5(Ω)	71.48	θ5(deg0.9GHz)	52.42
z6(Ω)	80.52	θ6(deg0.9GHz)	32.64

图7-图11给出了该四频功分器仿真的反射特性曲线S11和S22，传输特性曲线S21和S31，隔离曲线S32。四个频点从低频到高频相应S参数为:

f₁＝0.9GHz,|S₁₁|＝55dB,|S₂₁|＝3dB,|S₂₂|＝80dB,|S₃₂|＝60dB

f₂＝2.1GHz,|S₁₁|＝70dB,|S₂₁|＝3dB,|S₂₂|＝77dB,|S₃₂|＝76dB

f₃＝3.5GHz,|S₁₁|＝37dB,|S₂₁|＝3dB,|S₂₂|＝86dB,|S₃₂|＝40dB

f₄＝5.2GHz,|S₁₁|＝47dB,|S₂₁|＝3dB,|S₂₂|＝55dB,|S₃₂|＝50dB

隔离度为20dB时的带宽分别为：

853.7MHz-944.7MHz,2.092GHz-2.108GHz,3.452GHz-3.528GHz,5.178GHz-5.223GHz。

该四频3dB功分器可以使用微带线、带状线等传输线形式加工实现。其中如果使用微带电路的形式，可以使PCB工艺，成本低，需较少调试。

本发明采用由两段相同传输线和三对组合短截线构成一种四频阻抗变换器,该四频阻抗变换器能够在要求的四个工作频点处将输入端等效导纳和输出端的等效阻抗匹配到归一化的端口阻抗,从而实现四频功分器。如果能够找到合适的多频参数提取结构，获得一个高阶多频阻抗变换器,该阻抗变换器能够在要求的多个频率处实现输入端和输出端的等效阻抗与归一化的端口阻抗匹配,则可以实现相应的多频功分器,因而本发明思路可推广到高阶多频工作的情况。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种微波四频功分器，其特征在于：包括一个隔离电阻和两个结构相同的四频阻抗变换器，以通过将两个结构相同的四频阻抗变换器以并联形式连接并加载隔离电阻从而实现微波四频功分器，所述四频阻抗变换器是由两段相同传输线和三对组合短截线构成，所述其中两对组合短截线分别位于两段传输线的两侧，所述另一对组合短截线位于两段传输线的中间位置，所述组合短截线由两个开路短截线并联而成或者两个短路短截线并联而成或者一个开路短截线和一个短路短截线并联而成。