CN104078736A - 一种小型化宽带功分器电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型化宽带功分器电路，包括第一端口、第二端口、第三端口、第一阻抗变换单元、第二阻抗变换单元、第一隔离电阻、第二隔离电阻和谐振单元，信号由第一端口进入后分为两路信号链路，一路经过第一阻抗变换单元到达第二端口输出，另一路经过第二阻抗变换单元到达第三端口输出；第一隔离电阻一端位于第一阻抗变换单元与第二端口之间，另一端与第二隔离电阻相连接，第二隔离电阻一端位于第二阻抗变换单元与第三端口之间，另一端与第一隔离电阻相连接。本发明能够实现各端口回波损耗、隔离度的带宽同时展宽，在克服了已有宽带展宽技术电路尺寸大、电路结构难调整、性能不佳等缺点的同时，具有带宽可调范围大，结构紧凑等优点。

Description

一种小型化宽带功分器电路

技术领域

本发明属于射频无线通信技术领域，具体涉及一种小型化宽带功分器电路。

背景技术

功分器是将输入功率分成相等或不相等的几路输出的一种多端口微波网络器件，在相控阵雷达、多路无线通信系统中得到了广泛应用。宽频带、小型化、低损耗器件一直以来都是微波射频电路的研究热点，而且随着宽带天线、宽带滤波器等器件的不断发展，对宽带功分器的要求也越来越高，需求也越来越大。

对于功分器而言，主要的设计要求有：各端口电路匹配，端口间隔离度高，当其中一路出现故障时不至于影响另一路的正常工作或影响很小，从而提高设备的可靠性；传输损耗小，各路相位一致性好，以保证较高的分配效率；电路形式简单，容易调整，且体积要小，以便于设备的小型化和实现批量生产。Wilkinson型功分器不仅具有良好的幅度相位特性而且端口匹配、传输损耗小、设计简便，被广泛的用于功分器设计中，但由于单节Wilkinson功分器的狭窄带宽限制了其在宽带系统中的应用。近年来，为了增加带宽，多级级联、微带分支线加载等技术(文献[1-3])被用来设计宽带功分器。

在文献[1-2]中，通过对传统的单级Wilkinson功分器进行级联和各支路加载分支短接线，实现了回波损耗、隔离度带宽展宽。这些功分器结构易于用微带线或带状线实现，但尺寸大，损耗大等缺点使得其不适合电路小型化应用。将微带线用集总元件代替，并采用芯片级加工应用，可大大减少功分器的尺寸，实现微型化。

在文献[3]中，提出了一种集总宽带Wilkinson功分器芯片，通过将级联型宽带功分器中的λ/4传输线替换为∏型并联电容-串联电感-并联电容集总元件，如图1，从而实现带宽展宽的同时，大大减少了电路尺寸，但其电路难调整、传输曲线只有部分带宽展宽且工作于15GHz高频段。自此，关于更多新型Wilkinson功分器宽带展宽技术还未有研究报告。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明针对级联型、加载分支线型宽带功分器，微带线实现时电路尺寸大、损耗大，集总方式实现时电路结构复杂、传输性能不佳等不足，提出了一种小型化宽带功分器电路，仅在两支路隔离电阻间加载谐振单元，便能够实现高性能宽带功分器电路。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种小型化宽带功分器电路，该电路包括第一端口1、第二端口2、第三端口3、第一阻抗变换单元10、第二阻抗变换单元20、第一隔离电阻R1、第二隔离电阻R2和谐振单元30，其中：

信号由第一端口1进入后分为两路信号链路，一路信号链路经过第一阻抗变换单元10到达第二端口2输出，另一路信号链路经过第二阻抗变换单元20到达第三端口3输出；

第一隔离电阻R1一端位于第一阻抗变换单元10与第二端口2之间，另一端与第二隔离电阻R2相连接，第二隔离电阻R2一端位于第二阻抗变换单元20与第三端口3之间，另一端与第一隔离电阻R1相连接。

上述方案中，所述第一隔离电阻R1和所述第二隔离电阻R2位于所述第二端口2与所述第三端口3之间，用于实现两路信号链路的隔离。

上述方案中，所述第一隔离电阻R1和所述第二隔离电阻R2对称分布，保证了加载谐振单元30后该小型化宽带功分器电路的对称性。

上述方案中，所述谐振单元30连接于第一隔离电阻R1与第二隔离电阻R2之间，该电路通过加载谐振单元30实现了各端口回波损耗和隔离度的带宽同时展宽。

上述方案中，所述第一阻抗变换单元10和所述第二阻抗变换单元20是由λ/4传输线表示，其中λ/4传输线的电路结构形式有均匀阻抗线、阶跃阻抗线、耦合线以及其变形结构，以用于PCB板级加工应用。

上述方案中，所述第一阻抗变换单元10和所述第二阻抗变换单元20是由∏型并联电容-串联电感-并联电容集总元件表示，其中串联电感两侧的并联电容元件值是相同或不相同，以用于芯片级加工应用。

上述方案中，所述谐振单元30是由λ/4短路接地传输线或λ/2开路传输线表示，或者是由电感-电容串联接地表示，以实现PCB板级及芯片级电路加工应用。

(三)有益效果

本发明提供的这种小型化宽带功分器电路，具有带宽可调范围大，结构紧凑，性能优良等优点。通过在两隔离电阻间加载简单谐振单元，在通带内相应频率处引入了一个传输极点(通带内增加极点即可展宽带宽)，从而实现各端口回波损耗、隔离度的带宽同时展宽。通过调整谐振单元尺寸可控制传输极点的频率位置，使得电路带宽可调，结构更紧凑。

附图说明

图1是现有的级联型宽带Wilkinson功分器电路结构示意图；

图2是本发明所提出的小型化宽带功分器电路结构示意图；

图3是本发明实施例小型化宽带功分器的阻抗变换单元由λ/4传输线表示，谐振单元由λ/4短路接地传输线表示；

图4是本发明实施例小型化宽带功分器的阻抗变换单元由λ/4传输线表示，谐振单元由λ/2开路传输线表示；

图5是本发明实施例小型化宽带功分器的阻抗变换单元由∏型并联电容-串联电感-并联电容集总元件表示，谐振单元由电感-电容串联接地表示；

图6是本发明实施例小型化宽带功分器的端口回波损耗频谱特性；

图7是本发明实施例小型化宽带功分器的端口隔离度频谱特性。

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明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图2所示，本发明实施例提供的一种小型化宽带功分器电路，该电路包括第一端口1、第二端口2、第三端口3、第一阻抗变换单元10、第二阻抗变换单元20、第一隔离电阻R1、第二隔离电阻R2和谐振单元30。其中：信号由第一端口1进入后分为两路信号链路，一路信号链路经过第一阻抗变换单元10到达第二端口2输出，另一路信号链路经过第二阻抗变换单元20到达第三端口3输出；由于两路电路结构对称，完成了信号功率等分的目的；第一隔离电阻R1一端位于第一阻抗变换单元10与第二端口2之间，另一端与第二隔离电阻R2相连接，第二隔离电阻R2一端位于第二阻抗变换单元20与第三端口3之间，另一端与第一隔离电阻R1相连接。

所述第一隔离电阻R1和所述第二隔离电阻R2位于所述第二端口2与所述第三端口3之间，用于实现两路信号链路的高度隔离，且第一隔离电阻R1和第二隔离电阻R2的对称分布，保证了加载谐振单元30后该小型化宽带功分器电路的对称性。

谐振单元30连接于第一隔离电阻R1和第二隔离电阻R2之间，该电路通过加载谐振单元30后，在各端口回波损耗与隔离度通带内引入了传输极点，从而展宽了功分器的带宽，实现了各端口回波损耗和隔离度的带宽同时展宽。由于加载结构简单有效，从而电路调整简易、电路尺寸小。

第一阻抗变换单元10和第二阻抗变换单元20可由λ/4传输线、∏型并联电容-串联电感-并联电容集总元件表示，谐振单元30可由λ/4短路接地传输线、λ/2开路传输线、电感-电容串联接地表示，如图3、图4和图5。用不同结构形式表示第一阻抗变换单元10、第二阻抗变换单元20和谐振单元30，以适应不同加工工艺、工作频率。图3中代替第一阻抗变换单元10的λ/4传输线的总特性阻抗为Z1，代替第二阻抗变换单元20的λ/4传输线的总特性阻抗为Z2，电路结构形式有均匀阻抗线、阶跃阻抗线、耦合线以及其变形结构，代替谐振单元30的λ/4短路接地传输线的总特性阻抗为Z3。

图4中代替第一阻抗变换单元10的λ/4传输线的总特性阻抗为Z1，代替第二阻抗变换单元20的λ/4传输线的总特性阻抗为Z2，电路结构形式有均匀阻抗线、阶跃阻抗线、耦合线以及其变形结构，代替谐振单元30的λ/2开路传输线的总特性阻抗为Z4。

∏型并联电容-串联电感-并联电容集总元件由λ/4传输线等效而来，图5中代替第一阻抗变换单元10的∏型并联电容-串联电感-并联电容集总元件由C1-L1-C2表示，代替第二阻抗变换单元20的∏型并联电容-串联电感-并联电容集总元件由C3-L2-C4表示。为了保持电路对称，电容C1和C3、电容C2和C4的元件值大小相同，但电容C1和C2的元件值可相同，也可不同。代替谐振单元30的电感-电容串联接地由电感L0和电容C0串联并末端接地表示。

下面结合一具体实例对本发明实施例提供的一种新型的小型化宽带功分器电路进行说明，电路结构图如图5。其中阻抗变换单元由∏型并联电容-串联电感-并联电容集总元件组成，谐振单元由电感-电容串联接地组成，相关电路元件参数值如下：

第一阻抗变换单元10中的电感L1值约为6.7nH，电容C1值约为1.3pF，电容C2值约为1.5pF；第二阻抗变换单元20中的电感L2值约为6.7nH，电容C3值约为1.3pF，电容C4值约为1.5pF。两个隔离电阻R1、R2的值相同，约为41欧姆。谐振单元中，电感L0值约为21nH，电容C0值约为1.6pF。

本发明实施例提供的一种新型的小型化宽带功分器电路，其电路结构图和实物版图的仿真工具为ADS、Candence，仿真结果如图6、图7所示。图6为本发明实施例小型化宽带功分器的端口回波损耗频谱特性，图7为本发明实施例小型化宽带功分器的端口隔离度频谱特性，第一端口1到第一端口1的回波损耗S11，第二端口2到第二端口2的回波损耗S22，第二端口2到第三端口3的隔离度S23，在1-1.85GHz频率范围内的模值都小于-15dB。单级Wilkinson功分器的带宽最多为40MHz，由此可看出，本发明实施例中的带宽展宽了2倍以上，且通过调整各元件值大小，可轻松调整带宽。

以上的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和实施方式进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

参考文献

[1]赵海，刘颖力，张怀武，胡嵩松，宽带Wilkinson功分器的设计仿真与制作，电子元件与材料，Vol.29，No.12，Dec.2010.

[2]Sai Wai Wong and Lei Zhu，Ultra-Wideband Power Divider WithGood In-Band Splitting and Isolation Performances，IEEE Microwave AndWireless Components Letters，VOL.18，NO.8，August2008.

[3]Zhang Yaqiong，Tang Xinyi，Fan Yijing，Ooi Ban Leong，Leong MookSeng and Koen Mouthaan，A Miniaturized Wideband Wilkinson Power Divider，200810th Electronics Packaging Technology Conference.

Claims (7)

1.一种小型化宽带功分器电路，其特征在于，该电路包括第一端口(1)、第二端口(2)、第三端口(3)、第一阻抗变换单元(10)、第二阻抗变换单元(20)、第一隔离电阻(R1)、第二隔离电阻(R2)和谐振单元(30)，其中：

信号由第一端口(1)进入后分为两路信号链路，一路信号链路经过第一阻抗变换单元(10)到达第二端口(2)输出，另一路信号链路经过第二阻抗变换单元(20)到达第三端口(3)输出；

第一隔离电阻(R1)一端位于第一阻抗变换单元(10)与第二端口(2)之间，另一端与第二隔离电阻(R2)相连接，第二隔离电阻(R2)一端位于第二阻抗变换单元(20)与第三端口(3)之间，另一端与第一隔离电阻(R1)相连接。

2.根据权利要求1所述的小型化宽带功分器电路，其特征在于，所述第一隔离电阻(R1)和所述第二隔离电阻(R2)位于所述第二端口(2)与所述第三端口(3)之间，用于实现两路信号链路的隔离。

3.根据权利要求2所述的小型化宽带功分器电路，其特征在于，所述第一隔离电阻(R1)和所述第二隔离电阻(R2)对称分布，保证了加载谐振单元(30)后该小型化宽带功分器电路的对称性。

4.根据权利要求1所述的小型化宽带功分器电路，其特征在于，所述谐振单元(30)连接于第一隔离电阻(R1)与第二隔离电阻(R2)之间，该电路通过加载谐振单元(30)实现了各端口回波损耗和隔离度的带宽同时展宽。

5.根据权利要求1所述的小型化宽带功分器电路，其特征在于，所述第一阻抗变换单元(10)和所述第二阻抗变换单元(20)是由λ/4传输线表示，其中λ/4传输线的电路结构形式有均匀阻抗线、阶跃阻抗线、耦合线以及其变形结构，以用于PCB板级加工应用。

6.根据权利要求1所述的小型化宽带功分器电路，其特征在于，所述第一阻抗变换单元(10)和所述第二阻抗变换单元(20)是由∏型并联电容-串联电感-并联电容集总元件表示，其中串联电感两侧的并联电容元件值是相同或不相同，以用于芯片级加工应用。

7.根据权利要求1所述的小型化宽带功分器电路，其特征在于，所述谐振单元(30)是由λ/4短路接地传输线或λ/2开路传输线表示，或者是由电感-电容串联接地表示，以实现PCB板级及芯片级电路加工应用。