CN104218297B - 基于宽边耦合的多端口高隔离度平衡功分网络 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于宽边耦合的多端口高隔离度平衡功分网络，包括上下两层结构，上层结构通过两级宽带巴伦的并联形成了一个六端口的平衡功率分配网络，四对短路的耦合线实现了宽频差模信号的传输，并联在巴伦输出端的两个隔离电阻可以有效地提高差模信号功分的隔离度，上层金属层加载的多个开路分支线可以产生多个传输零点，有效地提高共模信号的抑制度，下层的四个金属片可以有效地提高短路耦合线的耦合度，展宽上层金属层中耦合线的功分带宽。整体平衡电路结构使得平衡电路中的差模信号带宽提高到50％以上，结构设计简单，体积小，电性能好，易于和其他平面微波毫米波电路集成。

Description

基于宽边耦合的多端口高隔离度平衡功分网络

技术领域

本发明属于微波毫米波混合平面集成电路，特别是一种基于宽边耦合的多端口高隔离度的平衡功率分配网络。

背景技术

随着无线通信技术的发展,微波电路与系统正在成为更复杂、更多的功能和信号转换的密集空间,因此,不同介质层电路的节点和互联处存在着较强的电磁互扰。而宽带平衡/差分电路与单端口输入的电路相比,由于具有较好的共模抑制功能和抗干扰特性,因而在现代通信系统中变得至关重要。在宽带的平衡电路系统中，宽带的平衡功率分配网络可以替代多级的巴伦结构，在减少结构复杂性和降低结构尺寸的前提下，可以为平衡功率放大器提供信号的传输，因此在微波毫米波混合平面集成电路中具有重要的应用价值。如文献1(“J.W.MayandG.M.Rebeiz,A40–50-GHzSiGe1:8differentialpowerdividerusingshieldedbroadside-coupledstriplines,IEEETrans.Microw.TheoryTech.,vol.56,no.7,Jul.2008,pp.1575–1581”)，以及文献2(“B.Xia,L.-S.Wu,andJ.F.Mao,Anewbalanced-to-balancedpowerdivider/combiner,IEEETrans.Microw.TheoryTech.,vol.60,no.9,Sep.2012,pp.287-295”)中都比较详细地介绍了几种多端口平衡功率分配网络结构。而以往的多端口平衡功率分配网路结构一般采用功分器的级联，存在的缺点有：(1)结构体积大，电路复杂；(2)差模信号功分带宽一般小于25％；(3)共模信号的不能实现宽频段的抑制；(4)功分端口之间差模信号和共模信号互换的隔离度也比较差。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于宽边耦合的多端口高隔离度的平衡功率分配网络。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于宽边耦合的多端口高隔离度平衡功分网络，包括上下两层结构，其中第一网络端口、第二网络端口、第三网络端口、第四网络端口、第五网络端口和第六网络端口位于介质基板的上层，六条50欧姆的微带线分别与上层结构中对应的六个网络端口相连，该六条50欧姆的微带线分别为第一微带线、第二微带线、第三微带线、第四微带线、第五微带线、第六微带线；其中第三网络端口和第四网络端口位于介质基板的一侧，第五网络端口和第六网络端口位于介质基板对应的另外一侧，第一网络端口和第二网络端口分别位于介质基板的另外两侧，第一网络端口和第二网络端口位于同一直线上；

第一网络端口和第二网络端口之间并联一条窄传输线和两条等宽度的宽传输线，窄传输线和宽传输线均为半波长长度，且均和第一网络端口与第二网络端口的连线相互平行；窄传输线位于两条宽传输线中间，每条宽传输线的外侧均设置两条与其相平行短路传输线，每侧的两条短路传输线位于同一直线上，位于同侧的两条短路传输线相对的端口均并联一个100欧姆的隔离电阻，每条短路传输线均通过一条S形传输线与对应的一个网络端口相连，即四条短路传输线分别通过对应的S形传输线与第三网络端口、第四网络端口、第五网络端口和第六网络端口相连，上述四条短路传输线结构相同，第三网络端口与第四网络端口之间并联一条蛇形传输线，第五网络端口与第六网络端口之间并联另一条蛇形传输线，每条蛇形传输线的中部均连接一条四分之一波长的开路分支线，四条短路传输线的远离电路中心的四个末端均设置一个短路接地通孔，四个短路接地通孔连接上下两层结构；

四条周边带有槽线缝隙的金属片位于下层平面，每个金属片的中心均位于对应的短路传输线和相邻的宽传输线间距的中心位置的正下方。

本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)利用两级巴伦结构的上下并联，结构体积相比传统结构减少30％以上，隔离电阻数目减少一半以上；(2)采用上下层之间的宽边耦合，差模信号的3-dB功分带宽提高到50％以上，共模信号抑制频段达到二个倍频；(3)功分端口之间差模和共模信号转换的隔离频段达到三个倍频，端口之间的隔离达到-25dB以下。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明基于宽边耦合的多端口高隔离度的平衡功分网络的上层结构示意图。

图2为本发明基于宽边耦合的多端口高隔离度的平衡功分网络的下层结构示意图。

图3为本发明基于宽边耦合的多端口高隔离度的平衡功分网络的3D结构示意图。

图4为本发明基于宽边耦合的多端口高隔离度的平衡功分网络的差模信号功分带宽的仿真和测试结果图。

图5为本发明基于宽边耦合的多端口高隔离度的平衡功分网络的共模信号抑制带宽的仿真和测试结果图。

图6为本发明基于宽边耦合的多端口高隔离度的平衡功分网络功分端口共模信号隔离的仿真和测试结果图。

图7为本发明基于宽边耦合的多端口高隔离度的平衡功分网络功分端口差模信号和共模信号转换抑制的仿真和测试结果图。

具体实施方式

本发明公开了一种基于宽边耦合的多端口高隔离度平衡功分网络，包括上下两层结构，其中第一网络端口P1、第二网络端口P2、第三网络端口P3、第四网络端口P4、第五网络端口P5和第六网络端口P6位于介质基板的上层，六条50欧姆的微带线分别与上层结构中对应的六个网络端口相连，该六条50欧姆的微带线分别为第一微带线1、第二微带线2、第三微带线3、第四微带线4、第五微带线5、第六微带线6；其中第三网络端口P3和第四网络端口P4位于介质基板的一侧，第五网络端口P5和第六网络端口P6位于介质基板对应的另外一侧，第一网络端口P1和第二网络端口P2分别位于介质基板的另外两侧，第一网络端口P1和第二网络端口P2位于同一直线上；

第一网络端口P1和第二网络端口P2之间并联一条窄传输线7和两条等宽度的宽传输线8，窄传输线7和宽传输线8均为半波长长度，且均和第一网络端口P1与第二网络端口P2的连线相互平行；窄传输线7位于两条宽传输线8中间，每条宽传输线的外侧均设置两条与其相平行短路传输线9，每侧的两条短路传输线位于同一直线上，位于同侧的两条短路传输线相对的端口均并联一个100欧姆的隔离电阻10，每条短路传输线均通过一条S形传输线11与对应的一个网络端口相连，即四条短路传输线分别通过对应的S形传输线与第三网络端口P3、第四网络端口P4、第五网络端口P5和第六网络端口P6相连，上述四条短路传输线结构相同，第三网络端口P3与第四网络端口P4之间并联一条蛇形传输线12，第五网络端口P5与第六网络端口P6之间并联另一条蛇形传输线，每条蛇形传输线的中部均连接一条四分之一波长的开路分支线13，四条短路传输线9的远离电路中心的四个末端均设置一个短路接地通孔14，四个短路接地通孔14连接上下两层结构；

四条周边带有槽线缝隙的金属片15位于下层平面，每个金属片的中心均位于对应的短路传输线9和相邻的宽传输线8间距的中心位置的正下方。

所述六条50欧姆的微带线具有同等的长度和宽度，窄传输线7和宽传输线8的长度相等。

所述短路传输线9与宽传输线8的宽度相等，两个100欧姆的隔离电阻10关于第一网络端口P1和第二网络端口P2的连线上下对称。

所述带有切角的四条S形传输线11左右对称分布，且关于第一网络端口P1和第二网络端口P2的连线上下对称；两条蛇形传输线12长度为半波长，两条开路分支线13关于第一网络端口P1和第二网络端口P2的连线中心点对称。

所述四个短路接地通孔14具有相等的直径长度，四条周边带有槽线缝隙的金属片15关于第一网络端口P1和第二网络端口P2的连线上下对称；在第一网络端口P1和第二网络端口P2的连线同侧的两个带有槽线缝隙的金属片15窄边相对，宽边与第一网络端口P1和第二网络端口P2的连线平行。

所述介质基板的介电常数为2～16，介质基板的高度为0.1～3mm。

所述窄传输线7的宽度为0.3mm，宽传输线8的宽度为1.6mm。

下面进行更详细的描述：

本发明的基于宽边耦合的多端口高隔离度的平衡功分网络，利用两个巴伦上下的并联以及多条分支线的加载，在减少输出端口隔离电阻的基础上，实现了差模信号50％以上的传输带宽，共模信号近二倍频的频段抑制，以便提供一种更加实用的平面宽带多端口平衡功率分配网络结构

结合图1、图2和图3，本发明基于宽边耦合的多端口高隔离度平衡功分网络，包括上下两层结构，第一网络端口P1，第二网络端口P2，第三网络端口P3，第四网络端口P4，第五网络端口P5以及第六网络端口P6位于介质基板的上层，六条50欧姆的微带线第一微带线1、第二微带线2、第三微带线3、第四微带线4、第五微带线5、第六微带线6分别与上层结构的六个网络端口P1～P6相连，第一网络端口P1和第二网络端口P2之间并联了一条窄传输线7和两条等宽度的宽传输线8，窄传输线7和宽传输线8均为半波长长度，且和第一网络端口P1与第二网络端口P2的连线相互平行。窄传输线7位于两条宽传输线8中间。四条短路传输线9两两位于宽传输线8的两侧且与宽传输线8的宽边平行。宽传输线8和四条短路传输线9之间耦合的奇偶模可以根据已有公式(1)-(2)计算如下：

$\mathrm{Zoo}=\frac{Z_1^2/\sqrt{Z0(\mathrm{Zo}+2Z1)}}{1+(1/\sqrt{1+2Z1/Z0})}---\left(1\right)$

$\mathrm{Zoo}=\frac{Z_1^2/\sqrt{Z0(\mathrm{Zo}+2Z1)}}{1+(1/\sqrt{1+2Z1/Z0})}---\left(2\right)$

其中Z_oe和Z_oo分别为宽传输线8和四条短路传输线9之间耦合的偶模和奇偶的值，Z₀为六条50欧姆的微带线1～6的阻抗值，Z₁为带有切角的四条S形传输线11的阻抗值。处于宽传输线8同侧的两条短路传输线9窄边相对，相对的一组窄边处分别并联了两个100欧姆的隔离电阻10，两个隔离电阻10的阻抗值可以根据已有公式(3)计算如下：

Z_R＝2Z₀(3)

其中Z_R为两个的隔离电阻10的阻抗值，等于100欧姆。另外，第三网络端口P3与第四网络端口P4之间，第五网络端口P5与第六网络端口P6之间分别并联两条蛇形传输线12，两条四分之一波长的开路分支线13分别并联在两条传输线12的中间位置，四个短路接地通孔14位于四条短路传输线9的远离电路中心的四个末端，四个短路接地通孔14连接上下两层结构，四条周边带有槽线缝隙的金属片15位于下层平面，其中心分别位于短路传输线9和相邻的宽传输线8间距的中心位置的正下方。

本发明基于宽边耦合的多端口高隔离度平衡功分网络，六条50欧姆的微带线1～6具有同等的长度和宽度，可以根据结构应用的频段和尺寸紧凑性的要求进行适当调整，以满足不同结构体积大小的需要。连接第一网络端口P1和第二网络端口P2的窄传输线7和宽传输线8长度相等。短路传输线9与宽传输线8宽度相等，两个100欧姆的隔离电阻10关于第一网络端口P1和第二网络端口P2的连线上下对称。

本发明基于宽边耦合的多端口高隔离度平衡功分网络，带有切角的四条S形传输线11左右对称分布，且关于第一网络端口P1和第二网络端口P2的连线上下对称。两条蛇形传输线12长度为半波长，两条开路分支线13关于第一网络端口P1和第二网络端口P2的连线上下对称。四个短路接地通孔14具有相等的直径长度，四条周边带有槽线缝隙的金属片15关于第一网络端口P1和第二网络端口P2的连线上下对称。在第一网络端口P1和第二网络端口P2的连线同侧的两个带有槽线缝隙的金属片15窄边相对，宽边与第一网络端口P1和第二网络端口P2的连线平行。介质基板的介电常数为2～16，介质基板的高度为0.1～3mm。

下面结合实施例对本发明做进一步详细的说明：

本发明基于宽边耦合的多端口高隔离度平衡功分网络，它采用了一种巴伦并联的结构形式，通过多个并联枝节和上下层宽边的耦合方式，利用网络本身的宽通带和全阻带实现了差模信号宽频段的等功率分配和共模信号宽频段的抑制，整个介质基板的尺寸是50mm*46mm*0.5mm，介质基板的介电常数为2.65，介质基板分上下两层结构。所选的平衡功率分配网络工作在S波段，工作频段为2.0-3.55GHz，差模信号功分带宽为55.3％，共模信号的抑制带宽为150％，中心频率对应的四分之一波长为17.2mm，上层六个端口处连接的50欧姆微带线1～6的宽度为1.37mm，长度为8mm，连接在第一网络端口P1和第二网络端口P2的窄传输线7和宽传输线8的长度都为34.2mm，宽度分别为0.3mm、1.6mm，并行在传输线8切边的短路耦合线9的长度为16.2mm，宽度为1.6mm，短路耦合线9之间缝隙的宽度为0.8mm，连接在第三网络端口P3，第四网络端口P4，第五网络端口P5与第六网络端口P6之间与四条短路传输线9之间带有切角的四条S形传输线11的长度为16.7mm，切角的斜边长为1.1mm，在第三网络端口P3，第四网络端口P4，第五网络端口P5与第六网络端口P6之间分别并联两条蛇形传输线12的长度为34.2mm，宽度为0.3mm，分别并联在两条蛇形传输线12中间位置的两条开路分支线13的长度为17mm，宽度为0.9mm。

连接上下两层结构的位于四条短路传输线9的末端短路接地通孔14的直径为1mm，高度为0.5mm，位于下层的四条槽线的宽度为0.3mm，长度为32.4mm，位于介质基板下层的四条周边带有槽线缝隙的金属片15的宽度为3.2mm，长度为12.4mm，四条周边带有槽线缝隙的金属片15位于下层平面，其中心分别位于短路传输线9和相邻的宽传输线8间距的中心位置的正下方。

由图4可知，第一网络端口和第二网络端口在输入差模信号的激励时，在第三网络端口，第四网络端口，第五网络端口以及第六网络端口实现差模信号等功率的输出。

由图5可知，第一网络端口和第二网络端口在输入共模信号的激励时，由于本身网络的全阻带特性，在第三网络端口，第四网络端口，第五网络端口以及第六网络端口实现共模信号二倍频的抑制。

由图6可知，第一网络端口和第二网络端口在输入共模信号的激励时，在第三网络端口和第四网络端口，第五网络端口和第六网络端口之间实现共模信号二倍频的抑制。

由图7可知，第一网络端口和第二网络端口在同时输入差模信号和共模信号的激励时，在第三网络端口和第四网络端口，第五网络端口和第六网络端口之间实现了差模信号和共模信号转换的抑制三倍频的高隔离抑制。

以上便是该宽边耦合的多端口高隔离度平衡功分网络的设计方法和具体实例设计，该平面平衡功分网络，采用了两个巴伦的上下并联结构，减少了传统功分网络的结构体积和隔离电阻的使用，通过加载的多个分支线和上下的宽边耦合结构，实现了差模信号宽频段的信号传输和共模信号宽频段的信号抑制，以及各功分端口之间差模信号和共模信号的高隔离度，所实现工作的相对带宽大大提高，设计简单，实用性更强。测试本发明设计实例的结果表明：差模信号的功分带宽延展到了55.3％；共模信号的抑制带宽大于150％(|S_cc21|/|S_cd21|>15dB)。另外,共模信号和差模信号之间的转换抑制分别大于160％(|S_dc21|/|S_cd21|>20,15dB),277％(|S_dc231|/|S_cd23|>20dB)。总体积为50mm*46mm*0.5mm，重量不足200克。

Claims (7)

1.一种基于宽边耦合的多端口高隔离度平衡功分网络，其特征在于，包括上下两层结构，其中第一网络端口(P1)、第二网络端口(P2)、第三网络端口(P3)、第四网络端口(P4)、第五网络端口(P5)和第六网络端口(P6)位于介质基板的上层，六条50欧姆的微带线分别与上层结构中对应的六个网络端口相连，该六条50欧姆的微带线分别为第一微带线(1)、第二微带线(2)、第三微带线(3)、第四微带线(4)、第五微带线(5)、第六微带线(6)；其中第三网络端口(P3)和第四网络端口(P4)位于介质基板的一侧，第五网络端口(P5)和第六网络端口(P6)位于介质基板对应的另外一侧，第一网络端口(P1)和第二网络端口(P2)分别位于介质基板的另外两侧，第一网络端口(P1)和第二网络端口(P2)位于同一直线上；

第一网络端口(P1)和第二网络端口(P2)之间并联一条窄传输线(7)和两条等宽度的宽传输线(8)，窄传输线(7)和宽传输线(8)均为半波长长度，且均和第一网络端口(P1)与第二网络端口(P2)的连线相互平行；窄传输线(7)位于两条宽传输线(8)中间，每条宽传输线的外侧均设置两条与其相平行短路传输线(9)，每侧的两条短路传输线位于同一直线上，位于同侧的两条短路传输线相对的端口均并联一个100欧姆的隔离电阻(10)，每条短路传输线均通过一条S形传输线(11)与对应的一个网络端口相连，即四条短路传输线分别通过对应的S形传输线与第三网络端口(P3)、第四网络端口(P4)、第五网络端口(P5)和第六网络端口(P6)相连，上述四条短路传输线结构相同，第三网络端口(P3)与第四网络端口(P4)之间并联一条蛇形传输线(12)，第五网络端口(P5)与第六网络端口(P6)之间并联另一条蛇形传输线，每条蛇形传输线的中部均连接一条四分之一波长的开路分支线(13)，四条短路传输线(9)的远离电路中心的四个末端均设置一个短路接地通孔(14)，四个短路接地通孔(14)连接上下两层结构；

四条周边带有槽线缝隙的金属片(15)位于下层平面，每个金属片的中心均位于对应的短路传输线(9)和相邻的宽传输线(8)间距的中心位置的正下方,宽传输线(8)和四条短路传输线(9)之间耦合。

2.根据权利要求1中所述的基于宽边耦合的多端口高隔离度平衡功分网络，其特征在于，六条50欧姆的微带线具有同等的长度和宽度，窄传输线(7)和宽传输线(8)的长度相等。

3.根据权利要求1或2所述的基于宽边耦合的多端口高隔离度平衡功分网络，其特征在于，短路传输线(9)与宽传输线(8)的宽度相等，两个100欧姆的隔离电阻(10)关于第一网络端口(P1)和第二网络端口(P2)的连线上下对称。

4.根据权利要求1或2所述的基于宽边耦合的多端口高隔离度平衡功分网络，其特征在于，带有切角的四条S形传输线(11)左右对称分布，且关于第一网络端口(P1)和第二网络端口(P2)的连线上下对称；两条蛇形传输线(12)长度为半波长，两条开路分支线(13)关于第一网络端口(P1)和第二网络端口(P2)的连线中心点对称。

5.根据权利要求1或2所述的基于宽边耦合的多端口高隔离度平衡功分网络，其特征在于，四个短路接地通孔(14)具有相等的直径长度，四条周边带有槽线缝隙的金属片(15)关于第一网络端口(P1)和第二网络端口(P2)的连线上下对称；在第一网络端口(P1)和第二网络端口(P2)的连线同侧的两个带有槽线缝隙的金属片(15)窄边相对，宽边与第一网络端口(P1)和第二网络端口(P2)的连线平行。

6.根据权利要求1或2所述的基于宽边耦合的多端口高隔离度平衡功分网络，其特征在于，介质基板的介电常数为2～16，介质基板的高度为0.1～3mm。

7.根据权利要求1或2所述的基于宽边耦合的多端口高隔离度平衡功分网络，其特征在于，窄传输线(7)的宽度为0.3mm，宽传输线(8)的宽度为1.6mm。