CN104617367A - 基于双面平行带线的六端口宽带平衡网络 - Google Patents
基于双面平行带线的六端口宽带平衡网络 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于双面平行带线的六端口平衡功分网络，包括了上下平行的双面平行带线结构和两个180度的理想宽带反相器，左右对称的两个宽带的功分网络与并联的两条半波长传输线形成了一个六端口的平衡功分网络，两个180度的反相器能较好的实现共模信号抑制，并联在反相功分器中间部分的四个隔离电阻有效地改善了输出端口的隔离度。整体平衡电路使得差模的功分带宽提高到了50％以上，功分端口隔离度大于35dB，结构紧凑、设计简单、电性能好，很容易实现与其他平面微波毫米波电路与系统的集成。
Description
技术领域
本发明属于微波毫米波混合平面集成电路，特别是一种基于双面平行带线的六端口高隔离度的宽带平衡网络。
背景技术
无线通信技术的快读发展，使得微波毫米波电路与系统朝着小型化、集成化和模块化的方向发展，不同介质电路层之间的节点和互联处存在着复杂的电磁互扰。宽频段的多端口平衡电路与系统，由于具有较好的共模抑制特性和抗干扰特性，在微波毫米波电路与系统中具有至关重要的地位。平面双面带线结构是一种双层的平衡传输线如文献1(“J.X.Chen,C.H.K.Chin,and Q.Xue,Double-sided parallel-strip line with an insertedconductor plane and its applications,IEEE Trans.Microw.Theory Tech.,vol.55,no.9,Sep.2007,pp.1899-1904”)，以及文献2(“J.Shi,J.X.Chen,and Q.Xue,A differentialvoltage-controlled integrated antenna oscillator based on doubled-sided parallel-strip line,IEEE Trans.Microw.Theory Tech.,vol.56,no.10,Oct.2008,pp.2207–2212”)中都较详细地介绍了这种平面传输线结构的特性及其应用,但是基于双面平行带线的多端口平衡网络的设计还较少。而以往平衡多端口网路的设计，一般只是简单的代替多级的巴伦结构，实现及在微波毫米波混合集成电路中的应用，如文献3(“J.W.May and G.M.Rebeiz,A40–50-GHz SiGe 1:8differential power divider using shielded broadside-coupled striplines,IEEE Trans.Microw.Theory Tech.,vol.56,no.7,Jul.2008,pp.1575–1581”)，以及文献4(“L.S.Wu,B.Xia,and J.F.Mao,A half-mode substrate integrated waveguide ring fortwo-way power division of balanced circuit,IEEE Microw.Wireless Compon.Lett.,vol.22,no.7,Jul.2012,pp.333-335”)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，这些多端口平衡网络的主要缺点有：(1)级联结构体积大，电路复杂；(2)差模功分带宽小于25％，不能满足宽带通信息系统需求；(3)共模抑制带宽窄，功分端口差模共模互换抑制度差。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于双面平行带线的六端口平衡网络。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于双面平行带线的六端口平衡网络，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分别与六条双面平行带线相连，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称的另外一侧，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；
第一网络端口分别与第三网络端口和第五网络端口之间并联两条等宽度的第一传输线，第二网络端口也分别与第四网络端口和第六网络端口之间并联两条等宽度的第一传输线，第一传输线的长度为四分之一波长；第三网络端口与第四网络端口之间、第五网络端口与第六网络端口之间均并联了等宽度的第二传输线，第二传输线的长度为半波长；第三网络端口与第四网络端口各自对应的双面平行带线的另一端均分别连接长度为四分之一波长的第三传输线，第五网络端口与第六网络端口各自对应的双面平行带线的另一端均分别连接长度为四分之一波长的第四传输线，每根第三传输线均与对应的第四传输线通过具有180度反相特性的反相器连接，上述两个反相器对称设置。
所述每个反相器均包括两个金属通孔、四条短枝节传输线和两个隔离电阻，其中四条短枝节传输线分别为第一短枝节传输线、第二短枝节传输线、第三短枝节传输线、第四短枝节传输线，第一短枝节传输线与第二短枝节传输线位于上层并关于反相器上层中心对称，第一短枝节传输线与第二短枝节传输线之间连接第一隔离电阻；
第三短枝节传输线和第四短枝节传输线位于下层并关于反相器下层中心对称，第三短枝节传输线和第四短枝节传输线之间连接第二隔离电阻；
第一短枝节传输线与第四短枝节传输线中心对称，第二短枝节传输线与第四短枝节传输线之间通过第一金属通孔连接，第一短枝节传输线与第三短枝节传输线之间通过第二金属通孔连接。
所述六条双面平行带线均具有相等的长度和宽度，其阻抗值都等于50欧姆。
第一传输线、第二传输线、第三传输线与第四传输线的宽度相等，第一传输线、第三传输线与第四传输线的长度相等。
第一隔离电阻与第二隔离电阻的大小相等，电阻值都为100欧姆。
介质基板的介电常数为2～16，介质基板的高度为0.1～4mm。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)利用双面平行带线反相器结构，减少了并联的巴伦结构，结构体积相比传统结构减少30％以上；(2)未采用复杂宽频耦合结构，功分损耗较小，结构带宽更宽；(3)功分端口之间的隔离、差模和共模信号转换的隔离大于35dB，总体电性能更好。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明基于双面平行带线的六端口宽带平衡网络的上层结构示意图。
图2为本发明基于双面平行带线的六端口宽带平衡网络的反相器结构示意图。
图3为本发明基于双面平行带线的六端口宽带平衡网络的3D结构示意图。
图4为本发明基于双面平行带线的六端口宽带平衡网络的差模信号功分带宽、端口隔离的结果图。
图5为本发明基于双面平行带线的六端口宽带平衡网络的共模信号抑制带宽、端口隔离的结果图。
图6为本发明基于双面平行带线的六端口宽带平衡网络的功分端口差模信号和共模信号转换抑制的结果图。
具体实施方式
本发明公开了一种基于双面平行带线的六端口宽带平衡网络，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分别与六条双面平行带线1相连，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位于介质基板对称的另外一侧，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分别与第三网络端口P3和第五网络端口P5之间并联两条等宽度的第一传输线2，第二网络端口P2也分别与第四网络端口P4和第六网络端口P6之间并联两条等宽度的第一传输线2，第一传输线2的长度为四分之一波长；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之间均并联了等宽度的第二传输线4，第二传输线4的长度为半波长；第三网络端口P3与第四网络端口P4各自对应的双面平行带线的另一端均分别连接长度为四分之一波长的第三传输线3，第五网络端口P5与第六网络端口P6各自对应的双面平行带线的另一端均分别连接长度为四分之一波长的第四传输线8，每根第三传输线3均与对应的第四传输线8通过具有180度反相特性的反相器5连接，上述两个反相器对称设置。
所述每个反相器5均包括两个金属通孔6、四条短枝节传输线9和两个隔离电阻7，其中四条短枝节传输线分别为第一短枝节传输线9-1、第二短枝节传输线9-2、第三短枝节传输线9-3、第四短枝节传输线9-4，第一短枝节传输线9-1与第二短枝节传输线9-2位于上层并关于反相器上层中心对称，第一短枝节传输线9-1与第二短枝节传输线9-2之间连接第一隔离电阻7-1；
第三短枝节传输线9-3和第四短枝节传输线9-4位于下层并关于反相器下层中心对称，第三短枝节传输线9-3和第四短枝节传输线9-4之间连接第二隔离电阻7-2；
第一短枝节传输线9-1与第四短枝节传输线9-4中心对称，第二短枝节传输线9-2与第四短枝节传输线9-4之间通过第一金属通孔6-1连接，第一短枝节传输线9-1与第三短枝节传输线9-3之间通过第二金属通孔6-2连接。
所述的连接六个网络端口的传输线1具有相等的长度和宽度，其阻抗值都等于50欧姆。
所述第一传输线2、第三传输线3、第二传输线4与第四传输线8的宽度相等，第一传输线2、第三传输线3与第四传输线8的长度相等。
所述串联在第三传输线与第四传输线之间的具有180度反相特性的反相器5关于整个平衡网络左右对称分布；第一隔离电阻7-1与第二隔离电阻7-2的大小相等，电阻值都为100欧姆。
所述介质基板的介电常数为2～16，介质基板的高度为0.1～4mm。
下面进行更详细的描述：
本发明基于双面平行带线的六端口宽带平衡网络，利用上下平行的双面平行带线结构和两个180度的理想宽带移相器，减少了并联巴伦结构的使用。两个180度的反相器能较好的实现共模信号抑制，并联在反相功分器中间部分的四个隔离电阻有效地改善了输出端口的隔离度。整体平衡电路使得差模的功分带宽提高到了50％以上，功分端口隔离度大于35dB，结构紧凑、设计简单、电性能好，以便提供一种更加实用的平面宽带多端口平衡网络结构。
结合图1、图2和图3，本发明基于双面平行带线的六端口宽带平衡网络，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和第六网络端口P6分别由位于上层和下层平行的传输线构成，六条50欧姆的双面平行带线1分别与位于上下层的六个网络端口相连；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位于介质基板对称的另外一侧，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。
第三网络端口P3与第四网络端口P4各自对应的双面平行带线的另一端均分别连接长度为四分之一波长的第三传输线，第五网络端口与第六网络端口各自对应的双面平行带线的另一端均分别连接长度为四分之一波长的第四传输线，每根第三传输线均与对应的第四传输线通过具有180度反相特性的反相器连接，上述两个反相器对称设置，反相器5使得差模信号实现通带和共模信号阻带的计算公式(1)-(2)表示如下
θ1＝θ2±2nπ,(n＝0,1,2...),(0＜θ2＜2π)差模信号，通带(1)
θ1＝θ2±nπ,(n＝1,3,5...),(0＜θ2＜2π)共模信号，阻带(2)
其中θ1，θ2为差模信号/共模信号的相位值。为了改善该多端口平衡网络结构输出端口的隔离特性，在反相器5上下两层的中间位置分别并联了四个隔离电阻7，四个隔离电阻7的阻抗值可以根据已有公式(3)计算如下：
ZR＝2Z0 (3)
其中ZR为四个的隔离电阻7的阻抗值，等于100欧姆，Z0为六条50欧姆的双面平行带线1的阻抗值。另外，第一网络端口P1分别与第三网络端口P3和第五网络端口P5之间并联了两条等宽度的第一传输线，第二网络端口P2分别于第四网络端口P4和第六网络端口P6之间也并联了两条等宽度的第一传输线，第一传输线为四分之一波长长度。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之间分别并联了长度为半波长的第二传输线。
本发明基于双面平行带线的六端口宽带平衡网络，连接六个网络端口的传输线1具有相等的长度和宽度，其阻抗值都等于50欧姆。第一传输线、第二传输线、第三传输线与第四传输线的宽度相等，第一传输线、第三传输线与第四传输线的长度相等。串联在第三传输线和第四传输线中间位置的具有180度反相特性的反相器5关于整个平衡网络左右对称分布。介质基板的介电常数为2～16，介质基板的高度为0.1～4mm。
下面结合实施例对本发明做进一步详细的说明：
本发明基于双面平行带线的六端口宽带平衡网络，采用了左右两端对称的宽带功分网络结构，通过两个180度的理想宽带移相器和半波长加载分支线结构，利用网络本身的宽通带和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70mm*60mm*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1.6-2.8GHz，差模信号功分带宽为54.5％，共模信号的抑制带宽为60％，差模信号功分频段的中心频率的四分之一波长为23mm，上下层六个端口处连接的50欧姆的双面带线1的宽度为1.85mm，长度为7mm，连接在第一网络端口和第三、第五网络端口之间的第一传输线的宽度为1.1mm，长度为23.2mm，第三网络端口与第四网络端口之间、第五网络端口与第六网络端口之间分别并联的半波长的第二传输线宽度为1.1mm，长度为46.4mm；并联在第三网络端口、第四网络端口上的四分之一波长的第三传输线宽度为1.1mm，长度为23.2mm，并联在第四网络端口、第六网络端口上的四分之一波长的第四传输线的宽度也为1.1mm，长度为23.2mm，第三传输线与第四传输线的中间位置串联的反相器5中金属通孔6的直径为0.6mm，反相器5中的缝宽为0.4mm。
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，第五网络端口，第四网络端口以及第六网络端口实现差模信号等功率的输出；并且第三网络端口与第五网络端口、第四网络端口与第六网络端口将实现差模功分隔离。
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，由于本身网络的阻带特性，在第三网络端口，第五网络端口，第四网络端口以及第六网络端口实现共模信号宽频段的抑制；并且第三网络端口与第五网络端口、第四网络端口与第六网络端口将实现共模功分隔离。
由图6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五网络端口，第四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宽倍频的高隔离抑制。
以上便是该双面平行带线六端口宽带平衡网络的设计方法和具体实例设计，该平面平衡网络，采用了左右对称的功分网络并联，通过并联的两条半波长传输线形成了一个六端口的平衡功分网络，两个180度的反相器和并联的四个隔离电阻能较好的实现共模信号抑制及输出端口的隔离度，所实现差模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54.5％(|Sdd31,51|/|Sdd52,62|>3.3dB)；共模信号的抑制带宽大于60％(|Scc31,52|/|Scd31,52|>10dB)。另外,共模信号和差模信号之间的转换抑制分别大于73％(|Sdc21,52|/|Scd31,52|>20dB))。总体积为70mm*60mm*0.5mm，重量不足180克。
Claims (6)
1.一种基于双面平行带线的六端口宽带平衡网络，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)分别与六条双面平行带线(1)相连，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)位于介质基板对称的另外一侧，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)分别与第三网络端口(P3)和第五网络端口(P5)之间并联两条等宽度的第一传输线(2)，第二网络端口(P2)也分别与第四网络端口(P4)和第六网络端口(P6)之间并联两条等宽度的第一传输线(2)，第一传输线(2)的长度为四分之一波长；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)之间均并联了等宽度的第二传输线(4)，第二传输线(4)的长度为半波长；第三网络端口(P3)与第四网络端口(P4)各自对应的双面平行带线的另一端均分别连接长度为四分之一波长的第三传输线(3)，第五网络端口(P5)与第六网络端口(P6)各自对应的双面平行带线的另一端均分别连接长度为四分之一波长的第四传输线(8)，每根第三传输线(3)均与对应的第四传输线(8)通过具有180度反相特性的反相器(5)连接，上述两个反相器对称设置。
2.根据权利要求1中所述的基于双面平行带线的六端口宽带平衡网络，其特征在于，所述每个反相器(5)均包括两个金属通孔(6)、四条短枝节传输线(9)和两个隔离电阻(7)，其中四条短枝节传输线分别为第一短枝节传输线(9-1)、第二短枝节传输线(9-2)、第三短枝节传输线(9-3)、第四短枝节传输线(9-4)，第一短枝节传输线(9-1)与第二短枝节传输线(9-2)位于上层并关于反相器上层中心对称，第一短枝节传输线(9-1)与第二短枝节传输线(9-2)之间连接第一隔离电阻(7-1)；
第三短枝节传输线(9-3)和第四短枝节传输线(9-4)位于下层并关于反相器下层中心对称，第三短枝节传输线(9-3)和第四短枝节传输线(9-4)之间连接第二隔离电阻(7-2)；
第一短枝节传输线(9-1)与第四短枝节传输线(9-4)中心对称，第二短枝节传输线(9-2)与第四短枝节传输线(9-4)之间通过第一金属通孔(6-1)连接，第一短枝节传输线(9-1)与第三短枝节传输线(9-3)之间通过第二金属通孔(6-2)连接。
3.根据权利要求1或2所述的基于双面平行带线的六端口宽带平衡网络，其特征在于，六条双面平行带线(1)均具有相等的长度和宽度，其阻抗值都等于50欧姆。
4.根据权利要求1或2所述的基于双面平行带线的六端口宽带平衡网络，其特征在于，第一传输线(2)、第二传输线(4)、第三传输线(3)与第四传输线(8)的宽度相等，第一传输线(2)、第三传输线(3)与第四传输线(8)的长度相等。
5.根据权利要求2所述的基于双面平行带线的六端口宽带平衡网络，其特征在于，第一隔离电阻(7-1)与第二隔离电阻(7-2)的大小相等，电阻值都为100欧姆。
6.根据权利要求1或2所述的基于双面平行带线的六端口宽带平衡网络，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0.1～4mm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20150513 |