CN104966863A - 开关型平衡滤波功分器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开关型平衡滤波功分器，包括单刀双掷开关芯片WKD102010040、平衡滤波器、S波段微型功分器、表面贴装的50欧姆阻抗输入/输出接口，上述结构均采用多层低温共烧陶瓷工艺技术（LTCC技术）实现。本发明具有可倒相、插损小、易调试、重量轻、体积小、可靠性高、电性能好、温度稳定性好、成本低、可大批量生产等优点，适用于相应毫米波频段的通信、卫星通信等对体积、电性能、温度稳定性和可靠性有苛刻要求的场合和相应的系统中。

Description

开关型平衡滤波功分器

技术领域

本发明涉及一种功分器，具体是一种开关型平衡滤波功分器。

背景技术

    近年来，随着移动通信、卫星通信及国防电子系统的微型化的迅速发展，高性能、低成本和小型化已经成为目前微波/射频领域的发展方向，对微波功分器的性能、尺寸、可靠性和成本均提出了更高的要求。  如今无论是军用的雷达、电子探测、电子对抗等，还是民用的手机通信、电视、遥控，都需要将电子信号分配处理，这就需要用到一种重要的微波无源器件—功率分配器（功分器）。它是一种将一路信号分为两路或者多路信号的微波网络，如果将其反转使用，则是将几路信号合成一路信号的功率合成器，现在功分器已广泛应用于各种电子设备中。平衡滤波器一直是各种微波集成电路中的重要组成部件，由于两输出端口输出等幅度倒相差模信号，加入开关更增添了输入信号的灵活性，其在实际应用中非常广泛，因此将平衡滤波器与功分器相连，可以扩大功分器的使用范围，使功分器的阻带衰减更加可观，克服了单一功分器在单一频点处阻带衰减不理想的特点，具有很大的应用前景。

低温共烧陶瓷是一种电子封装技术，采用多层陶瓷技术，能够将无源元件内置于介质基板内部，同时也可以将有源元件贴装于基板表面制成无源/有源集成的功能模块。LTCC技术在成本、集成封装、布线线宽和线间距、低阻抗金属化、设计多样性和灵活性及高频性能等方面都显现出众多优点，已成为无源集成的主流技术。其具有高Q值，便于内嵌无源器件，散热性好，可靠性高，耐高温，冲震等优点，利用LTCC技术，可以很好的加工出尺寸小，精度高，紧密型好，损耗小的微波器件。由于LTCC技术具有三维立体集成优势，在微波频段被广泛用来制造各种微波无源元件，实现无源元件的高度集成。基于LTCC工艺的叠层技术，可以实现三维集成，从而使各种微型微波滤波器具有尺寸小、重量轻、性能优、可靠性高、批量生产性能一致性好及低成本等诸多优点，利用其三维集成结构特点，可以实现开关型2.8G平衡滤波功分器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种阻带衰减高、体积小、重量轻、可靠性高、电性能优异、结构简单、成品率高、批量一致性好、造价低、温度性能稳定的开关型2.8G平衡滤波功分器。

实现本发明目的的技术方案是：一种开关型2.8G平衡滤波功分器，它由单刀双掷开关芯片WKD102010040、平衡滤波器、S波段功分器组成。平衡滤波器包括表面贴装的50欧姆阻抗第一输入端口、表面贴装的50欧姆阻抗第二输入端口、第一输入电感、第二输入电感、第一级并联谐振单元、第二级并联谐振单元、第三级并联谐振单元、第四级并联谐振单元、第五级并联谐振单元、第六级并联谐振单元、输出电感、Z形级间耦合带状线、表面贴装的50欧姆阻抗输出端口，各级并联谐振单元均由三层带状线组成，第二层带状线垂直位于第三层带状线上方，第一层带状线垂直位于第二层带状线上方，第一级并联谐振单元由第一层的第一带状线、第二层的第二带状线、第三层的第三带状线、第一微电容并联而成，第二级并联谐振单元由第一层的第四带状线、第二层的第五带状线、第三层的第六带状线、第二微电容并联而成，第三级并联谐振单元由第一层的第七带状线、第二层的第八带状线、第三层的第九带状线、第三微电容并联而成，第四级并联谐振单元由第一层的第十带状线、第二层的第十一带状线、第三层的第十二带状线、第四微电容并联而成，第五级并联谐振单元由第一层的第十三带状线、第二层的第十四带状线、第三层的第十五带状线、第五微电容并联而成，第六级并联谐振单元由第一层的第十六带状线、第二层的第十七带状线、第三层的第十八带状线、第六微电容并联而成，其中，第一输入电感与表面贴装的50欧姆阻抗第一输入端口连接，第二输入电感与表面贴装的50欧姆阻抗第二输入端口连接，第一级并联谐振单元的第二层的第二带状线与第一输入电感连接，第一级并联谐振单元的第三层的第三带状线与第二输入电感连接，第六级并联谐振单元的第二层的第十七带状线与输出电感连接，输出电感与表面贴装的50欧姆阻抗输出端口连接， Z形级间耦合带状线位于并联谐振单元的下面。六级并联谐振单元分别接地，其中第一、三层所有带状线接地端相同，一端是微电容接地，另一端开路，第二层带状线接地端相同，一端接地，另一端开路，且接地端方向与第一、三层接地端相反，Z形级间耦合带状线两端均接地。S波段功分器包括表面贴装的50欧姆阻抗第一输入端口、输入电感、第一四分之一波长传输线、第二四分之一波长传输线、第一输出电感、第二输出电感、吸收电阻、表面贴装的50欧姆阻抗第一输出端口、表面贴装的50欧姆阻抗第二输出端口，表面贴装的50欧姆阻抗第一输入端口与输入电感连接，第一四分之一波长传输线与第二四分之一波长传输线并联与吸收电阻的两端，第一四分之一波长传输线与第一输出电感连接，第二四分之一波长传输线与第二输出电感连接，第一输出电感与第一输出端口连接，第二输出电感与第二输出端口连接。单刀双掷开关芯片WKD102010040的RFOut1与表面贴装的50欧姆阻抗第一输入端口连接，表面贴装的50欧姆阻抗RFOut2与表面贴装的50欧姆阻抗第二输入端口连接，平衡滤波器的输出端口与S波段功分器的的输入端口连接。

与现有技术相比，由于本发明采用低损耗低温共烧陶瓷材料和三维立体集成，所带来的显著优点是：（1）带内平坦；（2）阻带衰减好；（3）体积小、重量轻、可靠性高；（4）电性能优异；（5）电路实现结构简单，可实现大批量生产；（6）成本低；（7）使用安装方便，使用全自动贴片机安装和焊接。

附图说明

图 1（a）是本发明一种开关型平衡滤波功分器的外形结构示意图。

图1（b）是本发明一种开关型平衡滤波功分器中开关的外形及内部结构示意图。

图1（c）是本发明一种开关型平衡滤波功分器中平衡滤波器的外形及内部结构示意图。

图1（d）是本发明一种开关型平衡滤波功分器中S波段功分器的外形及内部结构示意图。

图2是本发明一种开关型平衡滤波功分器输出端口（P5）的幅频特性曲线。

图3是本发明一种开关型平衡滤波功分器输入端口（P6）的幅频特性曲线。

图4是本发明一种开关型平衡滤波功分器输出端口（P5、P6）的隔离特性曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合图1（a）、（b）、（c）、（d），本发明一种开关型平衡滤波功分器，其特征在于：它由单刀双掷开关芯片WKD102010040、平衡滤波器、S波段功分器组成。平衡滤波器包括表面贴装的50欧姆阻抗第一输入端口P1、表面贴装的50欧姆阻抗第二输入端口P2、第一输入电感Lin1、第二输入电感Lin2、第一级并联谐振单元L11、L21、L31、C1、第二级并联谐振单元L12、L22、L32、C2、第三级并联谐振单元L13、L23、L33、C3、第四级并联谐振单元L14、L24、L34、C4、第五级并联谐振单元L15、L25、L35、C5、第六级并联谐振单元L16、L26、L36、C6、输出电感Lout1、Z形级间耦合带状线Z、表面贴装的50欧姆阻抗输出端口P3，各级并联谐振单元均由三层带状线组成，第二层带状线垂直位于第三层带状线上方，第一层带状线垂直位于第二层带状线上方，第一级并联谐振单元L11、L21、L31、C1由第一层的第一带状线L11、第二层的第二带状线L21、第三层的第三带状线L31、第一微电容C1并联而成，第二级并联谐振单元L12、L22、L32、C2由第一层的第四带状线L12、第二层的第五带状线L22、第三层的第六带状线L32、第二微电容C2并联而成，第三级并联谐振单元L13、L23、L33、C3由第一层的第七带状线L13、第二层的第八带状线L23、第三层的第九带状线L33、第三微电容C3并联而成，第四级并联谐振单元L14、L24、L34、C4由第一层的第十带状线L14、第二层的第十一带状线L24、第三层的第十二带状线L34、第四微电容C4并联而成，第五级并联谐振单元L15、L25、L35、C5由第一层的第十三带状线L15、第二层的第十四带状线L25、第三层的第十五带状线L35、第五微电容C5并联而成，第六级并联谐振单元L16、L26、L36、C6由第一层的第十六带状线L16、第二层的第十七带状线L26、第三层的第十八带状线L36、第六微电容C6并联而成，其中，第一输入电感Lin1与表面贴装的50欧姆阻抗第一输入端口P1连接，第二输入电感Lin2与表面贴装的50欧姆阻抗第二输入端口P2连接，第一级并联谐振单元L11、L21、L31、C1的第二层的第二带状线L21与第一输入电感Lin1连接，第一级并联谐振单元L11、L21、L31、C1的第三层的第三带状线L31与第二输入电感Lin2连接，第六级并联谐振单元L16、L26、L36、C6的第二层的第十七带状线L26与输出电感Lout1连接，输出电感Lout1与表面贴装的50欧姆阻抗输出端口P3连接， Z形级间耦合带状线Z位于并联谐振单元的下面。六级并联谐振单元分别接地，其中第一、三层所有带状线接地端相同，一端是微电容接地，另一端开路，第二层带状线接地端相同，一端接地，另一端开路，且接地端方向与第一、三层接地端相反，Z形级间耦合带状线Z两端均接地。S波段功分器包括表面贴装的50欧姆阻抗第一输入端口P4、输入电感Lin3、第一四分之一波长传输线Z1、第二四分之一波长传输线Z2、第一输出电感Lout2、第二输出电感Lout3、吸收电阻R、表面贴装的50欧姆阻抗第一输出端口P5、表面贴装的50欧姆阻抗第二输出端口P6，表面贴装的50欧姆阻抗第一输入端口P4与输入电感Lin3连接，第一四分之一波长传输线Z1与第二四分之一波长传输线Z2并联与吸收电阻R的两端，第一四分之一波长传输线Z1与第一输出电感Lout2连接，第二四分之一波长传输线Z2与第二输出电感Lout3连接，第一输出电感Lout2与第一输出端口P5连接，第二输出电感Lout3与第二输出端口P6连接。单刀双掷开关芯片WKD102010040的RFOut1与表面贴装的50欧姆阻抗第一输入端口P1连接，表面贴装的50欧姆阻抗RFOut2与表面贴装的50欧姆阻抗第二输入端口P2连接，平衡滤波器的表面贴装的50欧姆阻抗输出端口P3与S波段功分器的表面贴装的50欧姆阻抗输入端口P4连接。

结合图1（a）、（b）、（c）、（d），包括表面贴装的50欧姆阻抗输入端口P1、P2、P4、输入电感Lin1、Lin2、Lin3、平衡滤波器的第一级并联谐振单元L11、L21、L31、C1、第二级并联谐振单元L12、L22、L32、C2、第三级并联谐振单元L13、L23、L33、C3、第四级并联谐振单元L14、L24、L34、C4、第五级并联谐振单元L15、L25、L35、C5、第六级并联谐振单元L16、L26、L36、C6、第一四分之一波长传输线Z1、第二四分之一波长传输线Z2、吸收电阻R、输出电感Lout1、Lout2、Lout3、表面贴装的50欧姆阻抗输出端口P3、P5、P6、Z形级间耦合带状线Z及接地端均采用多层低温共烧陶瓷工艺实现。

一种开关型平衡滤波功分器，由于是采用多层低温共烧陶瓷工艺实现，其低温共烧陶瓷材料和金属图形在大约900℃温度下烧结而成，所以具有非常高的可靠性和温度稳定性，由于结构采用三维立体集成和多层折叠结构以及外表面金属屏蔽实现接地和封装，从而使体积大幅减小。

本发明一种开关型平衡滤波功分器中平衡滤波器的尺寸仅为3.2mm×4.5mm×1.5mm，功分器的尺寸为14mm×12.9mm×1.6mm。其性能可从图2、图3、图4、看出，通带带宽为2.7GHz~2.9GHz，从图2、图3可以看出输出端口P5和输出端口P6在通带内的输出波形基本一致并且比较平坦，从图4可以看出输出端口(P5)和输出端口P6信号的隔离度优于16dB。

WKD102010040型芯片是一款低插损的压控反射式单刀双掷开关芯片，使用0.25微米栅长的砷化镓赝配高电子迁移率晶体管工艺制造而成，该芯片通过背面金属经通孔接地。所有芯片产品全部经100%射频测量。WKD102010040型芯片为0/-5V或5V/0V电源工作，在DC~4GHz内插入损耗：0.5dB，隔离度：38dB，输入驻波比：1.2:1，输出驻波比：1.2:1，切换时间：10ns。

由于微波毫米波有源平衡滤波功分器简单来说就是一个单刀双掷开关芯片WKD102010040加上一个有源平衡滤波器，其输出端的幅频特性曲线在通带范围内插损再加上0.5dB，其输入端口以及两个输出端口的相位平衡度并不发生变化。

Claims (3)

1.一种开关型平衡滤波功分器，其特征在于：包括单刀双掷开关芯片WKD102010040、平衡滤波器和S波段功分器；平衡滤波器包括表面贴装的50欧姆阻抗第一输入端口（P1）、表面贴装的50欧姆阻抗第二输入端口（P2）、第一输入电感（Lin1）、第二输入电感（Lin2）、第一级并联谐振单元（L11、L21、L31、C1）、第二级并联谐振单元（L12、L22、L32、C2）、第三级并联谐振单元（L13、L23、L33、C3）、第四级并联谐振单元（L14、L24、L34、C4）、第五级并联谐振单元（L15、L25、L35、C5）、第六级并联谐振单元（L16、L26、L36、C6）、输出电感（Lout1）、Z形级间耦合带状线（Z）、表面贴装的50欧姆阻抗输出端口（P3），各级并联谐振单元均由三层带状线组成，第二层带状线垂直位于第三层带状线上方，第一层带状线垂直位于第二层带状线上方，第一级并联谐振单元（L11、L21、L31、C1）由第一层的第一带状线（L11）、第二层的第二带状线（L21）、第三层的第三带状线（L31）、第一微电容（C1）并联而成，第二级并联谐振单元（L12、L22、L32、C2）由第一层的第四带状线（L12）、第二层的第五带状线（L22）、第三层的第六带状线（L32）、第二微电容（C2）并联而成，第三级并联谐振单元（L13、L23、L33、C3）由第一层的第七带状线（L13）、第二层的第八带状线（L23）、第三层的第九带状线（L33）、第三微电容（C3）并联而成，第四级并联谐振单元（L14、L24、L34、C4）由第一层的第十带状线（L14）、第二层的第十一带状线（L24）、第三层的第十二带状线（L34）、第四微电容（C4）并联而成，第五级并联谐振单元（L15、L25、L35、C5）由第一层的第十三带状线（L15）、第二层的第十四带状线（L25）、第三层的第十五带状线（L35）、第五微电容（C5）并联而成，第六级并联谐振单元（L16、L26、L36、C6）由第一层的第十六带状线（L16）、第二层的第十七带状线（L26）、第三层的第十八带状线（L36）、第六微电容（C6）并联而成，其中，第一输入电感（Lin1）与表面贴装的50欧姆阻抗第一输入端口（P1）连接，第二输入电感（Lin2）与表面贴装的50欧姆阻抗第二输入端口（P2）连接，第一级并联谐振单元（L11、L21、L31、C1）的第二层的第二带状线（L21）与第一输入电感（Lin1）连接，第一级并联谐振单元（L11、L21、L31、C1）的第三层的第三带状线（L31）与第二输入电感（Lin2）连接，第六级并联谐振单元（L16、L26、L36、C6）的第二层的第十七带状线（L26）与输出电感（Lout1）连接，输出电感（Lout1）与表面贴装的50欧姆阻抗输出端口（P3）连接， Z形级间耦合带状线（Z）位于并联谐振单元的下面；六级并联谐振单元分别接地，其中第一、三层所有带状线接地端相同，一端是微电容接地，另一端开路，第二层带状线接地端相同，一端接地，另一端开路，且接地端方向与第一、三层接地端相反，Z形级间耦合带状线（Z）两端均接地；S波段功分器包括表面贴装的50欧姆阻抗第一输入端口（P4）、第三输入电感（Lin3）、第一四分之一波长传输线（Z1）、第二四分之一波长传输线（Z2）、第一输出电感（Lout2）、第二输出电感（Lout3）、吸收电阻（R）、表面贴装的50欧姆阻抗第一输出端口（P5）、表面贴装的50欧姆阻抗第二输出端口（P6），表面贴装的50欧姆阻抗第一输入端口（P4）与第三输入电感（Lin3）连接，第一四分之一波长传输线（Z1）与第二四分之一波长传输线（Z2）并联与吸收电阻（R）的两端，第一四分之一波长传输线（Z1）与第一输出电感（Lout2）连接，第二四分之一波长传输线（Z2）与第二输出电感（Lout3）连接，第一输出电感（Lout2）与第一输出端口（P5）连接，第二输出电感（Lout3）与第二输出端口（P6）连接；单刀双掷开关芯片WKD102010040的RFOut1与表面贴装的50欧姆阻抗第一输入端口（P1）连接，表面贴装的50欧姆阻抗输出端口RFOut2与表面贴装的50欧姆阻抗第二输入端口（P2）连接，平衡滤波器的表面贴装的50欧姆阻抗输出端口（P3）与S波段功分器的表面贴装的50欧姆阻抗输入端口（P4）连接。

2.根据权利要求1所述的开关型平衡滤波功分器，其特征在于：表面贴装的50欧姆阻抗输入端口（P1、P2、P4）、输入电感（Lin1、Lin2、Lin3）、平衡滤波器的第一级并联谐振单元（L11、L21、L31、C1）、第二级并联谐振单元（L12、L22、L32、C2）、第三级并联谐振单元（L13、L23、L33、C3）、第四级并联谐振单元（L14、L24、L34、C4）、第五级并联谐振单元（L15、L25、L35、C5）、第六级并联谐振单元（L16、L26、L36、C6）、第一四分之一波长传输线（Z1）、第二四分之一波长传输线（Z2）、吸收电阻（R）、输出电感（Lout1、Lout2、Lout3）、表面贴装的50欧姆阻抗输出端口（P3、P5、P6）、Z形级间耦合带状线（Z）及接地端均采用多层低温共烧陶瓷工艺实现。

3.根据权利要求1或2所述的开关型平衡滤波功分器，其特征在于：第一输入端口（P1）通过第一输入电感（Lin1）与第一级并联谐振单元（L11、L21、L31、C1）的第二层的第二带状线（L21）连接，第二输入端口（P2）通过第二输入电感（Lin2）与第一级并联谐振单元（L11、L21、L31、C1）的第三层的第三带状线（L31）连接，输出端口（P3）通过输出电感（Lout）与第六级并联谐振单元（L16、L26、L36、C6）的第二层的第十七带状线（L26）连接，第三输入端口（P4）通过第二输入电感（Lin2）与第一四分之一波长传输线（Z1）和第二四分之一波长传输线（Z2）连接，输出端口（P2）通过输出电感（Lout1）与第一四分之一波长传输线（Z1）连接，输出端口（P3）通过第一输出电感（Lout2）与第一四分之一波长传输线（Z2）连接。