CN105006621A - 一种s波段微型双微波外负载正交功分器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种S波段微型双微波外负载正交功分器，包括外负载定向耦合器和两个微型微波功分器，所述外负载定向耦合器包括第一输入端口、直通端口、耦合端口、隔离端口、第一输入电感、上下两层双螺旋结构的宽边耦合带状线、三个输出电感，外负载定向耦合器的直通端口与第一微波功分器的输入端口连接、耦合端口与第二微波功分器的输入端口连接；两个微型微波功分器由特定的紧凑结构和三维立体集成结构构成，均采用多层低温共烧陶瓷工艺技术实现。本发明的四路输出信号功率相同，具有可产生正交相位、易调试、插损小等优点，适用于相应微波频段的通信、卫星通信等系统。

Description

一种S波段微型双微波外负载正交功分器

技术领域

本发明涉及功分器技术领域，特别是一种S波段微型双微波外负载正交功分器。

背景技术

功率分配器(简称功分器)是一种重要的微波无源器件。功率分配器广泛地应用在无线通信领域，主要包括微波功率放大、线性化电路等方面。20世纪50年代中期到60年代，世界上提出了第一种功分器，叫威尔金森(Wilkinson)功分器，它是利用四分之一波长传输线的阻抗变换特性来实现的。随着通信技术的迅猛发展和通信行业竞争的加剧，对Wilkinson功分器的性能也提出了新的要求。而传统的Wilkinson功分器只能工作在单一的频段及其奇次谐波处，已经远远不能满足现代无线通信的双频、多频和宽带的要求。

功率分配器发展趋势是体积小、承受功率大、频带宽、分配损耗小插入损耗小、有良好的驻波比和隔离度等。然而在某些特殊场合，对功率分配器的要求也是越来越高。随着功分器基本原理与设计技术的大量文献德相继出现，从六七十年代到上世纪末，提出了很多拓宽工作带宽的方法，1967年，Sidney David引入了开路入/4传输线展宽带宽；后来Cohn介绍了多节传输线结构来展宽带宽并给出2节功率合成器的详细设计的公式和表格。Tetarenko在他的文章中介绍采用渐变线阻抗变换器和薄膜电阻结构来实现展宽工作带宽的目的。进入到21世纪己涌现了从立体结构到平面结构，从窄带到宽带器件的大量研究成果，并且这些成果已广泛应用于微波工程技术领域。2005年北京遥测技术研究所提出了一种宽带功率分配器结构，它是采用一个七节的二等分分路器来实现的。该方案实现了在l到12GHz的宽带范围内路间隔离度大于15.7dB。2006年吴磊和孙增光提出了一种双频功分器的设计方案即在双频功分器在两个输出端口之间加入RLC谐振电路来实现整个功分器的双频特性，文中采用复合左右手材料来实现双频功分器。2007年电子科大宋开军和樊勇提出了一种基于扩展同轴波导的探针插入式功率分配/合成电路结构。这种功率合成电路的特点是采用探针沿扩展同轴波导径向插入来实现功率从波导到微带的转换和分配，由探针从波导中引出的功率信号经同轴波导外有源放大单元进行放大后，再由探针引入波导，在波导内实现功率合成。该方案实现了在5到20GHz的宽带范围内回波损耗小于一15dB，而插入损耗小于O.57dB例。同年香港城市大学Leung Chiu提出了一种悬置微带功分器结构，它可以获得96.5％的一10dB带宽比，高于25dB的隔离度和小于0.7dB的插入损耗。2009年南京理工大学的唐万春和王丹阳提出了一种由K(K10pfenstein)渐变匹配节组成的新型宽带功分器，该功分器的工作频段为9倍频(2—18GHz)，覆盖了S波段、C波段和x波段三个波段，其工作频带范围大，实用性强。

到目前为止，功率分配器的技术依然存在很大的发展空间，现代通讯的发展需要更高性能的功分器。例如，承受功率不够大、频带不够宽会影响功率分配器的使用范围，限制功率分配器的发展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种由带状线结构和外负载定向耦合器实现体积小、可靠性高、电性能优异的S波段微型双微波外负载正交功分器。

实现本发明目的的技术解决方案是：一种S波段微型双微波外负载正交功分器，包括外负载定向耦合器和两个微波功分器，所述外负载定向耦合器包括第一输入端口、直通端口、耦合端口、隔离端口、第一输入电感、上下两层双螺旋结构的宽边耦合带状线、三个输出电感，外负载定向耦合器的直通端口与第一微波功分器的输入端口连接、耦合端口与第二微波功分器的输入端口连接；所述外负载定向耦合器中第一输入电感、上层双螺旋结构的宽边耦合带状线和第一输出电感在同一平面，第一输入端口通过第一输入电感与上层双螺旋结构的宽边耦合带状线一端连接，上层双螺旋结构的宽边耦合带状线另一端通过第一输出电感与直通端口连接；第二输出电感、下层双螺旋结构的宽边耦合带状线和第三输出电感在同一平面，下层双螺旋结构的宽边耦合带状线一端通过第二输出电感与耦合端口连接，下层双螺旋结构的宽边耦合带状线另一端通过第三输出电感与隔离端口连接；

所述第一、二微波功分器的结构相同，每个微波功分器均包括第二输入端口、第二输入电感、第一λ/4带状线、第二λ/4带状线、100Ω电阻、第四输出电感、第五输出电感、第一输出端口、第二输出端口，其中第一λ/4带状线、第二λ/4带状线分别由三段带状线组成U型，且第一λ/4带状线、第二λ/4带状线的始端相连接，第一λ/4带状线的末端与100Ω电阻一端连接，第二λ/4带状线的末端与100Ω电阻另一端连接；第二输入端口与第二输入电感的一端连接，第二输入电感的另一端与第一λ/4带状线、第二λ/4带状线的公共始端连接，第四输出电感串接于第一λ/4带状线的末端与第一输出端口之间，第五输出电感串接于第二λ/4带状线的末端与第二输出端口之间。

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)可产生形状相同，相位相差90度的信号波形；(3)体积小、重量轻、可靠性高、电性能优异；(4)电路实现结构简单，可实现大批量生产。

附图说明

图1(a)是本发明S波段微型双微波外负载正交功分器的结构示意图，其中(a)是原理结构示意图，(b)是外负载定向耦合器的立体机构示意图，(c)是第一微波功分器的立体机构示意图，(d)是第二微波功分器的立体结构示意图。

图2是本发明S波段微型双微波外负载正交功分器各输出端口的幅频特性曲线图。

图3是本发明S波段微型双微波外负载正交功分器输入端口的驻波特性曲线图。

图4是本发明S波段微型双微波外负载正交功分器中第一、二输出端口的相位差曲线及第三、四输出端口的相位差曲线图。

图5是本发明S波段微型双微波外负载正交功分器中第一、三输出端口的相位差曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

本发明S波段微型双微波外负载正交功分器，包括外负载定向耦合器和两个微波功分器，所述外负载定向耦合器包括第一输入端口、直通端口、耦合端口、隔离端口、第一输入电感、上下两层双螺旋结构的宽边耦合带状线、三个输出电感，外负载定向耦合器的直通端口与第一微波功分器的输入端口连接、耦合端口与第二微波功分器的输入端口连接；所述外负载定向耦合器中第一输入电感、上层双螺旋结构的宽边耦合带状线和第一输出电感在同一平面，第一输入端口通过第一输入电感与上层双螺旋结构的宽边耦合带状线一端连接，上层双螺旋结构的宽边耦合带状线另一端通过第一输出电感与直通端口连接；第二输出电感、下层双螺旋结构的宽边耦合带状线和第三输出电感在同一平面，下层双螺旋结构的宽边耦合带状线一端通过第二输出电感与耦合端口连接，下层双螺旋结构的宽边耦合带状线另一端通过第三输出电感与隔离端口连接；

所述第一、二微波功分器的结构相同，每个微波功分器均包括第二输入端口、第二输入电感、第一λ/4带状线、第二λ/4带状线、100Ω电阻、第四输出电感、第五输出电感、第一输出端口、第二输出端口，其中第一λ/4带状线、第二λ/4带状线分别由三段带状线组成U型，且第一λ/4带状线、第二λ/4带状线的始端相连接，第一λ/4带状线的末端与100Ω电阻一端连接，第二λ/4带状线的末端与100Ω电阻另一端连接；第二输入端口与第二输入电感的一端连接，第二输入电感的另一端与第一λ/4带状线、第二λ/4带状线的公共始端连接，第四输出电感串接于第一λ/4带状线的末端与第一输出端口之间，第五输出电感串接于第二λ/4带状线的末端与第二输出端口之间。

结合图1(a)～(d)，本发明S波段微型双微波外负载正交功分器，所述外负载定向耦合器包括表面贴装的50欧姆阻抗第一输入端口P1、表面贴装的50欧姆阻抗直通端口P2、表面贴装的50欧姆阻抗耦合端口P3、表面贴装的50欧姆阻抗隔离端口P4、第一输入电感Lin1、第一层双螺旋结构的宽边耦合带状线U1、第一输出电感Lout1、第二输出电感Lout2、第二层双螺旋结构的宽边耦合带状线U2、第三输出电感Lout3和接地端。所述外负载定向耦合器中，第一层双螺旋结构的宽边耦合带状线U1位于第二层双螺旋结构的宽边耦合带状线U2上方，第一输入电感Lin1、第一层双螺旋结构的宽边耦合带状线U1和第一输出电感Lout1在同一平面，第一输入电感Lin1一端与表面贴装的50欧姆阻抗输入端口P1连接，第一输出电感Lout1一端与表面贴装的50欧姆阻抗直通端口P2连接，第一层双螺旋结构的宽边耦合带状线U1一端与第一输入电感Lin1另一端连接，第一层双螺旋结构的宽边耦合带状线U1另一端与第一输出电感Lout1另一端连接；第二输出电感Lout2、第二层双螺旋结构的宽边耦合带状线U2和第三输出电感Lout3在同一平面，第二输出电感Lout2一端与表面贴装的50欧姆阻抗耦合端口P3连接，第三输出电感Lout3一端与表面贴装的50欧姆阻抗隔离端口P4连接，第二层双螺旋结构的宽边耦合带状线U2一端与第二输出电感Lout2另一端连接，第二层双螺旋结构的宽边耦合带状线U2另一端与第三输出电感Lout3另一端连接。

所述第一微波功分器D1包括表面贴装的50欧姆阻抗第二输入端口P5、第二输入电感Lin2、第一λ/4带状线d1、第二λ/4带状线d2、第一100Ω电阻R1、第四输出电感Lout4、第五输出电感Lout5、表面贴装的50欧姆阻抗第一输出端口P6、表面贴装的50欧姆阻抗第二输出端口P7和接地端；其中第一λ/4带状线d1和第二λ/4带状线d2分别由三段带状线组成U型，且第一λ/4带状线d1、第二λ/4带状线d2的始端相连接，第一λ/4带状线d1的末端与第一100Ω电阻R1一端连接，第二λ/4带状线d2的末端与第一100Ω电阻R1另一端连接；第二输入端口P5与第二输入电感Lin2一端连接，第二输入电感Lin2另一端与第一λ/4带状线d1、第二λ/4带状线d2的公共始端连接，第一λ/4带状线d1的末端与第四输出电感Lout4一端连接，第二λ/4带状线d2的末端与第五输出电感Lout5一端连接；第二微波功分器D2包括表面贴装的50欧姆阻抗第三输入端口P8、第三输入电感Lin3、第三λ/4带状线d3、第四λ/4带状线d4、第二100Ω电阻R2、第六输出电感Lout6、第七输出电感Lout7、表面贴装的50欧姆阻抗第三输出端口P9、表面贴装的50欧姆阻抗第四输出端口P10和接地端；其中第三λ/4带状线d3和第四λ/4带状线d4分别由三段带状线组成U型，且第三λ/4带状线d3、第四λ/4带状线d4的始端相连接，第三λ/4带状线d3的末端与第二100Ω电阻R2一端连接，第四λ/4带状线d4的末端与第二100Ω电阻R2另一端连接；第三输入端口P8与第三输入电感Lin3一端连接，第三输入电感Lin3另一端与第三λ/4带状线d3、第四λ/4带状线d4的公共始端连接，第三λ/4带状线d3的末端与第六输出电感Lout6一端连接，第四λ/4带状线d4的末端与第七输出电感Lout7一端连接。

所述第一输入端口P1通过第一输入电感Lin1与第一层双螺旋结构的宽边耦合带状线一端U1连接，直通端口P2通过第一输出电感Lout1与第一层双螺旋结构的宽边耦合带状线U1另一端连接，耦合端口P3通过第二输出电感Lout2与第二层双螺旋结构的宽边耦合带状线U2一端连接，隔离端口P4通过第三输出电感Lout3与第二层双螺旋结构的宽边耦合带状线U2另一端连接，第二输入端口P5通过第二输入电感Lin2与第一λ/4带状线d1、第二λ/4带状线d2连接，第一λ/4带状线d1通过第四输出电感Lout4与第一输出端口P6连接，第二λ/4带状线d2通过第五输出电感Lout5与第二输出端口P7连接，第三输入端口P8通过第三输入电感Lin3与第三λ/4带状线d3、第四λ/4带状线d4连接，第三λ/4带状线d3通过第六输出电感Lout6与第三输出端口P9连接，第四λ/4带状线d4通过第七输出电感Lout7与第四输出端口P4连接。

所述表面贴装的50欧姆阻抗输入端口P1、P5、P8、表面贴装的50欧姆阻抗直通端口P2、表面贴装的50欧姆阻抗耦合端口P3、表面贴装的50欧姆阻抗隔离端口P4、表面贴装的50欧姆阻抗输出端口P6、P7、P9、P10、输入电感Lin1、Lin2、Lin3、双螺旋结构的宽边耦合带状线U1、U2、输出电感Lout1、Lout2、Lout3、Lout4、Lout5、Lout6、Lout7、λ/4带状线d1、d2、d3、d4、100Ω电阻R1、R2和接地端均采用多层低温共烧陶瓷工艺实现。

本发明S波段微型双微波外负载正交功分器，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。

实施例1

本发明S波段微型双微波外负载正交功分器中外负载定向耦合器的尺寸仅为3.21mm×1.63mm×1.53mm，功分器的尺寸仅为14.02mm×12.92mm×1.62mm。结合图2～5，本实施例S波段微型双微波外负载正交功分器的性能如下：通带带宽为2.7GHz～2.9GHz，表面贴装的50欧姆阻抗第一输出端口P6、表面贴装的50欧姆阻抗第二输出端口P7、表面贴装的50欧姆阻抗第三输出端口P9、表面贴装的50欧姆阻抗第四输出端口P10在通带内的输出波形基本一致，输入端口回波损耗优于23dB；在通带内，表面贴装的50欧姆阻抗第一输出端口P6、表面贴装的50欧姆阻抗第二输出端口P7的相位近似相同，表面贴装的50欧姆阻抗第三输出端口P9、表面贴装的50欧姆阻抗第四输出端口P10的相位近似相同，表面贴装的50欧姆阻抗第一输出端口P6与表面贴装的50欧姆阻抗第三输出端口P9的相位差近似为90度。

综上所述，本发明的四路输出信号功率相同，具有可产生正交相位、易调试、插损小、重量轻、体积小、可靠性高、电性能好、温度稳定性好、电性能批量一致性好、成本低、可大批量生产等优点，适用于相应微波频段的通信、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。

Claims (6)

1.一种S波段微型双微波外负载正交功分器，其特征在于：包括外负载定向耦合器和两个微波功分器，所述外负载定向耦合器包括第一输入端口、直通端口、耦合端口、隔离端口、第一输入电感、上下两层双螺旋结构的宽边耦合带状线、三个输出电感，外负载定向耦合器的直通端口与第一微波功分器的输入端口连接、耦合端口与第二微波功分器的输入端口连接；所述外负载定向耦合器中第一输入电感、上层双螺旋结构的宽边耦合带状线和第一输出电感在同一平面，第一输入端口通过第一输入电感与上层双螺旋结构的宽边耦合带状线一端连接，上层双螺旋结构的宽边耦合带状线另一端通过第一输出电感与直通端口连接；第二输出电感、下层双螺旋结构的宽边耦合带状线和第三输出电感在同一平面，下层双螺旋结构的宽边耦合带状线一端通过第二输出电感与耦合端口连接，下层双螺旋结构的宽边耦合带状线另一端通过第三输出电感与隔离端口连接；

所述第一、二微波功分器的结构相同，每个微波功分器均包括第二输入端口、第二输入电感、第一λ/4带状线、第二λ/4带状线、100Ω电阻、第四输出电感、第五输出电感、第一输出端口、第二输出端口，其中第一λ/4带状线、第二λ/4带状线分别由三段带状线组成U型，且第一λ/4带状线、第二λ/4带状线的始端相连接，第一λ/4带状线的末端与100Ω电阻一端连接，第二λ/4带状线的末端与100Ω电阻另一端连接；第二输入端口与第二输入电感的一端连接，第二输入电感的另一端与第一λ/4带状线、第二λ/4带状线的公共始端连接，第四输出电感串接于第一λ/4带状线的末端与第一输出端口之间，第五输出电感串接于第二λ/4带状线的末端与第二输出端口之间。

2.根据权利要求1所述的S波段微型双微波外负载正交功分器，其特征在于：所述外负载定向耦合器包括表面贴装的50欧姆阻抗第一输入端口(P1)、表面贴装的50欧姆阻抗直通端口(P2)、表面贴装的50欧姆阻抗耦合端口(P3)、表面贴装的50欧姆阻抗隔离端口(P4)、第一输入电感(Lin1)、第一层双螺旋结构的宽边耦合带状线(U1)、第一输出电感(Lout1)、第二输出电感(Lout2)、第二层双螺旋结构的宽边耦合带状线(U2)、第三输出电感(Lout3)和接地端。

3.根据权利要求2所述的S波段微型双微波外负载正交功分器，其特征在于：所述外负载定向耦合器中，第一层双螺旋结构的宽边耦合带状线(U1)位于第二层双螺旋结构的宽边耦合带状线(U2)上方，第一输入电感(Lin1)、第一层双螺旋结构的宽边耦合带状线(U1)和第一输出电感(Lout1)在同一平面，第一输入电感(Lin1)一端与表面贴装的50欧姆阻抗输入端口(P1)连接，第一输出电感(Lout1)一端与表面贴装的50欧姆阻抗直通端口(P2)连接，第一层双螺旋结构的宽边耦合带状线(U1)一端与第一输入电感(Lin1)另一端连接，第一层双螺旋结构的宽边耦合带状线(U1)另一端与第一输出电感(Lout1)另一端连接；第二输出电感(Lout2)、第二层双螺旋结构的宽边耦合带状线(U2)和第三输出电感(Lout3)在同一平面，第二输出电感(Lout2)一端与表面贴装的50欧姆阻抗耦合端口(P3)连接，第三输出电感(Lout3)一端与表面贴装的50欧姆阻抗隔离端口(P4)连接，第二层双螺旋结构的宽边耦合带状线(U2)一端与第二输出电感(Lout2)另一端连接，第二层双螺旋结构的宽边耦合带状线(U2)另一端与第三输出电感(Lout3)另一端连接。

4.根据权利要求3所述的S波段微型双微波外负载正交功分器，其特征在于：所述第一微波功分器(D1)包括表面贴装的50欧姆阻抗第二输入端口(P5)、第二输入电感(Lin2)、第一λ/4带状线(d1)、第二λ/4带状线(d2)、第一100Ω电阻(R1)、第四输出电感(Lout4)、第五输出电感(Lout5)、表面贴装的50欧姆阻抗第一输出端口(P6)、表面贴装的50欧姆阻抗第二输出端口(P7)和接地端；其中第一λ/4带状线(d1)和第二λ/4带状线(d2)分别由三段带状线组成U型，且第一λ/4带状线(d1)、第二λ/4带状线(d2)的始端相连接，第一λ/4带状线(d1)的末端与第一100Ω电阻(R1)一端连接，第二λ/4带状线(d2)的末端与第一100Ω电阻(R1)另一端连接；第二输入端口(P5)与第二输入电感(Lin2)一端连接，第二输入电感(Lin2)另一端与第一λ/4带状线(d1)、第二λ/4带状线(d2)的公共始端连接，第一λ/4带状线(d1)的末端与第四输出电感(Lout4)一端连接，第二λ/4带状线(d2)的末端与第五输出电感(Lout5)一端连接；

第二微波功分器(D2)包括表面贴装的50欧姆阻抗第三输入端口(P8)、第三输入电感(Lin3)、第三λ/4带状线(d3)、第四λ/4带状线(d4)、第二100Ω电阻(R2)、第六输出电感(Lout6)、第七输出电感(Lout7)、表面贴装的50欧姆阻抗第三输出端口(P9)、表面贴装的50欧姆阻抗第四输出端口(P10)和接地端；其中第三λ/4带状线(d3)和第四λ/4带状线(d4)分别由三段带状线组成U型，且第三λ/4带状线(d3)、第四λ/4带状线(d4)的始端相连接，第三λ/4带状线(d3)的末端与第二100Ω电阻(R2)一端连接，第四λ/4带状线(d4)的末端与第二100Ω电阻(R2)另一端连接；第三输入端口(P8)与第三输入电感(Lin3)一端连接，第三输入电感(Lin3)另一端与第三λ/4带状线(d3)、第四λ/4带状线(d4)的公共始端连接，第三λ/4带状线(d3)的末端与第六输出电感(Lout6)一端连接，第四λ/4带状线(d4)的末端与第七输出电感(Lout7)一端连接。

5.根据权利要求4所述的S波段微型双微波外负载正交功分器，其特征在于：所述表面贴装的50欧姆阻抗输入端口(P1、P5、P8)、表面贴装的50欧姆阻抗直通端口(P2)、表面贴装的50欧姆阻抗耦合端口(P3)、表面贴装的50欧姆阻抗隔离端口(P4)、表面贴装的50欧姆阻抗输出端口(P6、P7、P9、P10)、输入电感(Lin1、Lin2、Lin3)、双螺旋结构的宽边耦合带状线(U1、U2)、输出电感(Lout1、Lout2、Lout3、Lout4、Lout5、Lout6、Lout7)、λ/4带状线(d1、d2、d3、d4)、100Ω电阻(R1、R2)和接地端均采用多层低温共烧陶瓷工艺实现。

6.根据权利要求4所述的S波段微型双微波外负载正交功分器，其特征在于：所述第一输入端口(P1)通过第一输入电感(Lin1)与第一层双螺旋结构的宽边耦合带状线一端(U1)连接，直通端口(P2)通过第一输出电感(Lout1)与第一层双螺旋结构的宽边耦合带状线(U1)另一端连接，耦合端口(P3)通过第二输出电感(Lout2)与第二层双螺旋结构的宽边耦合带状线(U2)一端连接，隔离端口(P4)通过第三输出电感(Lout3)与第二层双螺旋结构的宽边耦合带状线(U2)另一端连接，第二输入端口(P5)通过第二输入电感(Lin2)与第一λ/4带状线(d1)、第二λ/4带状线(d2)连接，第一λ/4带状线(d1)通过第四输出电感(Lout4)与第一输出端口(P6)连接，第二λ/4带状线(d2)通过第五输出电感(Lout5)与第二输出端口(P7)连接，第三输入端口(P8)通过第三输入电感(Lin3)与第三λ/4带状线(d3)、第四λ/4带状线(d4)连接，第三λ/4带状线(d3)通过第六输出电感(Lout6)与第三输出端口(P9)连接，第四λ/4带状线(d4)通过第七输出电感(Lout7)与第四输出端口(P4)连接。