CN105048049A - 一种s波段微波正交功分器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种S波段微波正交功分器，包括微波功分器和两个定向耦合器。微波功分器由特定的紧凑结构和三维立体集成结构构成，定向耦合器包括表面贴装的输入/输出端口和双螺旋结构的宽边耦合带状线，上述结构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、重量轻、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。

Description

一种S波段微波正交功分器

技术领域

本发明涉及一种功分器，特别是一种S波段微波正交功分器。

背景技术

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。

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，对功分器的性能、尺寸、可靠性和成本均提出了更高的要求。耦合器一直是各种微波集成电路中的重要组成部件，由于直通口与耦合口的输出不同，因此将耦合器与功分器相连，可以扩大功分器的使用范围。

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，从而使各种微波功分器具有尺寸小、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，可以实现微波正交功分器。但是现有技术中尚无一种S波段微波正交功分器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种由带状线结构和定向耦合器实现体积小、重量轻、可靠性高、电性能优异、使用方便、适用范围广、成品率高、批量一致性好、造价低、温度性能稳定的S波段微波正交功分器。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种S波段微波正交功分器，由微波功分器和两个定向耦合器组成。微波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λ/4传输线、第二λ/4传输线、100欧姆电阻、第一输出电感、第二输出电感、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和接地端。其中，输入电感左端与表面贴装的50欧姆阻抗第一输入端口连接，右端与第一λ/4传输线、第二λ/4传输线连接，第一λ/4传输线的另一端与100欧姆电阻一端连接，第二λ/4传输线另一端与100欧姆电阻另一端连接。第一输出电感左端与第一λ/4传输线连接，右端与表面贴装的50欧姆阻抗第一输出端口连接，第二输出电感左端与第二λ/4传输线连接，右端与表面贴装的50欧姆阻抗第二输出端口连接。第一定向耦合器包括表面贴装的50欧姆阻抗第二输入端口、第一匹配线、表面贴装的50欧姆阻抗第一直通端口、第二匹配线、表面贴装的50欧姆阻抗第一耦合端口、第三匹配线、表面贴装的50欧姆阻抗第一隔离端口、第四匹配线、第一双螺旋结构的宽边耦合带状线、第二双螺旋结构的宽边耦合带状线和接地端，其中，第一双螺旋结构的宽边耦合带状线位于第二双螺旋结构的宽边耦合带状线正上方，第一匹配线、第二双螺旋结构的宽边耦合带状线和第二匹配线在同一平面，第一匹配线与表面贴装的50欧姆阻抗第二输入端口连接，第二匹配线与表面贴装的50欧姆阻抗第一直通端口连接，第二双螺旋结构的宽边耦合带状线左端与第一匹配线连接，第二双螺旋结构的宽边耦合带状线右端与第二匹配线连接；第三匹配线、第一双螺旋结构的宽边耦合带状线和第四匹配线在同一平面，第三匹配线与表面贴装的50欧姆阻抗第一耦合端口连接，第四匹配线与表面贴装的50欧姆阻抗第一隔离端口连接，第一双螺旋结构的宽边耦合带状线左端与第三匹配线连接，第一双螺旋结构的宽边耦合带状线右端与第四匹配线连接。第二定向耦合器包括表面贴装的50欧姆阻抗第三输入端口、第五匹配线、表面贴装的50欧姆阻抗第二直通端口、第六匹配线、表面贴装的50欧姆阻抗第二耦合端口、第七匹配线、表面贴装的50欧姆阻抗第二隔离端口、第八匹配线、第三双螺旋结构的宽边耦合带状线、第四双螺旋结构的宽边耦合带状线和接地端，其中，第三双螺旋结构的宽边耦合带状线位于第四双螺旋结构的宽边耦合带状线正上方，第五匹配线、第四双螺旋结构的宽边耦合带状线和第六匹配线在同一平面，第五匹配线与表面贴装的50欧姆阻抗第三输入端口连接，第六匹配线与表面贴装的50欧姆阻抗第二直通端口连接，第四双螺旋结构的宽边耦合带状线左端与第五匹配线连接，第四双螺旋结构的宽边耦合带状线右端与第六匹配线连接；第七匹配线、第三双螺旋结构的宽边耦合带状线和第八匹配线在同一平面，第七匹配线与表面贴装的50欧姆阻抗第二耦合端口连接，第八匹配线与表面贴装的50欧姆阻抗第二隔离端口连接，第三双螺旋结构的宽边耦合带状线左端与第七匹配线连接，第三双螺旋结构的宽边耦合带状线右端与第八匹配线连接。微波功分器的第一输出端口与第一定向耦合器的第二输入端口连接，第二输出端口与第二定向耦合器的第三输入端口连接。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)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，因此带内平坦；(2)可产生形状相同，相位相差90度的信号波形；(3)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。

附图说明

图1(a)是本发明一种S波段微波正交功分器的外形示意图。

图1(b)是本发明一种S波段微波正交功分器中微波功分器的外形及内部结构示意图。

图1(c)是本发明一种S波段微波正交功分器中第一定向耦合器的外形及内部结构示意图。

图1(d)是本发明一种S波段微波正交功分器中第二定向耦合器的外形及内部结构示意图。

图2是本发明一种S波段微波正交功分器直通口(P5、P9)、耦合口(P6、P10)的幅频特性曲线。

图3是本发明一种S波段微波正交功分器输入端口的驻波特性曲线。

图4是本发明一种S波段微波正交功分器直通口(P5)与耦合口(P6)的相位差曲线以及直通口(P9)与耦合口(P10)的相位差曲线。

图5是本发明一种S波段微波正交功分器第一直通口(P5)与第二直通口(P9)的相位差曲线以及第一耦合口(P6)与第二耦合口(P10)的相位差曲线。

具体实施方式

结合图1(a)、图1(b)、图1(c)、图1(d)，本发明的一种S波段微波正交功分器，包括微波功分器和两个定向耦合器，该正交功分器的微波功分器包括表面贴装的50欧姆阻抗第一输入端口P1、输入电感Lin、第一λ/4传输线S1、第二λ/4传输线S2、100欧姆电阻R、第一输出电感Lout1、第二输出电感Lout2、表面贴装的50欧姆阻抗第一输出端口P2、表面贴装的50欧姆阻抗第二输出端口P3和接地端。其中，输入电感Lin左端与表面贴装的50欧姆阻抗第一输入端口P1连接，右端与第一λ/4传输线S1、第二λ/4传输线S2连接，第一λ/4传输线S1的另一端与100欧姆电阻R一端连接，第二λ/4传输线S2另一端与100欧姆电阻R另一端连接。第一输出电感Lout1左端与第一λ/4传输线S1连接，右端与表面贴装的50欧姆阻抗第一输出端口P2连接，第二输出电感Lout2左端与第二λ/4传输线S2连接，右端与表面贴装的50欧姆阻抗第二输出端口P3连接。第一定向耦合器D1包括表面贴装的50欧姆阻抗第二输入端口P4、第一匹配线L1、表面贴装的50欧姆阻抗第一直通端口P5、第二匹配线L2、表面贴装的50欧姆阻抗第一耦合端口P6、第三匹配线L3、表面贴装的50欧姆阻抗第一隔离端口P7、第四匹配线L4、第一双螺旋结构的宽边耦合带状线U1、第二双螺旋结构的宽边耦合带状线U2和接地端，其中，第一双螺旋结构的宽边耦合带状线U1垂直位于第二双螺旋结构的宽边耦合带状线U2上方，第一匹配线L1、第二双螺旋结构的宽边耦合带状线U2和第二匹配线L2在同一平面，第一匹配线L1与表面贴装的50欧姆阻抗第二输入端口P4连接，第二匹配线L2与表面贴装的50欧姆阻抗第一直通端口P5连接，第二双螺旋结构的宽边耦合带状线U2左端与第一匹配线L1连接，第二双螺旋结构的宽边耦合带状线U2右端与第二匹配线L2连接；第三匹配线L3、第一双螺旋结构的宽边耦合带状线U1和第四匹配线L4在同一平面，第三匹配线L3与表面贴装的50欧姆阻抗第一耦合端口P6连接，第四匹配线L4与表面贴装的50欧姆阻抗第一隔离端口P7连接，第一双螺旋结构的宽边耦合带状线U1左端与第三匹配线L3连接，第一双螺旋结构的宽边耦合带状线U1右端与第四匹配线L4连接。第二定向耦合器D2包括表面贴装的50欧姆阻抗第三输入端口P8、第五匹配线L5、表面贴装的50欧姆阻抗第二直通端口P9、第六匹配线L6、表面贴装的50欧姆阻抗第二耦合端口P10、第七匹配线L7、表面贴装的50欧姆阻抗第二隔离端口P11、第八匹配线L8、第三双螺旋结构的宽边耦合带状线U3、第四双螺旋结构的宽边耦合带状线U4和接地端，其中，第三双螺旋结构的宽边耦合带状线U3垂直位于第四双螺旋结构的宽边耦合带状线U4上方，第五匹配线L5、第四双螺旋结构的宽边耦合带状线U4和第六匹配线L6在同一平面，第五匹配线L5与表面贴装的50欧姆阻抗第三输入端口P8连接，第六匹配线L6与表面贴装的50欧姆阻抗第二直通端口P9连接，第四双螺旋结构的宽边耦合带状线U4左端与第五匹配线L5连接，第四双螺旋结构的宽边耦合带状线U4右端与第六匹配线L6连接；第七匹配线L7、第三双螺旋结构的宽边耦合带状线U3和第八匹配线L8在同一平面，第七匹配线L7与表面贴装的50欧姆阻抗第二耦合端口P10连接，第八匹配线L8与表面贴装的50欧姆阻抗第二隔离端口P11连接，第三双螺旋结构的宽边耦合带状线U3左端与第七匹配线L7连接，第三双螺旋结构的宽边耦合带状线U3右端与第八匹配线L8连接。微波功分器的第一输出端口P2与第一定向耦合器D1的第二输入端口P4连接，第二输出端口P3与第二定向耦合器D2的第三输入端口P8连接。

结合图1(a)、(b)、(c)、(d)，所述表面贴装的50欧姆阻抗输入端口(P1、P4、P8)、输入电感(Lin)、λ/4传输线(S1、S2)、输出电感(Lout1、Lout2)、表面贴装的50欧姆阻抗输出端口(P2、P3)、表面贴装的50欧姆阻抗直通端口(P5、P9)、表面贴装的50欧姆阻抗耦合端口(P6、P10)、表面贴装的50欧姆阻抗隔离端口(P7、P11)、匹配线(L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7、L8)、双螺旋结构的宽边耦合带状线(U1、U2、U3、U4)和接地端均采用多层低温共烧陶瓷工艺实现。

所述第一输入端口P1通过输入电感Lin与第一λ/4传输线S1、第二λ/4传输线S2连接，第一输出端口P2通过第一输出电感Lout1与第一λ/4传输线S1连接，第二输出端口P3通过第二输出电感Lout2与第二λ/4传输线S2连接，第二输入端口P4通过第一匹配线L1与第二双螺旋结构的宽边耦合带状线U2连接，第一直通端口P5通过第二匹配线L2与第二双螺旋结构的宽边耦合带状线U2连接，第一耦合端口P6通过第三匹配线L3与第一双螺旋结构的宽边耦合带状线U1连接，第一隔离端口P7通过第四匹配线L4与第一双螺旋结构的宽边耦合带状线U1连接，第三输入端口P8通过第五匹配线L5与第四双螺旋结构的宽边耦合带状线U4连接，第二直通端口P9通过第六匹配线L6与第四双螺旋结构的宽边耦合带状线U4连接，第二耦合端口P10通过第七匹配线L7与第三螺旋结构的宽边耦合带状线U3连接，第二隔离端口P11通过第八匹配线L8与第三螺旋结构的宽边耦合带状线U3连接。

本发明的一种S波段微波正交功分器，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。

本发明的一种S波段微波正交功分器中微波功分器的尺寸仅为14mm×12.9mm×1.6mm，定向耦合器的尺寸仅为3.2mm×1.6mm×1.5mm，其性能可从图2、图3、图4、图5看出，通带带宽为2.7GHz～2.9GHz，直通口P5、耦合口P6、直通口P9、耦合口P10在通带内的输出波形基本一致，输入端口回波损耗优于16dB，在通带内，直通口P5与耦合口P6的相位差近似为90度，直通口P9与耦合口P10的相位差近似为90度，直通口P5与直通口P9的相位近似相同，耦合口P6与耦合口P10的相位近似相同。

Claims (3)

1.一种S波段微波正交功分器，其特征在于，包括微波功分器和两个定向耦合器，所述微波功分器包括表面贴装的50欧姆阻抗第一输入端口(P1)、输入电感(Lin)、第一λ/4传输线(S1)、第二λ/4传输线(S2)、100欧姆电阻(R)、第一输出电感(Lout1)、第二输出电感(Lout2)、表面贴装的50欧姆阻抗第一输出端口(P2)、表面贴装的50欧姆阻抗第二输出端口(P3)和接地端；其中，输入电感(Lin)左端与表面贴装的50欧姆阻抗第一输入端口(P1)连接，右端与第一λ/4传输线(S1)、第二λ/4传输线(S2)连接，第一λ/4传输线(S1)的另一端与100欧姆电阻(R)一端连接，第二λ/4传输线(S2)另一端与100欧姆电阻(R)另一端连接，第一输出电感(Lout1)左端与第一λ/4传输线(S1)连接，右端与表面贴装的50欧姆阻抗第一输出端口(P2)连接，第二输出电感(Lout2)左端与第二λ/4传输线(S2)连接，右端与表面贴装的50欧姆阻抗第二输出端口(P3)连接；

第一定向耦合器(D1)包括表面贴装的50欧姆阻抗第二输入端口(P4)、第一匹配线(L1)、表面贴装的50欧姆阻抗第一直通端口(P5)、第二匹配线(L2)、表面贴装的50欧姆阻抗第一耦合端口(P6)、第三匹配线(L3)、表面贴装的50欧姆阻抗第一隔离端口(P7)、第四匹配线(L4)、第一双螺旋结构的宽边耦合带状线(U1)、第二双螺旋结构的宽边耦合带状线(U2)和接地端，其中，第一双螺旋结构的宽边耦合带状线(U1)垂直位于第二双螺旋结构的宽边耦合带状线(U2)上方，第一匹配线(L1)、第二双螺旋结构的宽边耦合带状线(U2)和第二匹配线(L2)在同一平面，第一匹配线(L1)与表面贴装的50欧姆阻抗第二输入端口(P4)连接，第二匹配线(L2)与表面贴装的50欧姆阻抗第一直通端口(P5)连接，第二双螺旋结构的宽边耦合带状线(U2)左端与第一匹配线(L1)连接，第二双螺旋结构的宽边耦合带状线(U2)右端与第二匹配线(L2)连接；第三匹配线(L3)、第一双螺旋结构的宽边耦合带状线(U1)和第四匹配线(L4)在同一平面，第三匹配线(L3)与表面贴装的50欧姆阻抗第一耦合端口(P6)连接，第四匹配线(L4)与表面贴装的50欧姆阻抗第一隔离端口(P7)连接，第一双螺旋结构的宽边耦合带状线(U1)左端与第三匹配线(L3)连接，第一双螺旋结构的宽边耦合带状线(U1)右端与第四匹配线(L4)连接；

第二定向耦合器(D2)包括表面贴装的50欧姆阻抗第三输入端口(P8)、第五匹配线(L5)、表面贴装的50欧姆阻抗第二直通端口(P9)、第六匹配线(L6)、表面贴装的50欧姆阻抗第二耦合端口(P10)、第七匹配线(L7)、表面贴装的50欧姆阻抗第二隔离端口(P11)、第八匹配线(L8)、第三双螺旋结构的宽边耦合带状线(U3)、第四双螺旋结构的宽边耦合带状线(U4)和接地端，其中，第三双螺旋结构的宽边耦合带状线(U3)垂直位于第四双螺旋结构的宽边耦合带状线(U4)上方，第五匹配线(L5)、第四双螺旋结构的宽边耦合带状线(U4)和第六匹配线(L6)在同一平面，第五匹配线(L5)与表面贴装的50欧姆阻抗第三输入端口(P8)连接，第六匹配线(L6)与表面贴装的50欧姆阻抗第二直通端口(P9)连接，第四双螺旋结构的宽边耦合带状线(U4)左端与第五匹配线(L5)连接，第四双螺旋结构的宽边耦合带状线(U4)右端与第六匹配线(L6)连接；第七匹配线(L7)、第三双螺旋结构的宽边耦合带状线(U3)和第八匹配线(L8)在同一平面，第七匹配线(L7)与表面贴装的50欧姆阻抗第二耦合端口(P10)连接，第八匹配线(L8)与表面贴装的50欧姆阻抗第二隔离端口(P11)连接，第三双螺旋结构的宽边耦合带状线(U3)左端与第七匹配线(L7)连接，第三双螺旋结构的宽边耦合带状线(U3)右端与第八匹配线(L8)连接；

所述微波功分器的第一输出端口(P2)与第一定向耦合器(D1)的第二输入端口(P4)连接，第二输出端口(P3)与第二定向耦合器(D2)的第三输入端口(P8)连接。

2.根据权利要求1所述的一种S波段微波正交功分器，其特征在于：所述表面贴装的50欧姆阻抗输入端口、输入电感(Lin)、λ/4传输线、输出电感、表面贴装的50欧姆阻抗输出端口、表面贴装的50欧姆阻抗直通端口、表面贴装的50欧姆阻抗耦合端口、表面贴装的50欧姆阻抗隔离端口、匹配线、双螺旋结构的宽边耦合带状线和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所述的一种S波段微波正交功分器，其特征在于：第一输入端口(P1)通过输入电感(Lin)与第一λ/4传输线(S1)、第二λ/4传输线(S2)连接，第一输出端口(P2)通过第一输出电感(Lout1)与第一λ/4传输线(S1)连接，第二输出端口(P3)通过第二输出电感(Lout2)与第二λ/4传输线(S2)连接，第二输入端口(P4)通过第一匹配线(L1)与第二双螺旋结构的宽边耦合带状线(U2)连接，第一直通端口(P5)通过第二匹配线(L2)与第二双螺旋结构的宽边耦合带状线(U2)连接，第一耦合端口(P6)通过第三匹配线(L3)与第一双螺旋结构的宽边耦合带状线(U1)连接，第一隔离端口(P7)通过第四匹配线(L4)与第一双螺旋结构的宽边耦合带状线(U1)连接，第三输入端口(P8)通过第五匹配线(L5)与第四双螺旋结构的宽边耦合带状线(U4)连接，第二直通端口(P9)通过第六匹配线(L6)与第四双螺旋结构的宽边耦合带状线(U4)连接，第二耦合端口(P10)通过第七匹配线(L7)与第三螺旋结构的宽边耦合带状线(U3)连接，第二隔离端口(P11)通过第八匹配线(L8)与第三螺旋结构的宽边耦合带状线(U3)连接。