CN105811059B - 一种高功率分配比三端口微带功分器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种高功率分配比三端口微带功分器，包括PCB基板1和测试端口2，Hybrid结构3，Wilkinson功分器4，高功率分配比调节器5，连接线6。充分利用了Wilkinson功分器和Hybrid的性能优势，通过对物理概念的理解、精致的设计和微带线易于平面集成的优势，实现高功率分配比这个设计挑战，解决了现有技术中存在的上述问题，同时设计方法比较简单和灵活性，便于移植解决其它问题。

Description

一种高功率分配比三端口微带功分器
技术领域
本发明涉及微波、医学多普勒雷达技术领域，特别涉及一种5.8GHz ISA频段的高功率分配比三端口微带功分器，应用于非接触型呼吸与心跳生命体征探测信号的发射和接受。
背景技术
在地震、泥石流、塌方、雪崩等自然灾害和医护室中，需要探测人员、动物的重要生命体征信号如呼吸与心跳等，可采用非接触型的低功率微波信号探测和测量方法，结合数字信号处理技术，利用多普勒雷达可获得被测信号。5.8GHz(频带为5.725–5.875GHz)是ISA(工业、科学和医学)的一个公用频段，低功率微波信号是指均方根值(RMS)辐照功率密度符合IEEE Std C95.1-2005国际标准，上限值为100W/m2。当然，还有其它ISA频段可供选用。
上述医学多普勒雷达，要求体积小、重量轻、易于携带和操作使用的坚固性，需要采用平面电路集成技术，将功分器、环形器、收发天线、其它射频前端电路、数字和控制电路等功能集成在一个多层PCB制作的模块中。
射频输入信号送给三端口功分器输入端，该功分器输出端为二路射频信号，其中：一路射频信号经环形器送给发射天线，另外一路射频信号作为参考信号送给雷达回波接收电路的混频器。上述医学多普勒雷达发射功率低，同时考虑到混频器的雷达回波接收信号和参考信号的功率幅度平衡性，要求功分器的功率分配比达到10:1以上。功率分配比是指天线输入信号功率与混频器参考信号功率之比。环形器的插入损耗可以达到0.6dB左右，影响不大。如果不采用该功率分配方案，那么在射频电路中需要增加衰减器以调节混频器的功率幅度平衡性，其缺点是：一是浪费射频输入信号功率，二是增加30dB以上衰减量的PIN电路。
功分器的功率分配比达到6:1以上，称之为高功率分配比。如果Wilkinson和Gysel功分器达到高功率分配比(如10:1)，微带线高阻抗大于270Ω，而微带线低阻抗小于30Ω，在微带结构上是无法实现的。Hybrid是四端口微波网络，8dB耦合度也达到微带结构实现的极限，同时废弃隔离端口并经贴片电阻接地处理。Wilkinson功分器、Gysel功分器和Hybrid均具有很好的优点：20dB以上的隔离度，各个端口的S11都在-10dB以下。因此，不少人员在研究功分器的高功率分配比这个难题，同时希望保留Wilkinson功分器、Gysel功分器和Hybrid的优点，但是需要采用电容器等集总元件，微带分支线，微带耦合线，或者滤波器等方法[1-2]。即使这样，实现高功率分配比(如10:1)也有不小难度，同时设计方法相当复杂。
综上所述，医学多普勒雷达对功分器有较高要求，实现高功率分配比是一个设计挑战。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种高功率分配比三端口微带功分器。
本发明的目的通过如下技术方案实现：一种高功率分配比三端口微带功分器，包括PCB基板1和测试端口2，Hybrid结构3，Wilkinson功分器4，高功率分配比调节器5，连接线6。
所述测试端口2分别位于PCB基板1的三个边上，由第一射频输入信号①、第二射频输出信号②和第三射频输出信号③组成，作为连接SMA接插件使用。
所述Hybrid结构3，采用耦合度为7dB的设计方法，所述Hybrid结构的四个端口的微带线特性阻抗均为50Ω。
所述Wilkinson功分器4，采用功率分配比为1:1的设计方法，Wilkinson功分器三个端口的微带线特性阻抗均为50Ω，隔离电阻7的电阻值为100Ω。
所述高功率分配比调节器5，通过调节其长度，实现了6:1以上高功率分配比的三端口微带功分器。
所述连接线6，采用性能优化的90°弯头，连接Hybrid结构3和Wilkinson功分器4。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明充分发挥Wilkinson功分器和Hybrid在高隔离度和各个射频端口良好匹配的性能优势；容易实现10:1以上的高功率分配比。
2、本发明没有额外增加集总元件(如RLC等)的数量；
3、本发明微带线结构，易于与微带环形器、微带天线进行平面电路集成。
4、本发明面积小，质量轻，集成度高。
附图说明
图1为本发明所述的高功率分配比三端口微带功分器的结构总图；
图2为图1所述微带功分器的PCB和测试端口结构图；
图3为图1所述微带功分器的Hybrid结构图；
图4为图1所述微带功分器的Wilkinson功分器结构图；
图5为图1所述微带功分器的高功率分配比调节器结构图；
图6为图1所述微带功分器的连接线结构图；
图7为图1所述微带功分器的S11、S22、S33和S23；
图8为图1所述微带功分器的S12和S13。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
图1是高功率分配比三端口功分器结构总图，包括：PCB基板和测试端口结构图2，Hybrid结构图3，Wilkinson功分器结构图4，高功率分配比调节器结构图5，连接线结构图6。图1实施例得到了接近于18:1高功率分配比的三端口微带功分器，可应用于5.8GHz ISA频段医学多普勒雷达。
图2是PCB基板和测试端口结构图，其中测试端口由第一射频输入信号①、第二射频输出信号②和第三射频输出信号③组成，作为连接SMA接插件使用，SMA产品型号为Amphenol 132322；为了与微带天线设计保持一致，选用的PCB是一层双面Rogers RO4350B微波材料，介电常数为3.66，正切损耗为0.0034，厚度为1.524mm，双面覆铜板的厚度均为35μm；功分器在PCB的一面覆铜板上面加工完成，采用的是常规PCB工艺，没有特殊工艺要求；PCB的另一面是保留的覆铜板，作为射频信号的地板使用。
整个PCB面积是35X41mm2。由于增加了3个射频测试端口，增加了本发明示例的面积。在实际建成应用中，该功分器的面积还可以缩小。
图3是Hybrid结构图，采用耦合度为7dB的设计方法，Hybrid的四个端口的微带线特性阻抗均为50Ω。
图4是Wilkinson功分器结构图，采用功率分配比为1:1的设计方法，Wilkinson功分器三个端口的微带线特性阻抗均为50Ω，隔离电阻7的电阻值为100Ω。
图5是高功率分配比调节器结构图，通过调节其长度，可实现6:1以上高功率分配比的三端口微带功分器。其主要作用是：连接Hybrid的隔离端口和Wilkinson功分器的一路输出端口；通过设计合理的长度，重新调节图1功分器的高功率分配比；保留Wilkinson功分器和Hybrid的高隔离度和各个射频端口良好匹配的极佳性能；通过合理的平面布局，减少不必要的连接线长度，降低传输线之间的电磁耦合效应；避免在5.8GHz因为传输线布线而形成的天线效应(辐射和干扰)。
图6是连接线结构图，采用性能优化的90°弯头，连接Hybrid和Wilkinson功分器。
图7高功率分配比三端口功分器的S11、S22、S33和S23。经过ADS的电路和电磁仿真，得到的结果如下：在5.8GHz频段，功分器的三个端口反射系数S11、S22、S33：均小于-18dB。在5.8GHz频段，功分器的二个输出端口隔离度S23：小于-25dB。
图8高功率分配比三端口功分器的S12和S13。在5.8GHz频段，功分器的②端口与③端口的功率分配比为：20log(|S12|)-20log(|S13|)＝12.52dB，换算为17.86:1，接近于18:1的高功率分配比。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应 为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种高功率分配比三端口微带功分器，其特征在于包括PCB基板(1)和测试端口(2)，Hybrid结构(3)，Wilkinson功分器(4)，高功率分配比调节器(5)，连接线(6)；
所述测试端口(2)分别位于PCB基板(1)的三个边上，由第一射频输入信号端口、第二射频输出信号端口和第三射频输出信号端口组成，作为连接SMA接插件使用；
Hybrid结构(3)包括4条微带线，形成4个端口，分别是第一端口、第二端口、第三端口和隔离端口，第一端口与第一射频输入信号端口相连，第二端口与第二射频输出信号端口相连，隔离端口通过高功率分配比调节器(5)与Wilkinson功分器(4)的第一路输出端口相连，第三端口通过连接线(6)与Wilkinson功分器(4)的输入端口相连；
Wilkinson功分器(4)的第二路输出端口与第三射频输出信号端口相连，在Wilkinson功分器(4)的第一路输出端口与第二路输出端口之间设有隔离电阻(7)。
2.根据权利要求1所述的高功率分配比三端口微带功分器，其特征在于所述Hybrid结构(3)，采用耦合度为7dB的设计方法，其四个端口的微带线特性阻抗均为50Ω。
3.根据权利要求1所述的高功率分配比三端口微带功分器，其特征在于所述Wilkinson功分器(4)，采用功率分配比为1:1的设计方法，其三个端口的微带线特性阻抗均为50Ω，隔离电阻(7)的电阻值为100Ω。
4.根据权利要求1所述的高功率分配比三端口微带功分器，其特征在于所述高功率分配比调节器(5)，通过调节其长度，实现了6:1以上高功率分配比的三端口微带功分器。
5.根据权利要求1所述的高功率分配比三端口微带功分器，其特征在于所述连接线(6)，采用90°弯头。
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