CN106099295A - 准平面宽带功分端口/路数可重构功分器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种准平面宽带功分端口/路数可重构功分器。采用双面平行带线(DSPSL)与层间的槽线‑微带线电磁耦合结构相结合，通过控制PIN二极管两种不同的工作状态，实现了功分输出端口可切换(可重构)和功分输出端口数量可重构。四个隔离电阻安装于输出微带线的开路端，实现了两种工作状态下共六路输出端口间良好的隔离特性和输出驻波。本发明具有功分输出端口可切换(可重构)和功分输出端口数量可重构、隔离电阻在两种工作状态下复用、安装的PIN二极管数量较少等优良的特点。本发明主要用于可重构波束形成网络和多标准工作的微波系统中，在民用和军事领域都有非常广阔的应用前景。

Description

准平面宽带功分端口/路数可重构功分器
技术领域
本发明涉及一种基于差分传输信号、双层基板层间耦合结构的宽带功分输出端口及功分路数可重构功分器。
背景技术
功分器是相控阵天线馈电系统和多路中继通信机的关键部件，直接决定了系统性能指标的优劣。随着军用与民用通信系统的快速发展，对于宽带、高效大功率放大器的需求以及相控阵天线中对宽带、平面化、低插损特性的馈电网络的需要与日俱增。同时，通信系统本身要求能适用于多频段、多标准工作,导致系统前所未有的复杂。而可重构微波元件具有降低系统复杂度的潜能。功分器作为占据无线通信系统较大比例的无源部分中的重要器件，用单个尺寸较小的可重构功分器取代传统的功分器组将精简系统的结构，减小损耗。设计新型的宽带可重构功分器成为拓宽功分器的应用背景，提升其应用价值的重要技术途径之一。因此，平面型、宽带、高效率可重构多路功分器/合成器的实现对于现代通信系统的发展具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种宽带功分端口/路数可重构功分器，它具有功分输出端口可切换(可重构)和功分输出端口数量可重构、隔离电阻在两种工作状态下复用、安装的PIN二极管数量较少等优良的特点。各路输出端口信号幅度一致性较好，适用于小型化多路功率合成系统或阵列天线中的功分馈电网络。
为了实现上述目的，本发明提出了一种基于差分信号与双层基板耦合结构的功分器。其具体技术方案如下：
准平面宽带功分端口/路数可重构功分器，包括上下两层介质基板、输入微带端口、微带线-双面平行带线(DSPSL)过渡、DSPSL、两路背靠背微带反相输出端口、四路微带同相输出端口、槽线、槽线-微带层间电磁耦合结构、PIN二极管、层间隔离电阻、同层空气桥隔离电阻、偏置电路、中间接地金属层。其特征在于，所述双层功分端口/路数可重构功分器，由两层介质基板及位于两层基板上方、中间和下方的三层金属层构成，上层金属层包括DSPSL上层微带和两根微带线，中间层金属层为接地金属层、槽线，下层金属层包括DSPSL下层微带和两根微带线。槽线-微带层间电磁耦合结构位于背靠背微带线和槽线相交处，由位于上下层的背靠背微带线和中间层的槽线构成。下层金属层上的PIN二极管位于该电磁耦合结构中心，上层金属层上的PIN二极管位于距离电磁耦合结构中心四分之一波导波长处。层间隔离电阻和同层空气桥隔离电阻位于四路输出微带线的开路末端，通过在开路末端上下层基板打空气通孔来放置层间隔离电阻，同层空气桥隔离电阻放置在同层输出微带线的导体带末端。跨越中间接地金属层的层间隔离电阻不与中间接地金属层相接。
所述准平面宽带功分端口/路数可重构功分器每层各有三路输出端口，在二路输出的工作模式下，输出端口的信号等幅反相，在四路输出的工作模式下，各路输出端口的信号等幅同相。采用两层介质基板和三层金属层，通过PCB版加工技术，实现电路结构。
本发明所提出的准平面宽带功分端口/路数可重构功分器工作原理如下：射频信号从微带端口馈入，经过微带线-DSPSL过渡渐变至DSPSL，信号转变为差分信号，经由中间层金属层的加入，从DSPSL转变至背靠背微带线。①在PIN二极管都正偏压导通的状态下，信号将由两路背靠背微带反相输出端口等幅输出，输出端口隔离由层间隔离电阻实现；此时通过槽线-微带层间电磁耦合结构，差分信号耦合至槽线上，由于上下层微带线-槽线的耦合系数相同，故槽线上的差分信号相互抵消，此时四路微带同相输出端口无输出。②在PIN二极管都反偏压截止的状态下，两路背靠背微带反相输出端口无信号输出；由于两个PIN二极管相距四分之一波导波长，背靠背下层微带上的信号通过槽线-微带电磁耦合与上层微带实现同相叠加。背靠背上层微带线的信号经由微带-槽线-微带过程耦合至四路输出微带线，实现四路等幅、同相的信号输出。四路微带同相输出端口开路端的两个层间隔离电阻和两个同层空气桥隔离电阻实现四路输出端口良好的隔离。
本发明所提出的准平面宽带功分端口/路数可重构功分器，具有功分输出端口可切换(可重构)和功分输出端口数量可重构、隔离电阻在两种工作状态下复用、安装的PIN二极管数量较少等优良的特点。本发明主要用于可重构波束形成网络和多标准工作的微波系统中，在民用和军事领域都有非常广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明提出的准平面宽带功分端口/路数可重构功分器结构示意图；
图2是隔离电阻的安装示意图；
图3是图1在PIN二极管都正偏压导通下的S参数仿真曲线；
图4是图1在PIN二极管都反偏压截止下的S参数仿真曲线；
附图中标号对应名称为：
(1)上下两层介质基板，(2)输入微带端口，(3)微带线-双面平行带线(DSPSL)过渡，(4)DSPSL，(5)两路背靠背微带反相输出端口，(6)四路微带同相输出端口，(7)槽线，(8)槽线-微带层间电磁耦合结构，(9)PIN二极管，(10)层间隔离电阻，(11)同层空气桥隔离电阻，(12)偏置电路，(13)中间接地金属层。
具体实施方式
下面通过举例来说明本发明的优点。
例1:如图1所示，本发明提出的准平面宽带功分端口/路数可重构功分器，其包含以下几个部分。分别是：上下两层介质基板、输入微带端口、微带线-双面平行带线(DSPSL)过渡、DSPSL、两路背靠背微带反相输出端口、四路微带同相输出端口、槽线、槽线-微带层间电磁耦合结构、PIN二极管、层间隔离电阻、同层空气桥隔离电阻、偏置电路、中间接地金属层。
通过将DSPSL与槽线-微带电磁耦合结构相结合实现在开关都导通状态下输出二路信号以及在开关都截至状态下耦合输出四路信号。通过4个隔离电阻所形成的环形隔离结构，实现在两种工作模式下优良的输出驻波和端口间隔离。
图3是例1在PIN二极管都正偏压导通状态下的频率响应曲线，由图3(a)可知在0.95GHz-1.4GHz范围(相对带宽为38％)内输入端口的回波损耗大于20dB，带内插入损耗小于0.2dB(不包含二路功分器的3dB理论插损)。
图3(b)是例1的输出端口回波和隔离特性以及输入端口与隔离端口间的隔离特性，由图可看出，输出端口回波损耗在1GHz-1.4GHz范围内大于20dB。端口间隔离度在0.88GHz-1.51GHz范围内大于20dB。
图3(c)是例1的输出端口相位特性曲线，由图可知整个频带范围内输出端口相位保持在反相状态。
图4是例1在开关都截止状态下的频率响应曲线，由图4(a)可知在1.06GHz-1.4GHz范围(相对带宽为28％)内输入端口的回波损耗大于20dB，带内插入损耗小于0.3dB(不包含四路功分器的6dB理论插损)。
图4(b)是例1的输出端口回波，由图可看出，输出端口回波损耗在1.1GHz-1.5GHz范围内大于20dB。图4(c)是例1的输出端口隔离特性，由图可看出，端口间隔离度在1.03GHz-1.5GHz范围内均大于15dB。
图4(d)是例1的输入、输出端口与隔离端口间的隔离特性，由图可看出，隔离度在整个频带范围内大于40dB。
图4(e)是例1的输出端口相位特性曲线，由图可知在整个频带范围内输出端口相位保持了良好的一致性。

Claims (5)

1.准平面宽带功分端口/路数可重构功分器，包括上下两层介质基板(1)、输入微带端口(2)、微带线-双面平行带线(DSPSL)过渡(3)、DSPSL(4)、两路背靠背微带反相输出端口(5)、四路微带同相输出端口(6)、槽线(7)、槽线-微带层间电磁耦合结构(8)、PIN二极管(9)、层间隔离电阻(10)、同层空气桥隔离电阻(11)、偏置电路(12)、中间接地金属层(13)，其特征在于，所述的准平面宽带功分端口/路数可重构功分器由两层介质基板构成，将DSPSL的差分传输信号和槽线-微带层间电磁耦合结构相结合，仅采用两个PIN二极管实现了功分输出端口切换和功分路数可重构功能。
2.根据权利要求1所述的准平面宽带功分端口/路数可重构功分器，通过PCB基板加工技术，得到需要的微带线-双面平行带线(DSPSL)过渡(3)、四路微带同相输出端口(6)、槽线(7)、槽线-微带层间电磁耦合结构(8)、偏置电路(12)和中间接地金属层(13)等结构。
3.根据权利要求1、2所述的槽线-微带层间电磁耦合结构(8)，可实现：①在PIN二极管都正偏压导通状态下，差分信号由背靠背微带线耦合到槽线，反相抵消，信号由两路背靠背微带反相输出端口输出，②在PIN二极管都反偏压截止状态下，信号经由背靠背上层微带-槽线-四路输出微带的宽带耦合和良好的阻抗匹配，能够实现各输出端口良好的幅度/相位一致性。
4.根据权利要求1所述的PIN二极管(9)分别安装于背靠背上层微带间与槽线相距四分之一波导波长处和下层微带间与槽线相交处。层间隔离电阻(10)和同层空气桥隔离电阻(11)安装于四路输出微带线的开路端，两个层间隔离电阻的两端通过基板空气通孔安装于上下层输出微带线的导体带末端，两个同层空气桥隔离电阻两端安装在同层输出微带线的导体带末端。
5.根据权利要求1所述的准平面宽带功分端口/路数可重构功分器，将其输入/输出端口进行交换，将变成可重构功率合成器，宽带合成端口/路数可重构功率合成器的结构和设计与所述的准平面宽带功分端口/路数可重构功分器完全一样。
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