CN106099299A - 一种小型化高隔离度的微波双频功分器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型化高隔离度的微波双频功分器，包括输入端口、耦合线、隔离网络、第一传输线、第二传输线、第一输出端口和第二输出端口，输入端口通过耦合线分别连接第一传输线和第二传输线，第一传输线和第二传输线分别对应连接第一输出端口和第二输出端口，耦合线和第一传输线以及第二传输线之间设置有隔离网络。本发明微波双频功分器的末端无隔离网络，有效地减少了功分器的体积和输出端之间的耦合效应，提高了隔离度，而且具有电路结构紧凑和设计方法可灵活多样等诸多优点，极大地拓宽了传统微波双频功分器的实际应用范围。

Description

一种小型化高隔离度的微波双频功分器

技术领域

本发明涉及一种功分器，特别涉及一种小型化高隔离度的微波双频功分器。

背景技术

随着移动通信的飞速发展，微波频段的使用越来越拥挤，同时，射频电路集成化要求程度越来越高，除了要求优良的性能外，还提出了低成本、低损耗、小体积和轻重量等要求，因此能够同时在两个频段甚至是多个频段进行信号传送的射频部件是当今移动通信系统的发展趋势。微波双频功率放大器是射频系统和通信系统的关键部件之一，随着通信技术的迅猛发展和通信业竞争的加剧，在射频微波系统中，对微波双频功分器性能提出了越来越高的要求。

目前，微波双频功分器的实现方案一般有以下几种：

1、采用普通微带线的结构来设计功分器，这种设计方案会造成在焊接隔离元件后，容易形成的分布电容电感对电路性能造成影响，且占的尺寸较大。

2、采用耦合线的结构来设计功分器，此种设计方案则会出现两个输出端口的距离过短，造成输出信号互相影响的情况。

3、耦合线加用以延长输出端口的微带线结构，此种设计有效地克服了焊接隔离元件形成的寄生效应和输出端口距离过短的问题，但额外接入的用以延长输出端口的微带线造成设计尺寸过大，不利于小型化的设计。

现有技术的功分器均是将隔离元件并联在输出端口的末端，这种结构的功分器造成输出端口之间具有很大的耦合效应。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种小型化高隔离度的微波双频功分器。该功分器能够应用于两个工作频率且末端无隔离网络，有效地减少了功分器的体积和输出端之间的耦合效应，具有电路结构紧凑以及增加电路结构设计灵活性的优点。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种小型化高隔离度的微波双频功分器，包括输入端口、耦合线、隔离网络、第一传输线、第二传输线、第一输出端口和第二输出端口，耦合线包括处于耦合线一端的第一端口和第二端口以及处于耦合线另一端的第三端口和第四端口；

输入端口连接耦合线的第一端口和第二端口，耦合线的第三端口通过第一传输线连接第一输出端口，耦合线的第四端口通过第二传输线连接第二输出端口；耦合线第三端口和第一传输线连接处连接隔离网络的一端，耦合线第四端口和第二传输线连接处连接隔离网络的另一端。

优选的，所述第一传输线和第二传输线均为微带线；所述耦合线中的两条传输线为微带线。

优选的，所述第一传输线和第二传输线为平行关系或两者之间错开一定角度。

优选的，所述隔离网络为带有复阻抗的隔离网络。

更进一步的，所述隔离网络包括隔离电阻和LC串联谐振电路，LC串联谐振回路中包括串联的电容和电感，其中LC串联谐振电路和隔离电阻并联；隔离电阻和LC串联谐振电路并联后其中一端连接在耦合线第三端口和第一传输线的连接处，另一端连接在耦合线第四端口和第二传输线的连接处。

更进一步的，微波双频功分器第一工作频率f₁对应电长度θ₁为：

${\mathrm{\θ}}_1=\frac{\mathrm{\π}}{1+u};$

所述微波双频功分器第二工作频率f₂对应电长度θ₂为：

${\mathrm{\θ}}_2=\frac{u\mathrm{\π}}{1+u};$

其中u为双频功分器频比。

更进一步的，所述耦合线的偶模特征阻抗Z^e为：

$Z^e=Z_0\sqrt{\sqrt{\frac{1}{{\tan }^2{\mathrm{\θ}}_1}+8}-\frac{1}{{\mathrm{tan\θ}}_1}};$

其中Z₀为输入端口与第一输出端口和第二输出端口的端口阻抗；

第一传输线和第二传输线的特征阻抗Z为：

$Z=\sqrt{\frac{{Z_0}^2}{2{\tan }^2{\mathrm{\θ}}_1}+\sqrt{{\left(\frac{{Z_0}^2}{2\left({\tan }^2{\mathrm{\θ}}_1\right)}\right)}^2+2{Z_0}^4}}.$

更进一步的，隔离网络中隔离电阻R为：

$R=2\frac{Z_0^2+Z^2{\mathrm{tan\θ}}_1}{Z_0{\mathrm{sec\θ}}_1};$

隔离网络LC串联谐振电路中电容C为：

$C=\frac{{\mathrm{\ω}}_2-{\mathrm{\ω}}_1}{2{\mathrm{\ω}}_2{\mathrm{\ω}}_1}(\frac{{\mathrm{Zsec}}^2{\mathrm{\θ}}_1{\mathrm{tan\θ}}_1}{Z_0^2+Z^2{\tan }^2{\mathrm{\θ}}_1}+\frac{1}{Z^o}{\mathrm{cot\θ}}_1-\frac{1}{Z}{\mathrm{tan\θ}}_1);$

隔离网络LC串联谐振电路中电容L为：

$L=\frac{2}{{\mathrm{\ω}}_2-{\mathrm{\ω}}_1}{(\frac{{\mathrm{Zsec}}^2{\mathrm{\θ}}_1{\mathrm{tan\θ}}_1}{Z_0^2+Z^2{\tan }^2{\mathrm{\θ}}_1}+\frac{1}{Z^o}{\mathrm{cot\θ}}_1-\frac{1}{Z}{\mathrm{tan\θ}}_1)}^{-1};$

其中ω₁为微波双频功分器第一工作频率f₁下对应的角频率，ω₁＝2πf₁，ω₂为微波双频功分器第二工作频率f₂下对应的角频率，ω₂＝2πf₂，Z^o为耦合线的基模阻抗。

更进一步的，微波双频功分器第一工作频率f₁为1.4GHZ，第二工作频率f₂为2.8GHZ，θ₁和θ₂分别为60度和120度；第一传输线和第二传输线的宽度w1＝1.29mm，长度为L1＝20mm；耦合线的宽度w2＝0.87，长度L2＝20mm，间隙s＝3mm。

更进一步的，隔离网络中隔离电阻R＝150Ω；隔离网络的LC串联谐振电路中电感L＝20nH，电容C＝0.3pF；耦合线的偶模阻抗Z^e为78.84Ω，基模阻抗Z^o为73.05Ω，第一传输线和第二传输线的特征阻抗Z为63Ω。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

(1)本发明微波双频功分器由输入端和两个输出端之间的耦合线、隔离网络以及两条传输线组成，能够应用于两个工作频率，本发明微波双频功分器的隔离网络位于耦合线和两条传输线之间，其末端无隔离网络，有效地减少了功分器的体积和输出端之间的耦合效应，提高了隔离度，而且具有电路结构紧凑和设计方法可灵活多样等诸多优点，极大地拓宽了传统微波双频功分器的实际应用范围。另外由于本发明微波双频功分器不需要在输出端口之间并联隔离元件，因此连接两个输出端口的第一传输线和第二传输线可以任意张开弯曲以便连接下一级电路模块，使其之间的耦合作业更小；并且输入端的耦合线结构和输出端无隔离元件的结构使得电路更加的紧凑；解决了现有技术双频功分器将隔离电阻设置在末端带来输出端口的距离过短或加格外的传输线于输出端口造成尺寸过大的技术问题。

(2)本发明微波双频功分器输入端和两个输出端之间的耦合线、第一传输线和第二传输线均可以为微带线等平面传输线，这种平面传输结构的设计使得本发明双频功分器具有成本更低、结构紧凑灵活等优点。

(3)本发明微波双频功分器耦合线、作为第一传输线和第二传输线的微带线具有相同的电长度和谐振网络，因此具有相同的双频响应，能够实现各个比例双频的响应。

附图说明

图1a和1b是本发明微波双频功分器电路结构图。

图2是本发明微波双频功分器偶模电路结构图。

图3是本发明微波双频功分器基模电路结构图。

图4是本发明微波双频功分器输入回波损耗S11参数和输出回波损耗S22参数曲线图。

图5是本发明微波双频功分器隔离度S23参数曲线图。

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。

实施例1

本实施例公开了一种小型化高隔离度的微波双频功分器，如图1a和1b所示，包括输入端口1、耦合线2、隔离网络3、第一传输线4、第二传输线5、第一输出端口6和第二输出端口7，耦合线2包括处于耦合线2一端的第一端口和第二端口以及处于耦合线2另一端的第三端口和第四端口。

输入端口1连接耦合线2的第一端口和第二端口，耦合线2的第三端口通过第一传输线5连接第一输出端口6，耦合线2的第四端口通过第二传输线5连接第二输出端口7；耦合线2第三端口和第一传输线4连接处连接隔离网络3的一端，耦合线2第四端口和第二传输线6连接处连接隔离网络3的另一端。

本实施例中耦合线2、第一传输线4和第二传输线5均为微带线。如图1a所示第一传输线和第二传输线为平行关系，当然也可以如图1b所示，第一传输线和第二传输线两者之间错开一定角度α，具体的根据下一级电路模块进行调整设置，第一传输线和第二传输线能够任意张开弯曲连接下一级电路模块。

上述隔离网络可为带有复阻抗的隔离网络，在本实施例中隔离网络3包括隔离电阻R和LC串联谐振电路8，LC串联谐振回路中包括串联的电容和电感，其中LC串联谐振电路8和隔离电阻R并联；隔离电阻和LC串联谐振电路8并联后其中一端连接在耦合线2第三端口和第一传输线5的连接处，另一端连接在耦合线2第四端口和第二传输线6的连接处。

本实施例中第一传输线4和第二传输线5为上下对称结构，即第一传输线4和第二传输线5的各参数相同。

本实施例中微波双频功分器第一工作频率f₁对应电长度θ₁为：

${\mathrm{\θ}}_1=\frac{\mathrm{\π}}{1+u};$

所述微波双频功分器第二工作频率f₂对应电长度θ₂为：

${\mathrm{\θ}}_2=\frac{u\mathrm{\π}}{1+u};$

其中u为双频功分器频比，本实施例中双频功分器频比u为已知的，根据需要的第一工作频率和第二工作频率之间的比值获取到。本实施例中双频功分器频比u为1/2。上述求取的电长度θ₁以及电长度θ₂均为耦合线以及作为第一传输线和第二传输线的微带线的电长度，本实施例中耦合线和作为第一传输线和第二传输线的两条微带线的电长度相同。

通过偶模分析，本实施例微波双频功分器的电路结构可以简化为如图2中所示，得出耦合线的偶模特征阻抗Z^e为：

$Z^e=Z_0\sqrt{\sqrt{\frac{1}{{\tan }^2{\mathrm{\θ}}_1}+8}-\frac{1}{{\mathrm{tan\θ}}_1}};$

其中Z₀为输入端口与第一输出端口和第二输出端口的端口阻抗；

得出第一传输线和第二传输线的特征阻抗Z：

$Z=\sqrt{\frac{{Z_0}^2}{2{\tan }^2{\mathrm{\θ}}_1}+\sqrt{{\left(\frac{{Z_0}^2}{2\left({\tan }^2{\mathrm{\θ}}_1\right)}\right)}^2+2{Z_0}^4}};$

通过基模分析，本实施例微波双频功分器的电路结构可以简化为如图3中所示，获取到隔离网络中隔离电阻R为：

$R=2\frac{Z_0^2+Z^2{\mathrm{tan\θ}}_1}{Z_0{\mathrm{sec\θ}}_1};$

隔离网络LC串联谐振电路中电容C为：

$C=\frac{{\mathrm{\ω}}_2-{\mathrm{\ω}}_1}{2{\mathrm{\ω}}_2{\mathrm{\ω}}_1}(\frac{{\mathrm{Zsec}}^2{\mathrm{\θ}}_1{\mathrm{tan\θ}}_1}{Z_0^2+Z^2{\tan }^2{\mathrm{\θ}}_1}+\frac{1}{Z^o}{\mathrm{cot\θ}}_1-\frac{1}{Z}{\mathrm{tan\θ}}_1);$

隔离网络LC串联谐振电路中电容L为：

$L=\frac{2}{{\mathrm{\ω}}_2-{\mathrm{\ω}}_1}{(\frac{{\mathrm{Zsec}}^2{\mathrm{\θ}}_1{\mathrm{tan\θ}}_1}{Z_0^2+Z^2{\tan }^2{\mathrm{\θ}}_1}+\frac{1}{Z^o}{\mathrm{cot\θ}}_1-\frac{1}{Z}{\mathrm{tan\θ}}_1)}^{-1}.$

其中ω₁为微波双频功分器第一工作频率f₁下对应的角频率，ω₁＝2πf₁，ω₂为微波双频功分器第二工作频率f₂下对应的角频率，ω₂＝2πf₂，Z^o为耦合线的基模阻抗。

本实施例中耦合线的基模阻抗Z^o可以通过具体设计所要求的耦合线间隙s以及上述所求出耦合线的偶模特征阻抗Z^e得出。

将本实施例微波双频功分器设置在FR4板材上，当第一工作频率f₁＝1.4GHZ，第二工作频率f₂＝2.8GHZ时，将本实施例，获取到θ₁、θ₂分别为60度和120度；第一传输线和第二传输线的宽度w1＝1.29mm，长度为L1＝20mm；耦合线的宽度w2＝0.87，长度L2＝20mm，间隙s＝3mm。隔离网络中隔离电阻R＝150Ω；隔离网络的LC串联谐振电路中电感L＝20nH，电容C＝0.3pF；通过仿真软件ADS计算出耦合线的偶模阻抗Z^e为78.84Ω、基模阻抗Z^o为73.05Ω，第一传输线和第二传输线的特征阻抗Z为63Ω。

本实施例微波双频功分器在各工作频率下，输入回波损耗S11和输出回波损耗S22分别如图4中，第一输出端口和第二输出端口之间的隔离度S23如图5所示。本实施例中，通过耦合线、第一传输线和第二传输线的电长度设定，获取到第一工作频率f₁为1.4GHZ以及第二工作频率f₂为2.8GHZ的微波双频功分器。从图4中可以看出，当本实施例微波双频功分器的第一工作频率f₁为1.4GHZ，第二工作频率f₂为2.8GHZ，即为两倍的频比下工作时，输入回波损耗S11和输出回波损耗S22都小于-40dB，即是各个端口的回波损耗有大于40dB，说明在这两个工作频率下各个端口都具有良好的匹配。另外从图5中可以看出，本实施例工作在第一工作频率f₁为1.4GHZ以及第二工作频率f₂为2.8GHZ的微波双频功分器的输出端口之间隔离度S23都小于-48dB，即输出端口之间的隔离度大于48dB，说明本实施例上述两个工作频率下的微波双频功分器输出端口之间具有良好的隔离。

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 (8)

1.一种小型化高隔离度的微波双频功分器，其特征在于，包括输入端口、耦合线、隔离网络、第一传输线、第二传输线、第一输出端口和第二输出端口，耦合线包括处于耦合线一端的第一端口和第二端口以及处于耦合线另一端的第三端口和第四端口；

输入端口连接耦合线的第一端口和第二端口，耦合线的第三端口通过第一传输线连接第一输出端口，耦合线的第四端口通过第二传输线连接第二输出端口；耦合线第三端口和第一传输线连接处连接隔离网络的一端，耦合线第四端口和第二传输线连接处连接隔离网络的另一端。

2.根据权利要求1所述的小型化高隔离度的微波双频功分器，其特征在于，所述第一传输线和第二传输线均为微带线；所述耦合线中的两条传输线为微带线。

3.根据权利要求1所述的小型化高隔离度的微波双频功分器，其特征在于，所述第一传输线和第二传输线为平行关系或两者之间错开一定角度。

4.根据权利要求1所述的小型化高隔离度的微波双频功分器，其特征在于，所述隔离网络为带有复阻抗的隔离网络。

5.根据权利要求3所述的小型化高隔离度的微波双频功分器，其特征在于，所述隔离网络包括隔离电阻和LC串联谐振电路，LC串联谐振回路中包括串联的电容和电感，其中LC串联谐振电路和隔离电阻并联；隔离电阻和LC串联谐振电路并联后其中一端连接在耦合线第三端口和第一传输线的连接处，另一端连接在耦合线第四端口和第二传输线的连接处。

6.根据权利要求5所述的小型化高隔离度的微波双频功分器，其特征在于，微波双频功分器第一工作频率f₁对应电长度θ₁为：

${\mathrm{\θ}}_1=\frac{\mathrm{\π}}{1+u};$

所述微波双频功分器第二工作频率f₂对应电长度θ₂为：

${\mathrm{\θ}}_2=\frac{u\mathrm{\π}}{1+u};$

其中u为双频功分器频比。

7.根据权利要求6所述的小型化高隔离度的微波双频功分器，其特征在于，所述耦合线的偶模特征阻抗Z^e为：

$Z^e=Z_0\sqrt{\sqrt{\frac{1}{{\tan }^2{\mathrm{\θ}}_1}+8}-\frac{1}{{\mathrm{tan\θ}}_1}};$

其中Z₀为输入端口与第一输出端口和第二输出端口的端口阻抗；

第一传输线和第二传输线的特征阻抗Z为：

$Z=\sqrt{\frac{{Z_0}^2}{2{\tan }^2{\mathrm{\θ}}_1}+\sqrt{{\left(\frac{{Z_0}^2}{2\left({\tan }^2{\mathrm{\θ}}_1\right)}\right)}^2+2{Z_0}^4}}.$

8.根据权利要求7所述的小型化高隔离度的微波双频功分器，其特征在于，隔离网络中隔离电阻R为：

$R=2\frac{Z_0^2+Z^2{\mathrm{tan\θ}}_1}{Z_0{\mathrm{sec\θ}}_1};$

隔离网络LC串联谐振电路中电容C为：

$C=\frac{{\mathrm{\ω}}_2-{\mathrm{\ω}}_1}{2{\mathrm{\ω}}_2{\mathrm{\ω}}_1}(\frac{Z{\sec }^2{\mathrm{\θ}}_1{\mathrm{tan\θ}}_1}{Z_0^2+Z^2{\tan }^2{\mathrm{\θ}}_1}+\frac{1}{Z^o}{\mathrm{cot\θ}}_1-\frac{1}{Z}{\mathrm{tan\θ}}_1);$

隔离网络LC串联谐振电路中电容L为：

$L=\frac{2}{{\mathrm{\ω}}_2-{\mathrm{\ω}}_1}{(\frac{Z{\sec }^2{\mathrm{\θ}}_1{\mathrm{tan\θ}}_1}{Z_0^2+Z^2{\tan }^2{\mathrm{\θ}}_1}+\frac{1}{Z^o}{\mathrm{cot\θ}}_1-\frac{1}{Z}{\mathrm{tan\θ}}_1)}^{-1};$

其中ω₁为微波双频功分器第一工作频率f₁下对应的角频率，ω₁＝2πf₁，ω₂为微波双频功分器第二工作频率f₂下对应的角频率，ω₂＝2πf₂，Z^o为耦合线的基模阻抗。