CN107464979B - 一种基于微带线的多功能混合环型功分器 - Google Patents

一种基于微带线的多功能混合环型功分器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于微带结构的多功能混合环型功分器，包括微带环形结构、第一输入/输出端口、第二输入/输出端口、第三输入/输出端口、第四输入/输出端口、第一短路短截线、第二短路短截线和四分之一波长阻抗变换器；该混合环电路不仅可以提供射频信号的等幅反相输出，还可以实现在该信号二倍频频率的等幅同相的输出；该电路结构简单、工作带宽大，可用于微波、毫米波的平衡二倍频器电路和平衡分谐波混频器设计中。

Description

一种基于微带线的多功能混合环型功分器
技术领域
本发明涉及一种混合环型功分器，尤其涉及一种基于微带结构的多功能混合环型功分器。
背景技术
混合环型功分器是一种常用的微波四端口器件，可将输入信号的分解成两路等幅同相或等幅反相的输出信号，反之亦然。此外，该种功分器还具有良好的端口隔离特性。混合环型功分器广泛用于功率合成、平衡混频器以及天线馈电网络中。传统的混合环型功分器一般只工作于一个频段(中心频率为f0)。因此，传统混合环型功分器并不能满足偶次倍关系的双频应用，例如平衡二倍频器，输出频率是输入频率的两倍。因此有必要研究出新的混合环型功分器结构，克服传统混合环型功分器的不足。
近些年有关混合环型功分器的研究主要集中在如何减小电路尺寸以及如何实现双频混合环上。由于在较高的微波频段以及毫米波频段，混合环型功分器的物理尺寸本身就较小，同时也不是本专利要解决的问题，故有关减小电路尺寸的相关研究就不再赘述。
已公开报道的有关实现双频混合环的方法不尽相同，但从原理上基本可分为两大类。第一类：通过在微带线上加载开路线或阶梯开路线，实现一个等效双频四分之一波长传输线单元。再利用该等效双频传输线单元，按照传统混合环结构搭建电路，实现双频混合环型功分器(例如以下文献所报道的双频混合环:Chin K-S,Lin K-M,Wei Y-H,etal.Compact dual-band branch-line and rat-race couplers with stepped-impedance-stub lines[J].IEEE Trans.Microw.Theory Tech.,2010,58(5):1213–1221.Hsu C-L,Chang C-W,Kuo J-T.Design of dual-band microstrip rat racecoupler with circuit miniaturization[C].MTT-S International MicrowaveSymposium,2007.专利：CN102280680B，基于双面平行微带线的小型化双频混合环)。第二类：通过改变环形结构的电尺寸和阻抗特性并结合四份之一波长开路或短路短截线实现双频工作的特性。例如Cheng K K M,Wong F-L.Dual band rat-race coupler design usingtri-section branch-line.Electronics letters,2007,43(6).Cheng K K M,Wong F-L.Anovel rat race coupler design for dual-band applications.IEEE Microwave andWireless Components Letters,2005,15(8):521-523。所报道的这些双频混合环型功分器都具有良好的性能，但是工作带宽小(相对带宽小于10％)是这些混合环电路的共同缺点。此外，这些双频混合环电路在两个频段的绝对带宽基本相同。这些缺点限制了已有的双频混合环结构在宽带平衡二倍频器或宽带二次分谐波混频器等中的应用。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于微带结构的多功能混合环型功分器，以满足宽带平衡二倍频器或宽带二次分谐波混频器等的应用需求。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于微带结构的多功能混合环型功分器，包括微带环形结构、第一输入/输出端口、第二输入/输出端口、第三输入/输出端口、第四输入/输出端口、第一短路短截线、第二短路短截线和四分之一波长阻抗变换器；
所述第一输入/输出端口、第三输入/输出端口和第四输入/输出端口并联在微带环形结构上，中心连接点分别记为a、c和d，劣弧cd的中心弧长为微带环形结构中心线周长的六分之一；
所述第二输入/输出端口通过四分之一波长阻抗变换器并联在微带环形结构上，中心连接点记为b，劣弧ab和劣弧bc的中心弧长均为微带环形结构中心线周长的六分之一；
所述第一短路短截线并联在微带环形结构上，中心连接点记为n，劣弧an的中心弧长为微带环形结构中心线周长的十二分之一；
所述第二短路短截线并联在微带环形结构上，中心连接点记为m，劣弧mc的中心弧长为微带环形结构中心线周长的十二分之一。
优选的，所述第一短路短截线和第二短路短截线的长度均为低频中心频率所对应工作波长的四分之一。
优选的，所述四分之一波长阻抗变换器的长度为高频中心频率所对应工作波长的四分之一。
优选的，记低频中心频率为f0，对应工作波长为λ0；高频中心频率为f1，对应工作波长为λ1；f1＝2f0。
优选的，所述第一输入/输出端口、第二输入/输出端口、第三输入/输出端口(3)和第四输入/输出端口的端口阻抗均为50Ohm，所述第一短路短截线和第二短路短截线的端口阻抗均为50Ohm，所述微带环形结构中微带线的特性阻抗为70.7Ohm，所述四分之一波长阻抗变换器的特性阻抗为35.3Ohm。
优选的，所述第一短路短截线和第二短路短截线设置在微带环形结构的内部。
优选的，所述第一短路短截线和第二短路短截线均为折线结构。
优选的，所述第一短路短截线和第二短路短截线均通过接地孔接地。
优选的，所述四分之一波长阻抗变换器与微带环形结构相连的一端有一段50Ohm的短截线，其长度不超过最小可加工长度的2倍。
以低频中心频率为f0、高频中心频率为f1、f1＝2f0为例，对本发明的工作方式进行说明。
由于第一短路短截线和第二短路短截线的长度均为0.25λ0，当混合环工作于低频段时，第一、第二短路线均呈现开路状态，此时所公开的混合环结构可等效于传统混合环结构。
当混合环工作于高频段时，第一、第二短路线均呈现短路状态，而短路点距第一输入/输出端口和第三输入/输出端口的长度为0.125λ0(即0.25λ1)，因此从第一输入/输出端口往第一短路短截线看过去的阻抗为开路，从第三输入/输出端口往第二短路短截线看过去的阻抗也为开路；此时，从第二输入/输出端口输入的信号可从第一输入/输出端口和第三输入/输出端口等幅同相输出，第四输入/输出端口则无信号输出；在第二输入/输出端口，若跳过四分之一波长阻抗变换器分别往第一输入/输出端口和第一输入/输出端口看，所呈现的阻抗均为50Ohm，所以要通过四分之一波长阻抗变换器将25Ohm的阻抗变换至50Ohm，以实现第二输入/输出端口在高频段的匹配。四分之一波长阻抗变换器的引入会影响第一输入/输出端口和第三输入/输出端口在低频段的偶模匹配以及第二输入/输出端口在低频段的阻抗匹配。但在平衡倍频器和和平衡分谐波混频器等应用中，这些阻抗失配并无影响。例如在倍频器设计中，信号从第四输入/输出端口输入，经过混合环后从第一和第三输入/输出端口等幅反相输出。若第一和第三输入/输出端口都接二极管(两二二级管同向)，则在第一和第三输入/输出端口在低频段的反射信号也为等幅反相信号即差模信号，而对于差模信号这两个端口是匹配的。经过二极管后，会在第一和第三输入/输出端口产生高频段等幅同相信号，此时信号会通过第二输入/输出端口无反射输出。
综上所述，本案的混合环可实现如下功能：在低频段，信号从第四输入/输出端口入，从第一和第三输入/输出端口等幅反相输出，第二输入/输出端口和第四输入/输出端口为隔离端。在高频段，信号从第二输入/输出端口二入，从第一和第三输入/输出端口等幅同相输出，第二输入/输出端口和第四输入/输出端口为隔离端。
有益效果：本发明提供的基于微带结构的多功能混合环型功分器，工作带宽大，并且两个工作的频段的相对带宽基本相同，特别适用于宽带平衡混频器及平衡分谐波混频器等应用；并且结构简单、易于加工，满足了宽带平衡二倍频器或宽带二次分谐波混频器等的应用需求。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为基于本发明的19GHz/38GHz双频混合环版图；
图3为图2中的19GHz/38GHz双频混合环的仿真结果，第四输入/输出端口到第一(S14)、第三(S34)输入/输出端口的传输系数，横坐标表示频率，纵坐标表示S参数；
图4为图2中的19GHz/38GHz双频混合环的仿真结果；第二输入/输出端口到第一(S12)、第三(S32)输入/输出端口的传输系数，横坐标表示频率，纵坐标表示S参数。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示为一种19GHz/38GHz双频混合环，包括微带环形结构5、第一输入/输出端口1、第二输入/输出端口2、第三输入/输出端口3、第四输入/输出端口4、第一短路短截线6、第二短路短截线7和四分之一波长阻抗变换器8；记低频中心频率为f0，对应工作波长为λ0；高频中心频率为f1，对应工作波长为λ1；f1＝f0；微带环形结构5中心线周长为1.5λ0。
所述第一输入/输出端口1、第三输入/输出端口3和第四输入/输出端口4并联在微带环形结构5上，中心连接点分别记为a、c和d，劣弧cd的中心弧长为0.25λ0；所述第二输入/输出端口2通过四分之一波长阻抗变换器8并联在微带环形结构5上，中心连接点记为b，劣弧ab和劣弧bc的中心弧长均为0.25λ0；所述第一短路短截线6并联在微带环形结构5上，中心连接点记为n，劣弧an的中心弧长为0.125λ0；所述第二短路短截线7并联在微带环形结构5上，中心连接点记为m，劣弧mc的中心弧长为0.125λ0；所述第一短路短截线6和第二短路短截线7的长度均为0.25λ0；所述四分之一波长阻抗变换器8的长度为0.25λ0。
所述第一输入/输出端口1、第二输入/输出端口2、第三输入/输出端口3和第四输入/输出端口4的端口阻抗均为50Ohm，所述第一短路短截线6和第二短路短截线7的端口阻抗均为50Ohm，所述微带环形结构5中微带线的特性阻抗为70.7Ohm，所述四分之一波长阻抗变换器8的特性阻抗为35.3Ohm。
所述第一短路短截线6和第二短路短截线7设置在微带环形结构5的内部，且关于微带环形结构5的中心点对称；所述第一短路短截线6和第二短路短截线7均为折线结构，折线角度为150°；所述第一短路短截线6和第二短路短截线7均通过接地孔接地。
所述四分之一波长阻抗变换器8与微带环形结构5相连的一端有一段50Ohm的短截线，其长度为0.2mm。
所述19GHz/38GHz双频混合环采用厚度为0.127mm的Rogers Duroid R/T5880板材制作。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于微带结构的多功能混合环型功分器，其特征在于：包括微带环形结构(5)、第一输入/输出端口(1)、第二输入/输出端口(2)、第三输入/输出端口(3)、第四输入/输出端口(4)、第一短路短截线(6)、第二短路短截线(7)和四分之一波长阻抗变换器(8)；
所述第一输入/输出端口(1)、第三输入/输出端口(3)和第四输入/输出端口(4)并联在微带环形结构(5)上，中心连接点分别记为a、c和d，劣弧cd的中心弧长为微带环形结构(5)中心线周长的六分之一；
所述第二输入/输出端口(2)通过四分之一波长阻抗变换器(8)并联在微带环形结构(5)上，中心连接点记为b，劣弧ab和劣弧bc的中心弧长均为微带环形结构(5)中心线周长的六分之一；
所述第一短路短截线(6)并联在微带环形结构(5)上，中心连接点记为n，劣弧an的中心弧长为微带环形结构(5)中心线周长的十二分之一；
所述第二短路短截线(7)并联在微带环形结构(5)上，中心连接点记为m，劣弧mc的中心弧长为微带环形结构(5)中心线周长的十二分之一。
2.根据权利要求1所述的基于微带结构的多功能混合环型功分器，其特征在于：所述第一短路短截线(6)和第二短路短截线(7)的长度均为低频中心频率所对应工作波长的四分之一。
3.根据权利要求1所述的基于微带结构的多功能混合环型功分器，其特征在于：所述四分之一波长阻抗变换器(8)的长度为高频中心频率所对应工作波长的四分之一。
4.根据权利要求1所述的基于微带结构的多功能混合环型功分器，其特征在于：记低频中心频率为f0，对应工作波长为λ0；高频中心频率为f1，对应工作波长为λ1；f1＝2f0。
5.根据权利要求1所述的基于微带结构的多功能混合环型功分器，其特征在于：所述第一输入/输出端口(1)、第二输入/输出端口(2)、第三输入/输出端口(3)和第四输入/输出端口(4)的端口阻抗均为50Ohm，所述第一短路短截线(6)和第二短路短截线(7)的端口阻抗均为50Ohm，所述微带环形结构(5)中微带线的特性阻抗为70.7Ohm，所述四分之一波长阻抗变换器(8)的特性阻抗为35.3Ohm。
6.根据权利要求1所述的基于微带结构的多功能混合环型功分器，其特征在于：所述第一短路短截线(6)和第二短路短截线(7)设置在微带环形结构(5)的内部。
7.根据权利要求1所述的基于微带结构的多功能混合环型功分器，其特征在于：所述第一短路短截线(6)和第二短路短截线(7)均为折线结构。
8.根据权利要求1所述的基于微带结构的多功能混合环型功分器，其特征在于：所述第一短路短截线(6)和第二短路短截线(7)均通过接地孔接地。
9.根据权利要求1所述的基于微带结构的多功能混合环型功分器，其特征在于：所述四分之一波长阻抗变换器(8)与微带环形结构(5)相连的一端有一段50Ohm的短截线，其长度不超过最小可加工长度的2倍。
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