CN107681242B - 威尔金森功分器 - Google Patents
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Abstract
一种威尔金森功分器，包括介质层、附着在所述介质层一侧的信号金属层、和附着在所述介质层另一侧的金属底层，所述信号金属层、介质层以及金属底层形成微带线结构，所述信号金属层包括：输入端口，微波传输支路，输出端口，隔离电阻，第一三角桩结构和第二三角桩结构。与传统的超宽带威尔金森功分器相比，本发明的威尔金森功分器在有效拓宽频带的基础上，大大节约了电路版图面积。
Description
技术领域
本发明涉及功分器领域，特别是涉及一种威尔金森功分器。
背景技术
功分器是微波接收、发射及频率合成系统中不可缺少的部件，无论是微波通信、雷达、遥控遥感、电子侦察、电子对抗还是微波测量系统中，都有将信号等功率分配的需求，将信号等功率分配为多路，再分别进行处理，这时非常普遍的应用。在发射系统中，将功分器反转使用，就是功率合成器，在中、大功率的发射源中，对整个系统性能有着重要的影响。尤其是在多通道侧向系统中，更是决定系统性能的关键部件，对幅度一致性、相位一致性指标有着严格的要求，这样才能保证系统的测向精度。伴随着军事装备的迅猛发展，对功分器的带宽覆盖提出了极高的要求。在全频段范围内，要满足功分器的各项性能指标，具有相当大的难度。
目前，传统的单节威尔金森功分器在带宽方面较窄，不能满足实际应用，而多节威尔金森功分器虽在带宽方面有一定的改善，但是却牺牲了一定的面积，并且隔离电阻的值由长宽比决定，在多节威尔金森功分器中，有些隔离电阻会成倍增加，这也意味着隔离电阻的长宽比也会成倍增加，给加工造成困难，同时进一步的浪费版图面积。
发明内容
基于此，有必要针对超宽带威尔金森功分器电路面积较大的问题，提供一种威尔金森功分器。
一种威尔金森功分器，包括介质层、附着在所述介质层一侧的信号金属层、和附着在所述介质层另一侧的金属底层，所述信号金属层、介质层以及金属底层形成微带线结构，所述信号金属层包括：
输入端口，用于输入微波信号；
微波传输支路，路数至少为2路且均与所述输入端口连接，用于将所述微波信号分成至少2路微波分支信号；
输出端口，用于输出所述至少2路微波分支信号，所述输出端口个数与所述微波传输支路路数相匹配，且每个输出端口分别与一路微波传输支路连接；
隔离电阻，相邻两输出端口之间连接有所述隔离电阻；
第一三角桩结构，所述第一三角桩结构设置在所述微波传输支路，用于将所述微波传输支路分为两段；
第二三角桩结构，所述第二三角桩结构设置在所述隔离电阻和所述输出端口连接处。
在其中一个实施例中，所述第一三角桩结构和第二三角桩结构是片状的等腰三角形结构，且所述第一三角桩结构和第二三角桩结构均以顶角朝向微带线并与微带线部分重叠的方式设置在所述微带线结构上。
在其中一个实施例中，每条所述微波传输支路均设置有所述第一三角桩结构，每个所述隔离电阻与所述输出端口连接处均设置有所述第二三角桩结构。
在其中一个实施例中，所述微波传输支路路数为2路，所述输出端口个数为2个。
在其中一个实施例中，所述2路微波传输支路长度相等，所述2路微波传输支路宽度相等，且所述2路微波传输支路完全对称。
在其中一个实施例中，所述微波传输支路被所述第一三角桩结构分为两部分，分别为第一微带线部分和第二微带线部分，所述第一微带线部分阻抗为73.5Ω，电长度为38.4deg，所述第二微带线部分阻抗为73.5Ω，电长度为31deg。
在其中一个实施例中，所述输入端口与所述输出端口部分的微带线结构阻抗为50Ω。
在其中一个实施例中，所述介质层为介电常数为3.38的RO4003C材料，厚度为20mil。
在其中一个实施例中，所述信号金属层和金属底层的材质均为铜，铜厚1oz。
在其中一个实施例中，所述隔离电阻的阻值为100Ω。
上述威尔金森功分器，与传统多节超宽带威尔金森功分器相比，在微波传输支路和隔离电阻与所述输出端口连接处设置了三角桩结构，使得威尔金森功分器的工作频段大幅变宽，且满足功分器的各项性能指标。同时，微波传输支路的总电长度38.4deg加31deg等于69.4deg，小于传统的90deg电长度，在有效拓宽威尔金森功分器频带的基础上，大大节约了电路版图面积。
附图说明
图1为本发明一个实施例的威尔金森功分器的结构示意图；
图2为本发明一个实施例的威尔金森功分器的三角桩结构的示意图；
图3为本发明一个实施例的威尔金森功分器的输入端口反射系数和输出端口插损的波形图；
图4为本发明一个实施例的威尔金森功分器的输出端口相位变化的波形图；
图5为本发明一个实施例的威尔金森功分器的输出端口隔离度的波形图；
图6为本发明一个实施例的威尔金森功分器的输出端口反射系数的波形图。
具体实施方式
参见图1，图1为一实施例中威尔金森功分器的结构示意图。
目前，学术界和工业界普遍比较关心的是3.1GHz-10.6GHz的超宽带系统在商业上的应用价值。因此，本实施例中，所述威尔金森功分器拓宽频带的范围为3.1GHz-10.6GHz。
在本实施例中，所述威尔金森功分器包括介质层，附着在所述介质层一侧的信号金属层，和附着在所述介质层另一侧的金属底层，信号金属层、介质层以及金属底层形成微带线结构，所述信号金属层包括输入端口10、第一微波传输支路11、第二微波传输支路12、第二三角桩结构13、输出端口14和隔离电阻15。
所述输入端口10用于输入微波信号。
所述输出端口14用于将经过二等分的能量输出到下一个电路单元。第一微波传输支路11被一个第一三角桩结构112分为两段，第二微波传输支路12被一个第一三角桩结构122分为两段。
第一微波传输支路11包括依次连接的第一微带线部分111、第一三角桩结构112和第二微带线部分113。
第二微波传输支路12包括依次连接的第三微带线部分121、第一三角桩结构122和第四微带线部分123。
在本实施例中，所述输出端口14包括第一输出端口141和第二输出端口142，所述隔离电阻15连接在所述第一输出端口141和第二输出端口142之间，阻值为100Ω。所述第二三角桩结构13设置在所述隔离电阻15和所述第一输出端口141、第二输出端口142连接处。在其它实施例中，当威尔金森功分器为多路输出时，在每两个相邻的输出端口之间都要接入隔离电阻15，阻值依实际情况做不同调整，且每个所述隔离电阻15与所述输出端口14连接处均设置有所述第二三角桩结构13。
请参见图2，所述第一三角桩结构和第二三角桩结构是等腰三角形结构，且所述第一三角桩结构和第二三角桩结构均以顶角朝向微带线并与微带线部分重叠的方式设置在所述微带线结构上。所述第一三角桩结构和第二三角桩结构底边长为L，顶角角度为α，露出微带线结构表面部分腰的长度为R。
在本实施例中，所述第一三角桩结构底边长L1为1.71mm，顶角角度α1为58deg，露出微带线结构表面部分腰的长度R1为1.14mm，所述第二三角桩结构底边长L2为1.22mm，顶角角度α2为30deg，露出微带线结构表面部分腰的长度R2为0.82mm。在其它实施例中，根据所述威尔金森功分器应用频率范围的变化，所述第一三角桩结构和第二三角桩结构的参数可做相应调整。
电长度表示微带线的物理长度与传输波长(在微带线中)的比值，单位为角度deg。在微带线材料不变的情况下，微带线的电长度和物理长度成正比，知道微带线电长度即可针对特定的材料算出物理长度。因此微带线电长度越小，其物理长度也越短，尺寸就越小。
在本实施例中，所述威尔金森功分器为二功分器，将输入端口10的输入信号能量分为两路能量输出。在本实施例中，所述威尔金森功分器有两路微波传输支路和两个输出端口。在其它实施例中，当威尔金森功分器为三功分器、四功分器时，微波传输支路和输出端口的数量也随之发生变化，输出端口个数与微波传输支路路数相匹配。
在本实施例中，所述威尔金森功分器为二等分威尔金森功分器，将输入端口的输入信号能量分为两路相等的能量输出。在本实施例中，所述第一微波传输支路11和第二微波传输支路12的长度相等，所述第一微波传输支路11和第二微波传输支路12的宽度相等，且2路微波传输支路完全对称。在其它实施例中，当威尔金森功分器为不等分功分器时，所述第一微波传输支路11和第二微波传输支路12的长度、宽度可依实际情况做不同调整。
在本实施例中，所述第一微波传输支路11被所述第一微波传输支路第一三角桩结构112分为两部分，分别为第一微带线部分111和第二微带线部分113，所述第一微带线部分111阻抗为73.5Ω，电长度为38.4deg，所述第二微带线部分113阻抗为73.5Ω，电长度为31deg。所述第二微波传输支路12与第一微波传输支路11完全对称。在其它实施例中，所述两部分微带线部分的阻抗和电长度可以根据实际情况做适当调整。
在本实施例中，在微波传输支路和隔离电阻与所述输出端口连接处设置了三角桩结构，使得威尔金森功分器的工作频段大幅变宽，且满足功分器的各项性能指标。同时，微波传输支路的总电长度38.4deg加31deg等于69.4deg，小于传统的90deg电长度，在有效拓宽威尔金森功分器频带的基础上，大大节约了电路版图面积。
请参见图3，图3为本发明一个实施例中的威尔金森功分器的输入端口反射系数和输出端口插损的波形图。横坐标表示频率，单位为GHz，纵坐标表示幅值，单位为分贝，该波形图表示本发明一个实施例中的威尔金森功分器的输入端口和输出端口的反射系数随频率变化的情况。其中，S(1,1)表示输入端口反射系数随频率变化的波形图，S(2,1)表示第一输出端口插入损耗随频率变化的波形图，S(3,1)表示第二输出端口插入损耗随频率变化的波形图。从图中可以看出，该威尔金森功分器在3.1GHz-10.6GHz的带宽内，输入端口反射系数S11小于-10dB，输出端口插入损耗S21，S31小于0.8dB。可知该威尔金森功分器反射系数小，插入损耗小，回波损耗小，反射功耗低，传输功率高。
请参见图4，图4为本发明一个实施例中的威尔金森功分器的输出端口相位变化的波形图。横坐标表示频率，单位为GHz，纵坐标表示角度，单位为deg，该波形图表示本发明一个实施例中的威尔金森功分器的输出端口相位随频率变化的情况。其中，S(2,1)表示第一输出端口相位随频率变化的波形图，S(3,1)表示第二输出端口相位随频率变化的波形图。从图中可以看出，该威尔金森功分器在3.1GHz-10.6GHz的带宽内，两个输出端口的通道相位基本保持一致，使得经过二功分后得到的两路微波分支信号相位一致，功分效果好。
参见图5，图5为本发明一个实施例中的威尔金森功分器的输出端口隔离度的波形图。横坐标表示频率，单位为GHz，纵坐标表示幅值，单位为分贝，该波形图表示本发明一个实施例中的威尔金森功分器的输出端口隔离度随频率变化的情况。其中，S(3,2)即为第一输出端口和第二输出端口之间的隔离度随频率变化的情况。从图中可以看出，该威尔金森功分器在3.1GHz-10.6GHz的带宽内，输出端口隔离度S23小于-10dB，彼此干扰小。
参见图6，图6为本发明一个实施例中的威尔金森功分器的输出端口反射系数波形图。横坐标表示频率，单位为GHz，纵坐标表示幅值，单位为分贝，该波形图表示本发明一个实施例中的威尔金森功分器的输出端口的反射系数随频率变化的情况。其中，S(2,2)表示第一输出端口反射系数随频率变化的波形图，S(3,3)表示第二输出端口反射系数随频率变化的波形图。从图中可以看出，该威尔金森功分器在3.1GHz-10.6GHz的带宽内，输出端口反射系数S22，S33小于-11dB。可知该威尔金森功分器反射系数小，回波损耗小，反射功耗低，传输功率高。
具体地，所述信号金属层和金属底层的材质均为铜，铜厚1oz；所述介质层为介电常数为3.38的RO4003C材料，厚度为20mil，所述输入端口和输出端口微带线阻抗为50Ω。
上述威尔金森功分器，与传统多节超宽带威尔金森功分器相比，在微波传输支路和隔离电阻与所述输出端口连接处设置了三角桩结构，使得威尔金森功分器的工作频段大幅变宽，且满足功分器的各项性能指标。同时，微波传输支路的总电长度38.4deg加31deg等于69.4deg，小于传统的90deg电长度，在有效拓宽威尔金森功分器频带的基础，满足结构简单、插入损耗低、隔离度高等性能的基础上，大大节约了电路版图面积。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.一种威尔金森功分器，包括介质层、附着在所述介质层一侧的信号金属层、和附着在所述介质层另一侧的金属底层，所述信号金属层、介质层以及金属底层形成微带线结构，其特征在于，所述信号金属层包括：
输入端口，用于输入微波信号；
微波传输支路，路数至少为2路且均与所述输入端口连接，用于将所述微波信号分成至少2路微波分支信号；
输出端口，用于输出所述至少2路微波分支信号，所述输出端口个数与所述微波传输支路路数相匹配，且每个输出端口分别与一路微波传输支路连接；
隔离电阻，相邻两输出端口之间连接有所述隔离电阻；
第一三角桩结构，所述第一三角桩结构设置在所述微波传输支路，用于将所述微波传输支路分为两段；
第二三角桩结构，所述第二三角桩结构设置在所述隔离电阻和所述输出端口连接处；
所述微带线结构为平面结构，具有一定宽度，所述第一三角桩结构和第二三角桩结构是片状的等腰三角形结构，且所述第一三角桩结构和第二三角桩结构均以顶角朝向微带线并与微带线部分重叠的方式设置在所述微带线结构上。
2.根据权利要求1所述的威尔金森功分器，其特征在于，每条所述微波传输支路均设置有所述第一三角桩结构，每个所述隔离电阻与所述输出端口连接处均设置有所述第二三角桩结构。
3.根据权利要求1所述的威尔金森功分器，其特征在于，所述微波传输支路路数为2路，所述输出端口个数为2个。
4.根据权利要求3所述的威尔金森功分器，其特征在于，所述2路微波传输支路长度相等，所述2路微波传输支路宽度相等，且所述2路微波传输支路完全对称。
5.根据权利要求4所述的威尔金森功分器，其特征在于，所述微波传输支路被所述第一三角桩结构分为两部分，分别为第一微带线部分和第二微带线部分，所述第一微带线部分阻抗为73.5Ω，电长度为38.4deg，所述第二微带线部分阻抗为73.5Ω，电长度为31deg。
6.根据权利要求1所述的威尔金森功分器，其特征在于，所述输入端口与所述输出端口部分的微带线结构阻抗为50Ω。
7.根据权利要求1所述的威尔金森功分器，其特征在于，所述介质层为介电常数为3.38的RO4003C材料，厚度为20mil。
8.根据权利要求1所述的威尔金森功分器，其特征在于，所述信号金属层和金属底层的材质均为铜，铜厚1oz。
9.根据权利要求1所述的威尔金森功分器，其特征在于，所述隔离电阻的阻值为100Ω。
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Effective date of registration: 20220808 Address after: 266000 room 610, building 1, No. 333 YINGSHANHONG Road, Binhai street, Huangdao District, Qingdao, Shandong Province Patentee after: Qingdao Junrong Huaxun Terahertz Technology Co.,Ltd. Address before: 518101 room 404, building 37, chentian Industrial Zone, chentian community, Xixiang street, Bao'an District, Shenzhen, Guangdong Province Patentee before: Shenzhen Huaxun ark Photoelectric Technology Co.,Ltd. |