CN107799859A - 一种非级联任意奇数路微带功分器 - Google Patents
一种非级联任意奇数路微带功分器 Download PDFInfo
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Abstract
一种非级联任意奇数路微带功分器，所述结构为圆环型拓扑，各个端口均匀分布在整个圆环上，每两个相邻端口之间环形微带线的电长度为中心频率对应波长的四分之一；相邻两个输出端口之间的环形微带线通过两个高阻线枝节连接到中心扇形开路枝节线上，每个高阻线枝节对应一个扇形开路枝节线，每个高阻线枝节和与其临近的输出端口之间的环形微带线电长度为十六分之一波长；与传统功分器依靠多级级联得到多路功分相比，本发明通过一次功分无需级联实现任意奇数路分配，并且无电阻网络，没有额外的损耗。
Description
技术领域
本发明涉及一种非级联任意奇数路微带功分器，属电子技术领域。
背景技术
基于平面结构的多路功分器已经在微波射频单机或TR组件设计中得到了大量使用，因此在微波射频单机或组件设计中时常需要设计基于微带电路的功分网络，将微波信号功分至若干奇数路微带电路。
传统设计方法主要有两种：一是先设计一分二的威尔金森功分器或者枝节线耦合桥，然后将其级联起来，最终将其中一路或者几路输出端口接50欧姆负载吸收掉；二是调整每一级威尔金森功分器的分配比，单独设计每一个威尔金森功分器，然后再级联。
前者一方面多浪费了一路能量，另一方面需要迭代较多级的功分器，增加了电路面积和传输损耗。后者还需要单独设计每一级的威尔金森功分器，大大增加了设计复杂度和工作量。目前也有一分三的微带功分器，但仍然需要级联才能实现基于微带结构的任意奇数路功分器。如果有一种功分器能够直接实现1分N，其中N＝3,5,7,9等等，那么就可以大大简化奇数路功分器的设计和实现方式。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种非级联任意奇数路微带功分器。
本发明的技术解决方案是：
一种非级联任意奇数路微带功分器，通过该微带功分器实现任意奇数路分配。
该微带功分器为圆环型拓扑结构，环形微带线上设置有1个输入端口与2n+1个输出端口，所有2n+2个端口均匀分布在圆周上，圆环内分布有4n个同心、同半径的扇形开路枝节线，n为正整数。
输入端口与输出端口之间以及相邻输出端口之间环形微带线的电长度为中心频率对应波长的四分之一。
输入端口和与其相邻的输出端口之间的环形微带线宽度相同，为N1，相邻输出端口之间的环形微带线宽度相同，为N2，且有N1>N2。
输入端口两侧的环形微带线特征阻抗为Z1，输出端口之间的环形微带线特征阻抗为Z2，
相邻两个输出端口之间的环形微带线通过两个高阻线枝节连接到中心扇形开路枝节线上，每个高阻线枝节对应一个扇形开路枝节线，每个高阻线枝节和与其临近的输出端口之间的环形微带线电长度为十六分之一波长。
扇形开路枝节线的半径为r，角度为θ：
其中，d为介质基板的厚度，∈r为介质基板的介电常数，∈0为真空介电常数8.854e-12F/m，f0是工作带宽的中心频率，Z2为输出端口之间的环形微带线特征阻抗。
输入端口的特征阻抗和输出端口的特征阻抗均为50欧姆。
一种微波射频单机，该微波射频单机上使用了如权利要求1～8中任一项所述的非级联任意奇数路微带功分器。
一种TR组件，该TR组件上使用了如权利要求1～8中任一项所述的非级联任意奇数路微带功分器。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)
本发明专利提出的任意奇数路环形功分器与传统功分器相比，无需级联，通过一次功分即可实现任意奇数路分配。传统多路奇数路功分器的设计有两种方法：一是多级功分器级联起来，最终将其中一路或者几路输出端口接50欧姆负载吸收掉；二是调整每一级功分器的分配比，单独设计每一个功分器，然后再级联。前者一方面多浪费了一路能量，另一方面需要迭代较多级的功分器，增加了电路面积和传输损耗。后者需要单独设计每一级功分器，大大增加了设计复杂度和工作量。本发明专利提出的环形功分器，采用不同阻抗圆环形微带线结构和扇形枝节线设计，通过一次功分即可实现任意奇数路分配，并有设计理论与方法，按照给出的公式即可完成设计。
(2)本发明专利提出的任意奇数路环形功分器与电阻型功分网络相比，无需阻性器件，不会给微波信号带来额外的损耗。
(3)本发明专利提出的任意奇数路环形功分器因为通过一次功分完成，所以只需要进行一次计算进行设计即可，而传统级联型的多路功分器需要完成每一级功分器的设计后再级联，所以本发明在实现方式和设计流程上更加简单易行，大大减少了设计复杂度和工作量。
附图说明
图1为本发明功分器拓扑结构示意图；
图2为本发明功分器等效电路图；
图3(a)为新型三路功分器模型，图3(b)和图3(c)为仿真结果图，
图4为传统五路功分器的设计
图5(a)为新型五路功分器模型，图5(b)和图5(c)为仿真结果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。
如图1所示，本发明提出了一种任意奇数路微带环形功分器。可以通过一次功分实现任意奇数路(2n+1)分配。其结构为圆环型拓扑，各个端口均匀分布在整个圆环上，每两个相邻端口之间环形微带线的电长度为中心频率对应波长的四分之一。输入端口两侧的环形微带线宽度相同，每个输出端口两侧的环形线宽度相同。在两个输出端口之间需要通过两个高阻线枝节连接到中心扇形开路枝节线上，这两个高阻线枝节与输出端口之间的环形微带线电长度为十六分之一波长，这些扇形开路枝节线半径相同。
图1中所示为1分2n+1路新型奇数路功分器，输入和输出端口阻抗为50欧姆，每两个相邻端口之间的环形微带线长度为λ/4；输入端口两侧的环形微带线特征阻抗为Z1，输出端口之间的环形微带线特征阻抗为Z2，通过两个高阻线枝节连接到扇形开路枝节线上，高阻线枝节长度远远小于四分之一波长即可，扇形开路枝节线的半径为r，角度为θ。这两个高阻线枝节与输出端口之间的环形微带线长度为λ/16，R为圆环半径。由于图中拓扑具有对称结构，故其等效电路图如图2所示，其中扇形开路枝节线等效电容值为Cni，(i＝1,2)：
根据各输出端口功率均匀分配和输入阻抗匹配可以计算出如下结果：
f0是工作带宽的中心频率。根据扇形枝节在整个环形功分器中的分布和扇形枝节的等效电容值Cni的大小，可以估算出扇形枝节的尺寸信息：
其中，d为介质基板的厚度，∈r为介质基板的介电常数，∈0为真空介电常数8.854e-12F/m。
本发明提出的环形功分器，采用不同阻抗圆环形微带线结构和扇形枝节线设计，通过一次功分即可实现任意奇数路分配。
基于平面结构的多路功分器已经在微波射频单机或TR组件设计中得到了大量使用，故本发明还提出了一种微波射频单机或者一种TR组件，该微波射频单机上或者一种TR组件上使用了所述的非级联任意奇数路微带功分器。
实施例一：
下面以一个一分三的环形功分器为例介绍本发明。
以一个一分三的环形功分器为例：该功分器工作频率1.66GHz，其设计基于FR4基板，基板厚度1mm，介电常数约为4.3～4.8，实现一路输入直接三等分的功能，根据上文所述的设计公式可计算出该功分器的尺寸，见下表所示：
表1 一分三功分器设计参数值
| (2n+1) | Z1(ohms) | Z2(ohms) | R(mm) | Θ(°) | r(mm) | Cni(pF) |
| 3 | 57.7 | 81.6 | 15.6 | 45 | 8.1 | 1.01 |
其三维模型和仿真结果见图3a、3b、3c所示；
图3a为本例一分三环形功分器的电路版图，图3b为该功分器的反射损耗(图中dB(S(1,1)))仿真图，其反射损耗在工作带宽内小于-17dB，图3c为该功分器三路输出的插入损耗(分别为dB(S(2,1))、dB(S(3,1))、dB(S(4,1)))图，其插损基本一致。
实施例二：
如果增加输出端口数量，需要基于同样的FR4基板设计1.66GHz的一个一分五的功分器，传统设计中需要将至少四个威尔金森功分器级联，如图4所示，如果需要等分设计则四个威尔金森功分器的分配比各不相同，设计复杂度成倍增加。
若采用本发明所述方法实现一路输入直接五等分的功能，则根据上文所述的设计公式可计算出该功分器的尺寸，见下表所示：
表2 一分五功分器设计参数值
| (2n+1) | Z1(ohms) | Z2(ohms) | R(mm) | Θ(°) | r(mm) | Cni(pF) |
| 5 | 44.7 | 63.2 | 23.4 | 30 | 11.3 | 1.30 |
其三维模型和仿真结果见图5a、b、c所示。
图5a为本例一分五环形功分器的电路版图，图5b为该功分器的反射损耗(图中dB(S(1,1)))仿真图，其反射损耗在工作带宽内小于-17dB，图5c为该功分器三路输出的插入损耗(分别为dB(S(2,1))、dB(S(3,1))、dB(S(4,1))、dB(S(5,1))、dB(S(6,1)))，其插损基本一致。
综上，本发明中新型任意奇数路微带环形功分器为微波射频单机中的奇数路功分网络的设计提供了一种新的简洁有效的实现方式。产品结构简单、设计灵活、性能优良，可以应用到各种需要的射频微波系统中。解决了传统奇数路多路功分器设计过程中需要多级级联、增加电路面积和传输损耗、设计每一级不同分配比的功分器等问题，大大简化了实现方式和设计过程。本产品设计思路很容易推广到微带以外的其他实现形式上，为微波整机或微带电路的设计提供了解决方案。
Claims (10)
1.一种非级联任意奇数路微带功分器，其特征在于：通过该微带功分器实现任意奇数路分配。
2.根据权利要求1所述的一种非级联任意奇数路微带功分器，其特征在于：该微带功分器为圆环型拓扑结构，环形微带线上设置有1个输入端口与2n+1个输出端口，所有2n+2个端口均匀分布在圆周上，圆环内分布有4n个同心、同半径的扇形开路枝节线，n为正整数。
3.根据权利要求2所述的一种非级联任意奇数路微带功分器，其特征在于：输入端口与输出端口之间以及相邻输出端口之间环形微带线的电长度为中心频率对应波长的四分之一。
4.根据权利要求2所述的一种非级联任意奇数路微带功分器，其特征在于：输入端口和与其相邻的输出端口之间的环形微带线宽度相同，为N1，相邻输出端口之间的环形微带线宽度相同，为N2，且有N1>N2。
5.根据权利要求2所述的一种非级联任意奇数路微带功分器，其特征在于：输入端口两侧的环形微带线特征阻抗为Z1，输出端口之间的环形微带线特征阻抗为Z2，
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<mi>Z</mi>
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<mo>+</mo>
<mn>1</mn>
</mrow>
</msqrt>
</mrow>
</mfrac>
<mo>.</mo>
</mrow>
6.根据权利要求2所述的一种非级联任意奇数路微带功分器，其特征在于：相邻两个输出端口之间的环形微带线通过两个高阻线枝节连接到中心扇形开路枝节线上，每个高阻线枝节对应一个扇形开路枝节线，每个高阻线枝节和与其临近的输出端口之间的环形微带线电长度为十六分之一波长。
7.根据权利要求6所述的一种非级联任意奇数路微带功分器，其特征在于：扇形开路枝节线的半径为r，角度为θ：
<mrow>
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<mo>=</mo>
<mfrac>
<mi>&pi;</mi>
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<mo>,</mo>
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<msqrt>
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<mrow>
<msup>
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<mn>2</mn>
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</msub>
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<mo>&Element;</mo>
<mn>0</mn>
</msub>
</mrow>
</mfrac>
</msqrt>
<mo>,</mo>
</mrow>
其中，d为介质基板的厚度，∈r为介质基板的介电常数，∈0为真空介电常数8.854e-12F/m，f0是工作带宽的中心频率，Z2为输出端口之间的环形微带线特征阻抗。
8.根据权利要求4所述的一种非级联任意奇数路微带功分器，其特征在于：输入端口的特征阻抗和输出端口的特征阻抗均为50欧姆。
9.一种微波射频单机，其特征在于：该微波射频单机上使用了如权利要求1～8中任一项所述的非级联任意奇数路微带功分器。
10.一种TR组件，其特征在于：该TR组件上使用了如权利要求1～8中任一项所述的非级联任意奇数路微带功分器。
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