CN108270062A - 基于平行耦合缝隙线结构的差分超宽带功率分配器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于平行耦合缝隙线结构的差分超宽带功率分配器，主要解决现有差分超宽带功率分配器共模抑制度和隔离度差的技术问题。其包括微带介质基板(1)、U型输入微带馈线(2)、U型输出微带馈线(3)、均匀阻抗微带线(7)和金属接地板(4)。金属接地板(4)上蚀刻有第一阶梯阻抗缝隙线结构(5)，两侧为L型均匀阻抗缝隙线结构(6)和第二阶梯阻抗缝隙线结构(8)，L型均匀阻抗缝隙线结构(6)直角之间为底端中心跨接有第一隔离电阻R1的U型均匀阻抗缝隙线结构(9)，两个U型输出微带馈线(3)之间并联连接有第二隔离电阻R2和第三隔离电阻R3。本发明体积小、共模抑制度和隔离度好，可用于移动通信。
Description
技术领域
本发明属于微波和射频技术领域，具体是一种基于平行耦合缝隙线结构的差分超宽带功率分配器，可应用于无线通信系统射频前端。
背景技术
近些年，随着无线移动通信技术的快速发展，一个通信系统往往需要工作在很宽的频带范围内，在这个频带范围内进行信号的功率分配，采用传统方法将导致通信系统体积大、成本高。而超宽带功分器能同时涵盖多个通信模式，占用体积小，成本较低，近些年来引起了国内外学者和研究机构的广泛研究。另一方面，由于差分系统对环境噪声有较好的抑制作用，能够提高系统的灵敏度，满足现代通信系统高质量的通信要求。因此，为了提高无线通信系统的抗干扰性，同时能够涵盖多个通信频段，超宽带差分功分器的一直是热点研究，但是相关的研究成果微乎其微。
2010年Kaijun Song等学者在微波领域的期刊IEEE MICROWAVE AND WIRELESSCOMPONENTS LETTERST上发表文章Novel Ultra-Wideband(UWB)Multilayer SlotlinePower Divider With Bandpass Response，但其为单端形式。
2015年Kaijun Song等人在ELECTRONICS LETTERS期刊上发表论文ExtremelyCompact Ultra-Wideband Power Divider Using Hybrid Slotline/Microstrip-LineTransition。文中也提出了一种基于缝隙线的单端形式的超宽带功分器。
上述这两种单端形式功率分配器的噪声抑制能力较差，容易受到环境噪声的干扰。此外，单端器件在差分系统的应用中，需要采用巴伦进行单端形式和差分形式的转换，这势必会造成尺寸增大和成本增加。
2017年Feng Wei等学者在ELECTRONICS LETTERS上发表论文A Balanced UWBPower Divider with One Narrow Notch-band。文中基于T型缝隙线结构设计了一种差分形式的超宽带功分器，这种差分功分器克服了单端形式的不足，但又由于结构问题导致输出端口间的隔离度不理想，造成输出端口之间信号的相互影响，不能满足移动通信系统的要求。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术缺陷，提供一种基于平行耦合缝隙线结构的差分超宽带功率分配器，以提高输出端口间的隔离度，减小输出端口之间信号的相互影响，满足移动通信系统的要求。
为实现上述目的，本发明包括微带介质基板1和金属接地板4，微带介质基板1的上表面设有U型输入微带馈线2和两个U型输出微带馈线3，金属接地板4位于微带介质基板1的下表面，其特征在于：
金属接地板4上蚀刻有第一阶梯阻抗缝隙线结构5，该第一阶梯阻抗缝隙线结构5两侧设有对称的L型均匀阻抗缝隙线结构6；每个L型均匀阻抗缝隙线结构6的末端均设有四分之一导波波长的第二阶梯阻抗缝隙线结构8；第一阶梯阻抗缝隙线结构5位于U型输入微带馈线2的正下方；第二阶梯阻抗缝隙线结构8位于U型输出微带馈线3的正下方；
两条L型均匀阻抗缝隙线结构6的直角之间设有U型均匀阻抗缝隙线结构9，该U型均匀阻抗缝隙线结构9的底端中心跨接有第一隔离电阻R1；在两个U型输出微带馈线3之间并联连接有第二隔离电阻R2和第三隔离电阻R3。
进一步，所述阶梯阻抗缝隙线结构5与L型均匀阻抗缝隙线结构6的平行部分上方设有两条相同的均匀阻抗微带线7。
进一步，所述两个U型输出微带馈线3之间设有均匀阻抗过渡微带线10，以实现第二隔离电阻R2和第三隔离电阻R3与两个U型输出微带馈线3之间的过渡连接。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1.本发明通过采用加载隔离电阻的U型缝隙线结构和在两条U型输出微带馈线之间加载隔离电阻的方式，实现了隔离度的提升。
2.本发明通过在阶梯阻抗缝隙线结构和其两侧对称的L型均匀阻抗缝隙线结构实现了功率分配特性，尺寸小，结构简单。
3.本发明通过在平行耦合结构上方加载两条均匀阻抗微带线，提高了耦合强度和输入阻抗匹配。
4.本发明通过U型微带馈线以及位于其正下方的阶梯阻抗缝隙线结构实现了差模信号的过渡传输和对共模信号的抑制。
附图说明
图1为本发明的整体结构图；
图2为本发明的顶部结构图；
图3为本发明的底部结构图；
图4为本发明的差模回波损耗、差模插入损耗的S参数和幅度不平衡度仿真和实测图；
图5为本发明的差模隔离度的S参数和相位不平衡度仿真和实测图；
图6为本发明共模回波损耗和共模插入损耗的S参数仿真和实测图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：
参照图1、图2和图3，本实施例的基于平行耦合缝隙线结构的差分超宽带功率分配器通过双面覆铜板实现，它包括一个微带介质基板1、一个U型输入微带馈线2、两个U型输出微带馈线3、金属接地板4、两条均匀阻抗微带线7和四条均匀阻抗过渡微带线10；金属接地板4上蚀刻有第一阶梯阻抗缝隙线结构5、两个L型均匀阻抗缝隙线结构6、两个第二阶梯阻抗缝隙线结构8和U型均匀阻抗缝隙线结构9。其中：
微带介质基板1采用介电常数为2.2，大小为44mm×37mm，厚度为0.8mm的F4BM-2材料；U型输入微带馈线2、U型输出微带馈线3、均匀阻抗微带线7和均匀阻抗过渡微带线10位于微带介质基板1的上表面；金属接地板4位于该微带介质基板1的下表面。
所述U型输入微带馈线2，由两条50欧姆的微带竖线和一条微带横线相连构成，两条50欧姆微带竖线用来输入差模信号，中间的一条微带横线作为U型馈线的底边，并与其正下方的第一阶梯阻抗缝隙线结构5组成过渡结构，用于传输差模信号和抑制共模信号。U型输入微带馈线2的两条平行50欧姆微带竖线的长度L1为14mm-15mm，线宽W1为2.2-2.5mm，本实施例取但不限于L1为14mm，W1为2.4mm；U型输入微带馈线2的微带横线长度L2为14mm-15mm，线宽W2为2.5mm-3mm，本实施例取但不限于L2为14.4mm，W2为2.8mm。
所述第一阶梯阻抗缝隙线结构5的第一阶缝隙线长度为四分之一导波波长，用以顺利实现微带线到缝隙线的信号传输。该第一阶梯阻抗缝隙线结构5的第一阶缝隙线长度Ls1为5mm-7mm，宽度Ws1为7mm-9mm，本实施例取但不限于Ls1为6mm，Ws1为8mm；第二阶缝隙线的长度Ls2为12mm-14mm，宽度Ws2为0.2mm-0.5mm，本实施例取但不限于Ls1为13mm，Ws1为0.35mm；
所述第一阶梯阻抗缝隙线结构5两侧为两个左右对称的L型均匀阻抗缝隙线结构6，利用三条缝隙线的平行耦合以实现输入信号的等功率分配，结构简单，易于实现；该第一阶梯阻抗缝隙线结构5与L型均匀阻抗缝隙线结构6的平行部分的间距g为0.1mm-0.3mm，长度Ls3为6mm-12mm，本实施例取但不限于g为0.15mm，长度Ls3为9mm。
所述L型均匀阻抗缝隙线结构6的宽度Ws3为0.1mm-0.25mm，第二部分长度Ls4为6.5mm-8.5mm，本实施例取但不限于Ws3为0.15mm，Ls4为7.5mm。
所述两条均匀阻抗微带线7位于第一阶梯阻抗缝隙线结构5与L型均匀阻抗缝隙线结构6的平行部分正上方，用于提高输入阻抗匹配和缝隙线平行耦合强度。该均匀阻抗微带线7的长度Lt为6mm-8mm，宽度Wt为0.3mm-0.6mm，本实施例取但不限于Lt为7mm，Wt为0.5mm。
所述两个第二阶梯阻抗缝隙线结构8分别位于两个L型均匀阻抗缝隙线结构6的末端，长度为四分之一导波波长，第二阶梯阻抗缝隙线结构8的第一阶阶梯阻抗型缝隙线的长度Ls5为2.8mm-3.6mm，宽度Ws4为0.2mm-0.6mm,本实施例取但不限于Ls5为3mm，Ws4为0.4mm；第二阶阶梯阻抗型缝隙线的长度Ls6为5mm-5.6mm，宽度Ws5为9.2mm-10mm，本实施例取但不限于Ls6为5.2mm，Ws5为9.4mm。
所述两个U型输出微带馈线3分别位于所述两个第二阶梯阻抗缝隙线结构8正上方，以实现信号从缝隙线到微带线的过渡与输出；该U型输出微带馈线3由两条50欧姆的微带横线和一条微带竖线相连构成，两条50欧姆微带横线用来输出差模信号，中间的一条微带竖线作为U型馈线的底边，并与其正下方的第二阶梯阻抗缝隙线结构8组成过渡结构，用于实现信号从缝隙线到微带线的传输；U型输入微带馈线的两条平行50欧姆微带横线的长度L3为13.6mm-14.4mm，线宽W3为2.2mm-2.5mm，本实施例取但不限于L3为14mm，W3为2.4mm；U型输出微带馈线3的微带竖线长度L4为14.2mm-14.6mm，线宽W4为2.6mm-3mm，本实施例取但不限于L4为14.4mm，W4为2.8mm。
所述U型均匀阻抗缝隙线结构9位于两条L型均匀阻抗缝隙线结构6的直角之间，其宽度Wsk为0.1mm-0.25mm，侧边长度Lsk为0.8mm-1.5mm，本实施例取但不限于Wsk为0.15mm，Lsk为1.2mm；第一隔离电阻R1跨接在U型均匀阻抗缝隙线结构9的底端中心；第二隔离电阻R2和第三隔离电阻R3并联连接在两个U型输出微带馈线3之间。第一隔离阻值R1为50ohm-200ohm；第二隔离电阻R2和第三隔离电阻R3的阻值为100ohm-200ohm。本实施例取但不限于R1为100ohm，R2为160ohm，R3为160ohm。
所述四条均匀阻抗过渡微带线10位于两个U型输出微带馈线3之间，以实现第二隔离电阻R2和第三隔离电阻R3与两个U型输出微带馈线3之间的过渡连接，均匀阻抗过渡微带线10的宽度W5为0.1mm-0.3mm，本实施例取但不限于W5为0.2mm。
本发明的效果可通过以下仿真与测试进一步说明。
仿真实测1，分别对上述实施例的基于平行耦合缝隙线结构的差分超宽带功率分配器进行差模回波损耗差模插入损耗幅度不平衡度的仿真与实测，结果如图4所示。
从图4的仿真结果可以看出，本实施例的工作频段为3.0GHz-9.4GHz，相对带宽为103.2％，实现了超宽带特性；在整个工作频段内，差模插入损耗小于等于3.5dB，损耗较小；幅度不平衡度小于等于0.2dB，显示了两个输出端口输出信号幅度的良好一致性。
从图4的实测结果可以看出，本实施例的工作频段为2.8GHz-9.5GHz，相对带宽为108.9％，实现了超宽带特性；在整个工作频段内，差模插入损耗小于等于3.8dB，损耗较小；幅度不平衡度小于等于0.4dB，显示了两个输出端口输出信号幅度的良好一致性。
仿真实测2，分别对上述实施例的基于平行耦合缝隙线结构的差分超宽带功率分配器进行差模隔离度和相位不平衡度进行仿真与实测，结果如图5所示。
从图5的仿真结果可以看出，在工作频段范围内，差模隔离度大于13dB，实现了两个输出端口间良好的隔离；相位不平衡度小于2度，显示了两个输出端口输出信号相位的良好一致性。
从图5的实测结果可以看出，在工作频段范围内，差模隔离度大于15dB，实现了两个输出端口间良好的隔离；相位不平衡度小于4度，显示了两个输出端口输出信号相位的良好一致性。
仿真实测3，分别对上述实施例的基于平行耦合缝隙线结构的差分超宽带功率分配器进行共模回波损耗和共模插入损耗进行仿真与实测，结果如图6所示。
从图6的仿真结果可以看出，在工作频段范围内，共模回波损耗小于0.8dB，共模插入损耗大于30dB，实现了良好的共模抑制。
从图6的实测结果可以看出，在工作频段范围内，共模回波损耗小于1.4dB，共模插入损耗大于30dB，实现了良好的共模抑制。
上述三个仿真结果均与实测结果基本一致。
Claims (9)
1.基于平行耦合缝隙线结构的差分超宽带功率分配器，包括微带介质基板(1)和金属接地板(4)，微带介质基板(1)的上表面设有U型输入微带馈线(2)和两个U型输出微带馈线(3)，金属接地板(4)位于微带介质基板(1)的下表面，其特征在于：
金属接地板(4)上蚀刻有第一阶梯阻抗缝隙线结构(5)，该阶梯阻抗缝隙线结构(5)两侧设有对称的L型均匀阻抗缝隙线结构(6)，每个L型均匀阻抗缝隙线结构(6)的末端均设有四分之一导波波长的第二阶梯阻抗缝隙线结构(8)；阶梯阻抗缝隙线结构(5)位于U型输入微带馈线(2)的正下方；第二阶梯阻抗缝隙线结构(8)位于U型输出微带馈线(3)的正下方；
两条L型均匀阻抗缝隙线结构(6)的直角之间设有U型均匀阻抗缝隙线结构(9)，该U型均匀阻抗缝隙线结构(9)的底端中心跨接有第一隔离电阻R1；在两个U型输出微带馈线(3)之间并联连接有第二隔离电阻R2和第三隔离电阻R3。
2.根据权利要求1所述的基于平行耦合缝隙线结构的差分超宽带功率分配器，其特征在于，所述第一阶梯阻抗缝隙线结构(5)与L型均匀阻抗缝隙线结构(6)的平行部分上方设有两条相同的均匀阻抗微带线(7)。
3.根据权利要求1所述的基于平行耦合缝隙线结构的差分超宽带功率分配器，其特征在于，所述两个U型输出微带馈线(3)之间设有四条均匀阻抗过渡微带线(10)，以实现第二隔离电阻R2和第三隔离电阻R3与两个U型输出微带馈线(3)之间的过渡连接。
4.根据权利要求3所述的基于平行耦合缝隙线结构的差分超宽带功率分配器，其特征在于，均匀阻抗过渡微带线(10)的宽度W5为0.1mm-0.3mm。
5.根据权利要求1所述的基于平行耦合缝隙线结构的差分超宽带功率分配器，其特征在于，微带介质基板(1)采用介电常数为2.2，大小为43.8mm×36.9mm，厚度为0.8mm的F4BM-2材料。
6.根据权利要求1所述的基于平行耦合缝隙线结构的差分超宽带功率分配器，其特征在于：
第一阶梯阻抗缝隙线结构(5)与L型均匀阻抗缝隙线结构(6)的平行部分的间距g为0.1mm-0.3mm，长度Ls3为6mm-12mm；
第一阶梯阻抗缝隙线结构(5)的第一阶缝隙线长度Ls1为5mm-7mm，宽度Ws1为7mm-9mm；第二阶缝隙线的长度Ls2为12mm-14mm，宽度Ws2为0.2mm-0.5mm；
L型均匀阻抗缝隙线结构(6)的宽度Ws3为0.1mm-0.25mm，L型均匀阻抗缝隙线结构(6)第二部分长度Ls4为6.5mm-8.5mm。
7.根据权利要求1所述的基于平行耦合缝隙线结构的差分超宽带功率分配器，其特征在于，均匀阻抗微带线(7)的长度Lt为6mm-8mm，宽度Wt为0.3mm-0.6mm。
8.根据权利要求1所述的基于平行耦合缝隙线结构的差分超宽带功率分配器，其特征在于，第一隔离阻值R1为50ohm-200ohm；第二隔离电阻R2和第三隔离电阻R3的阻值均为100ohm-200ohm。
9.根据权利要求1所述的基于平行耦合缝隙线结构的差分超宽带功率分配器，其特征在于，U型均匀阻抗缝隙线(9)的宽度Wsk为0.1mm-0.25mm，侧边长度Lsk为0.8mm-1.5mm。
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