CN108281743B - 一种片上集成紧凑型宽带功分器 - Google Patents

一种片上集成紧凑型宽带功分器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种片上集成紧凑型宽带功分器，包括输入端口，用于输入微波信号；输入端阻抗变换节，所述输入端阻抗变换节设置于所述输入端口处；传输部件，所述传输部件与所述输入端阻抗变换节连接并将所述输入微波信号分成至少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分支信号的路数相匹配；输出端阻抗变换节，所述输出端阻抗变换节设置于所述输出端口处。上述功分器采用片上螺线电感和片上电容组合的阻抗变换节取代传统功分器中的λ/4波长的传输线，从而在满足传输效率、匹配度和隔离度的情况下有效减小功分器体积，且用多级阻抗变换节的设计，拓宽了工作带宽。

Description

一种片上集成紧凑型宽带功分器
技术领域
本发明涉及射频无线通信技术领域，特别是涉及一种片上集成紧凑型宽带功分器。
背景技术
功率分配器是一种常用的无源微波器件，用于将一个输入信号分成多路较小的功率信号。现有的技术设计主要采用带状线或微带线技术，即使应用在微纳集成加工领域，也会在芯片上占据较大体积，不利于片上集成度的提高。
发明内容
基于此，有必要针对现有功分器在芯片上占据较大体积，不利于片上集成度的提高的问题，提供一种片上集成紧凑型宽带功分器。
一种片上集成紧凑型宽带功分器，包括：
输入端口，用于输入微波信号；
输入端阻抗变换节，所述输入端阻抗变换节为由电容和电感组成的阻抗变换节，设置于所述输入端口处；
传输部件，所述传输部件与所述输入端阻抗变换节连接并将所述输入微波信号分成至少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分支信号的路数相匹配；
输出端阻抗变换节，所述输出端阻抗变换节为由电容和电感组成的阻抗变换节，连接于对应的所述输出端口与传输部件之间，所述输出端阻抗变换节的个数与所述输出端口的个数相匹配。
在其中一个实施例中，还包括隔离电阻，相邻两输出端口之间连接有所述隔离电阻。
在其中一个实施例中，所述输入端阻抗变换节和所述输出端阻抗变换节均为集总型的π形LC等效电路。
在其中一个实施例中，所述输入端阻抗变换节和所述输出端阻抗变换节由片上螺线电感和片上电容组成。
在其中一个实施例中，所述输入端口和所述输出端口为共面波导。
在其中一个实施例中，所述传输部件将所述输入微波信号分成3路微波分支信号，所述输出端口个数为3个。
在其中一个实施例中，所述3个输出端阻抗变换节的等效电路相同，片上螺线电感值均为518pH，片上电容值均为122.5fF。
在其中一个实施例中，所述输入端阻抗变换节的片上螺线电感值为300pH，片上电容值为211fF。
在其中一个实施例中，所述片上集成紧凑型宽带功分器包括四层微纳加工工艺层，由上到下分别为隔离电阻层、上电极层、SiO2绝缘层和底电极层。
在其中一个实施例中，所述传输部件为所述底电极和所述上电极构成的十字通路，所述传输部件一端与所述输入端口连接，所述传输部件另外三端与所述输出端口连接。
上述片上集成紧凑型宽带功分器采用片上螺线电感和片上电容组合的阻抗变换节取代传统功分器中的λ/4波长的传输线，从而在满足传输效率、匹配度和隔离度的情况下有效减小功分器体积，且拓宽了工作带宽。
附图说明
图1为本发明的实施例的片上集成紧凑型宽带功分器的结构示意图；
图2为本发明的实施例的片上集成紧凑型宽带功分器的输入/输出端口传输系数波形图；
图3为本发明的实施例的片上集成紧凑型宽带功分器的输出端口隔离度的波形图。
具体实施方式
请参见图1，图1为本发明的实施例的片上集成紧凑型宽带功分器的结构示意图。
在本发明的一个实施例中，所述片上集成紧凑型宽带功分器包括输入端口11、输入端阻抗变换节12、传输部件13、输出端口和输出端阻抗变换节。
具体地，所述片上集成紧凑型宽带功分器包括四层微纳加工工艺层，由上到下分别为隔离电阻层、上电极层、SiO2绝缘层和底电极层(如图1所示，不同填充部分表示不同工艺层)。所述SiO2绝缘层开设有通孔，位于所述底电极层和所述上电极层之间。所述片上电容由底电极层、上电极层以及SiO2绝缘层中开设的通孔构成。所述片上螺线电感由所述上电极层构成。所述传输部件13由底电极层和上电极层组成。所述上电极构成输入端口11和输出端口的共面波导，所述共面波导包括中心线和地线，所述中心线用于传输微波信号。本实施例中，所述片上电容、所述片上螺线电感、所述传输部件13采用对所述上电极层及所述底电极层蚀刻的方式形成，可以理解，所述片上电容、所述片上螺线电感、所述传输部件也可以采用其他任意合适方式形成，不再一一赘述。
在本实施例中，所述输入端口11为共面波导，用于输入微波信号。
在本实施例中，所述传输部件13与所述输入端阻抗变换节12连接并将所述输入微波信号分成至少2路微波分支信号。在本实施例中，所述片上集成紧凑型宽带功分器为三功分器，所述传输部件13将所述输入微波信号分成3路微波分支信号。在其它实施例中，当所述片上集成紧凑型宽带功分器为二功分器、四功分器、五功分器等多路功分器时，所述传输部件13可以随实际情况进行调整，将所述输入微波信号分成2路、4路、5路等多路信号。
具体地，所述传输部件13为所述底电极和所述上电极构成的十字通路，所述传输部件13一端与所述输入端口11连接，所述传输部件13另外三端与所述输出端口连接。
在本实施例中，所述输出端口为共面波导，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分支信号的路数相匹配。在本实施例中，所述片上集成紧凑型宽带功分器为三功分器，所述传输部件13将所述输入微波信号分成3路微波分支信号，因此本实施例中的所述片上集成紧凑型宽带功分器有3个输出端口，分别为第一输出端口14、第二输出端口15和第三输出端口16。在其它实施例中，当所述片上集成紧凑型宽带功分器为二功分器、四功分器、五功分器等多路功分器时，所述输出端口个数也随之改变，所述输出端口个数与所述微波分支信号的路数相匹配。
在本实施例中，所述输入端阻抗变换节12为由电容和电感组成的阻抗变换节，设置于所述输入端口11处。在本实施例中，所述电容采用片上电容，所述电感采用片上螺线电感。在其它实施例中，所述电容和所述电感可以采用其它方式设置。
具体地，所述输入端阻抗变换节12为集总型的π形LC等效电路，由输入端片上螺线电感121和输入端片上电容122组成，所述输入端片上螺线电感值为300pH，所述输入端片上电容值为211fF。在其它实施例中，所述输入端阻抗变换节12的等效电路和电容电感值可以根据实际情况相应调整。
在本实施例中，所述输出端阻抗变换节为由电容和电感组成的阻抗变换节，设置于所述输出端口处，所述输出端阻抗变换节的个数与所述输出端口的个数相匹配，且每个所述输出端阻抗变换节均与所述传输部件13连接。在本实施例中，所述电容采用片上电容，所述电感采用片上螺线电感。在其它实施例中，所述电容和所述电感可以采用其它方式设置。在本实施例中，所述片上集成紧凑型宽带功分器为三功分器，所述输出端阻抗变换节个数为3个，分别为第一输出端阻抗变换节17、第二输出端阻抗变换节18和第三输出端阻抗变换节19。在其它实施例中，当所述片上集成紧凑型宽带功分器为二功分器、四功分器、五功分器等多路功分器时，所述输出端阻抗变换器个数也随之改变，所述输出端阻抗变换器个数与所述输出端口个数相匹配。
具体地，所述3个输出端阻抗变换节的等效电路相同，均为集总型的π形LC等效电路，由片上螺线电感和片上电容组成，所述3个输出端阻抗变换节的片上螺线电感值均为518pH，片上电容值均为122.5fF。所述第一输出端阻抗变换节17由第一输出端片上螺线电感171和第一输出端片上电容172构成，第二输出端阻抗变换节18由第二输出端片上螺线电感181和第二输出端片上电容182构成，第三输出端阻抗变换节19由第三输出端片上螺线电感191和第三输出端片上电容192构成。在其它实施例中，所述输出端阻抗变换节的等效电路和电容电感值可以根据实际情况相应调整。
传统的多路等功率功分器一般采用Wilkinson功分器形式，通过四分之一波长的阻抗线实现阻抗变换匹配，阻抗线的实现采用平面结构，为了实现功分器的平衡性和高隔离度，电路往往较复杂且占用的面积比较大。本发明采用片上螺线电感和片上电容组合的阻抗变换节取代传统功分器中λ/4传输线组成的阻抗变换节，从而有效减小功分器体积。并且本发明采用两级阻抗变换形式，第一级只有一路阻抗变换节，降低了功率分配器所占体积；两级阻抗变换形式既提高了输入输出端口的匹配度，又增加了工作带宽。
在本实施例中，所述片上集成紧凑型宽带功分器还包括隔离电阻，相邻两输出端口之间连接有所述隔离电阻。在本实施例中，所述隔离电阻个数为2个，分别为第一隔离电阻20和第二隔离电阻21，所述第一隔离电阻20连接在所述第一输出端口14和所述第二输出端口15之间，所述第二隔离电阻21连接在所述第二输出端口15和所述第三输出端口16之间。在其它实施例中，当所述片上集成紧凑型宽带功分器为二功分器、四功分器、五功分器等多路功分器时，所述隔离电阻个数也随之改变，每两个相邻输出端口之间连接有所述隔离电阻。上述片上集成紧凑型宽带功分器，相邻所述输出端口之间采用所述隔离电阻隔离，并构成叉状平面结构，不仅在实际制作中易于实现，而且输出端口间隔离度较高。
请参见图2，图2为本发明一个实施例中的片上集成紧凑型宽带功分器的输入/输出端口传输系数波形图。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片上集成紧凑型宽带功分器的输出端口匹配时，输入端口11的反向传输系数随频率变化的情况。其中，S(1，2)表示第一输出端口14匹配时，第一输出端口14到输入端口11反向传输系数随频率变化的波形图，S(1，3)表示第二输出端口15匹配时，第二输出端口15到输入端口11反向传输系数随频率变化的波形图，S(1，4)表示第三输出端口16匹配时，第三输出端口16到输入端口11反向传输系数随频率变化的波形图。从图中可以看出，本发明的实施例的片上集成紧凑型宽带功分器在15GHz-24GHz的带宽内，第一输出端口14、第二输出端口15和第三输出端口16到所述输入端口11的反向传输系数都保持在较高的水平，可知该片上集成紧凑型宽带功分器输入输出端口匹配度高，传输效率高，满足工艺要求。
参见图3，图3为本发明一个实施例中的片上集成紧凑型宽带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片上集成紧凑型宽带功分器的输出端口隔离度随频率变化的情况。其中，S(2，3)即为第一输出端口14和第二输出端口15之间的隔离度随频率变化的情况，S(2，4)即为第一输出端口14和第三输出端口16之间的隔离度随频率变化的情况，S(3，4)即为第二输出端口15和第三输出端口16之间的隔离度随频率变化的情况。从图中可以看出，该片上集成紧凑型宽带功分器在15GHz-24GHz的带宽内，输出端口隔离度小于-10dB，彼此干扰小。
在本实施例中，所述片上集成紧凑型宽带功分器体积为390um×396.5um，工作频段为15GHz-24GHz，具有更紧凑的结构，大大减小了体积，且增大了工作带宽。
上述片上集成紧凑型宽带功分器采用片上螺线电感和片上电容组合的阻抗变换节取代传统功分器中λ/4传输线组成的阻抗变换节，从而有效减小功分器体积。并且本发明采用两级阻抗变换形式，第一级只有一路阻抗变换节，降低了功率分配器所占体积；两级阻抗变换形式既提高了输入输出端口的匹配度，又增加了工作带宽。
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 (8)

1.一种片上集成紧凑型宽带功分器，其特征在于，包括：
输入端口，用于输入微波信号；
输入端阻抗变换节，所述输入端阻抗变换节为由电容和电感组成的阻抗变换节，设置于所述输入端口处，所述输入端阻抗变换节为集总型的π形LC等效电路，由片上螺线电感和片上电容组成；
传输部件，所述传输部件与所述输入端阻抗变换节连接并将所述输入微波信号分成至少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分支信号的路数相匹配；
输出端阻抗变换节，所述输出端阻抗变换节为由电容和电感组成的阻抗变换节，连接于对应的所述输出端口与传输部件之间，所述输出端阻抗变换节的个数与所述输出端口的个数相匹配，所述输出端阻抗变换节为集总型的π形LC等效电路，由片上螺线电感和片上电容组成。
2.根据权利要求1所述的片上集成紧凑型宽带功分器，其特征在于，还包括隔离电阻，相邻两输出端口之间连接有所述隔离电阻。
3.根据权利要求1所述的片上集成紧凑型宽带功分器，其特征在于，所述输入端口和所述输出端口为共面波导。
4.根据权利要求1所述的片上集成紧凑型宽带功分器，其特征在于，所述传输部件将所述输入微波信号分成3路微波分支信号，所述输出端口个数为3个。
5.根据权利要求4所述的片上集成紧凑型宽带功分器，其特征在于，所述3个输出端阻抗变换节的等效电路相同，片上螺线电感值均为518pH，片上电容值均为122.5fF。
6.根据权利要求1所述的片上集成紧凑型宽带功分器，其特征在于，所述输入端阻抗变换节的片上螺线电感值为300pH，片上电容值为211fF。
7.根据权利要求1所述的片上集成紧凑型宽带功分器，其特征在于，所述片上集成紧凑型宽带功分器包括四层微纳加工工艺层，由上到下分别为隔离电阻层、上电极层、SiO2绝缘层和底电极层。
8.根据权利要求7所述的片上集成紧凑型宽带功分器，其特征在于，所述传输部件为所述底电极和所述上电极构成的十字通路，所述传输部件一端与所述输入端口连接，所述传输部件另外三端与所述输出端口连接。
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