CN108417956A - 一种四路功分器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种四路功分器。本发明包括信号输入模块、耦合模块、信号输出模块和隔离电阻；信号输入模块用于将输入功率进行等分后分别输出给两个耦合模块，两个耦合模块分别将输入的信号通过耦合到两个信号输出模块中，两个信号输出模块分别输出两路输出信号；四路输出信号将将功率分路输出给负载；隔离电阻用于实现两路信号的隔离，使其不发生相互串扰影响。本发明明用耦合微带线的形式代替了传统功分器中的多级四分之一波长微带线，同时具有耦合性滤波器的特性，减小了功分器的尺寸；这种耦合微带线的形式避免了隔离电阻的跨接，易于在平面电路中实现，而且输出端的隔离度和匹配度都十分良好，同时还具有一定的带通特性。

Description

一种四路功分器

技术领域

本发明属于功分器设计技术领域，涉及一种四路功分器。

背景技术

随着无线通信技术的飞速发展，对于信息传输的高速率和高质量的要求越来越高。功率放大器和天线阵列对于高速无线通信来说是极为关键的，而功分器又是高质量功率放大器和天线阵列中必不可少的部分，因此一种小型化，易于集成，多路功分器成为研究的热点。

为了实现小型化的多路功分器，通常采用如左/右手传输线来构建并行的多路功分器。这种方案虽然减小了尺寸，但是没有隔离元件，其输出端口的隔离度和阻抗匹配度不好。再如典型多路Wilkinson功分器，当功率分配路数超过三个时，功分器的隔离电阻就需要电阻的跨接，这使得多路功分器在平面电路上的实现变得困难。在实现小型化的具有良好输出隔离度和匹配度的平面多路功分器，现有技术还具有较大的缺陷。

故，针对目前现有技术中存在的上述缺陷，实有必要进行研究，以提供一种方案，解决现有技术中存在的缺陷。

发明内容

本发明的目的就是提供一种四路功分器。

本发明包括信号输入模块、耦合模块、信号输出模块和隔离电阻；所述的信号输入模块用于将输入功率进行等分后分别输出给两个耦合模块，两个耦合模块分别将输入的信号通过耦合到两个信号输出模块中，两个信号输出模块分别输出两路输出信号；四路输出信号将将功率分路输出给负载；隔离电阻用于实现两路信号的隔离，使其不发生相互串扰影响；

所述的信号输入模块包括三个直微带线、两个弯折微带线和一个T型微带线；第一直微带线TL1的一端输入输入信号P1，第一直微带线TL1的另一端接第一T型微带线Tee1的端口3；第一T型微带线Tee1的端口2通过第二微带线TL2接第一弯折微带线Curve1的端口1，第一T型微带线Tee1的端口1通过第三微带线TL3接第二弯折微带线Curve2的端口1；

所述的两个耦合模块均包括一对直微带线，每对直微带线构成一个微带线耦合电路；第四直微带线TL4与第八直微带线TL8在同一平面平行且相对设置，第五直微带线TL5与第九直微带线TL9在同一平面平行且相对设置；第四直微带线TL4的一端接第一弯折微带线Curve1的端口2，第五直微带线TL5的一端接第二弯折微带线Curve2的端口2；第四直微带线TL4的另一端通过第三弯折微带线Curve3接第一隔离电阻R1的一端；第五直微带线TL5的另一端通过第四弯折微带线Curve4接第一隔离电阻R1的另一端；第八直微带线TL8、第九直微带线TL9分别接两个信号输出模块；

所述的两个信号输出模块分别包括两个直微带线、两个弯折微带线和两个T型微带线；第七直微带线TL7的一端通过第六弯折微带线Curve6接第八直微带线TL8的一端，第七直微带线TL7的另一端通过第五弯折微带线Curve5接第六直微带线TL7的一端；第二隔离电阻R2的两端分别与第二T型微带线Tee2的端口3、第三T型微带线Tee3的端口3；第六直微带线TL6的另一端接第二T型微带线Tee2的端口1，第二T型微带线Tee2的端口2作为第一信号输出端P2；第八直微带线TL8的另一端接第三T型微带线Tee3的端口1，第三T型微带线Tee3的端口2作为第二信号输出端P2；第十直微带线TL10的一端通过第七弯折微带线Curve7接第九直微带线TL9的一端，第十直微带线TL10的另一端通过第八弯折微带线Curve8接第十一直微带线TL11的一端；第三隔离电阻R3的两端分别与第四T型微带线Tee4的端口3、第五T型微带线Tee5的端口3连接；第九直微带线TL9的另一端接第四T型微带线Tee4的端口1，第四T型微带线Tee4的端口2作为第三信号输出端P4；第十一直微带线TL11的另一端接第五T型微带线Tee5的端口1，第五T型微带线Tee5的端口2作为第四信号输出端P5。

所述的两个耦合模块耦合线的间距不同，实现不等分功分。

所述的直微带线的宽度W和长度L满足下述关系式：

将输出端口P2、P3、P4、P5作为网络输出端口，输出端口P1作为为网络输入端口，等效为二端口网络，该二端口网络的传输ABCD矩阵为式⑴；

其中，β为相位常数(波数)，l为对应频率下电磁波的波长；Z₀为等效二端网络的特征阻抗，Y₀＝1/Z₀，为等效二端网络的导纳；

则该网络的S参数由以下式⑵给出：

S11表示二端口网络中输出端口匹配时，输入端口的反射系数；S12：表示二端口网络中输入端口匹配时，输出端口到输入端口的反向传输系数；S21：表示二端口网络中输出端口匹配时，输入端口到输出端口的正向传输系数；Z₀为该等效二端网络的特征阻抗，A、B、C、D是该等效二端口网络的传输ABCD矩阵的元素；

对于输出端口P2，输出端口P4之间的隔离度，即测量S24，可类比于S11，将将输出端口P2看成网络输出端口，输出端口P4为网络输入端口，即可得式⑶：

Z₀₁为该等效二端网络的特征阻抗，A1、B1、C1、D1就是该等效二端口网络的传输ABCD矩阵的元素；

设信号的输入端口功率为P₁，输出端口的功率分别为P₂、P₃、P₄、P₅，则对于等分的功分器满足P₂＝P₃＝P₄＝P₅＝P₁-3dB，由于四个输出端口是等功率输出，则其端口上的电压相等，电阻R1、R2、R3上不会有电流，当电阻的阻值为2Ro时，两端口的隔离度最高；Ro为输入输出端口的特征阻抗；

微带耦合器的特征阻抗由如式⑷和⑸给出：

Z_0e，Z_0o分别为微带耦合器的偶模阻抗，奇模阻抗；Z₀₂为耦合微带线的特征阻抗；C为电压耦合系数和间距密切相关(小于1)；

对于给定的微带线的特征阻抗Z₀和介电常数Er，由式⑹求得微带线的宽度W和长度L：

(d为介质基板厚度)，

其中：

本发明用耦合微带线的形式代替了传统功分器中的多级四分之一波长微带线，同时耦合形式的微带线还具有耦合性滤波器的特性，因此，本发明中新结构的功分器不仅减小了功分器的尺寸，同时对于多路功分器来说，这种耦合微带线的形式避免了隔离电阻的跨接，易于在平面电路中实现，而且输出端的隔离度和匹配度都十分良好，同时还具有一定的带通特性。

附图说明

图1为本发明的结构框图；

图2为本发明实施例结构示意图；

图3为利用ADS软件模拟本发明实施例的输入回波仿真数据图；

图4为利用ADS软件模拟本发明实施例的输出隔离度仿真数据图。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

如图1所示，一种四路功分器，包括信号输入模块、耦合模块、信号输出模块和隔离电阻。信号输入模块用于将输入功率进行等分后分别输出给两个耦合模块，两个耦合模块分别将输入的信号通过耦合到两个信号输出模块中，两个信号输出模块分别输出两路输出信号。四路输出信号将将功率分路输出给负载。隔离电阻用于实现两路信号的隔离，使其不发生相互串扰影响。

所述的信号输入模块包括三个直微带线、两个弯折微带线和一个T型微带线；第一直微带线TL1的一端输入输入信号P1，第一直微带线TL1的另一端接第一T型微带线Tee1的端口3；第一T型微带线Tee1的端口2通过第二微带线TL2接第一弯折微带线Curve1的端口1，第一T型微带线Tee1的端口1通过第三微带线TL3接第二弯折微带线Curve2的端口1。

所述的两个耦合模块均包括一对直微带线，每对直微带线构成一个微带线耦合电路。第四直微带线TL4与第八直微带线TL8在同一平面平行且相对设置，第五直微带线TL5与第九直微带线TL9在同一平面平行且相对设置。第四直微带线TL4的一端接第一弯折微带线Curve1的端口2，第五直微带线TL5的一端接第二弯折微带线Curve2的端口2。第四直微带线TL4的另一端通过第三弯折微带线Curve3接第一隔离电阻R1的一端；第五直微带线TL5的另一端通过第四弯折微带线Curve4接第一隔离电阻R1的另一端。第八直微带线TL8、第九直微带线TL9分别接两个信号输出模块。

由于这种耦合线具有带通滤波器的特性，用耦合线替代传统的四分之一波长线的设计使功分器还具有带通的特性。改变两个耦合模块的耦合系数即耦合线的间距可以实现不等分功分器的设计。

两个信号输出模块分别包括两个直微带线、两个弯折微带线和两个T型微带线。第七直微带线TL7的一端通过第六弯折微带线Curve6接第八直微带线TL8的一端，第七直微带线TL7的另一端通过第五弯折微带线Curve5接第六直微带线TL7的一端。第二隔离电阻R2的两端分别与第二T型微带线Tee2的端口3、第三T型微带线Tee3的端口3。第六直微带线TL6的另一端接第二T型微带线Tee2的端口1，第二T型微带线Tee2的端口2作为第一信号输出端P2；第八直微带线TL8的另一端接第三T型微带线Tee3的端口1，第三T型微带线Tee3的端口2作为第二信号输出端P2。

同样的，第十直微带线TL10的一端通过第七弯折微带线Curve7接第九直微带线TL9的一端，第十直微带线TL10的另一端通过第八弯折微带线Curve8接第十一直微带线TL11的一端。第三隔离电阻R3的两端分别与第四T型微带线Tee4的端口3、第五T型微带线Tee5的端口3连接。第九直微带线TL9的另一端接第四T型微带线Tee4的端口1，第四T型微带线Tee4的端口2作为第三信号输出端P4；第十一直微带线TL11的另一端接第五T型微带线Tee5的端口1，第五T型微带线Tee5的端口2作为第四信号输出端P5。

从原理上来说，本发明的新型结构的功分器可以看成是一节等分Wilkinson功分器外加两个耦合线形式的带通滤波器构成，将输出端口P2、P3、P4、P5看成网络输出端口，输出端口P1为网络输入端口，等效为二端口网络，得该二端口网络的传输ABCD矩阵式⑴。

其中，β为相位常数(波数)，l为对应频率下电磁波的波长。Z₀为等效二端网络的特征阻抗，Y₀＝1/Z₀，为等效二端网络的导纳。

则该网络的S参数由以下式⑵给出：

S11表示二端口网络中输出端口匹配时，输入端口的反射系数；S12：表示二端口网络中输入端口匹配时，输出端口到输入端口的反向传输系数；S21：表示二端口网络中输出端口匹配时，输入端口到输出端口的正向传输系数；Z₀为该等效二端网络的特征阻抗，A、B、C、D是该等效二端口网络的传输ABCD矩阵的元素。

对于输出端口P2，输出端口P4之间的隔离度，即测量S24，可类比于S11，将将输出端口P2看成网络输出端口，输出端口P4为网络输入端口，即可得式⑶：

Z₀₁为该等效二端网络的特征阻抗，A1、B1、C1、D1就是该等效二端口网络的传输ABCD矩阵的元素。

设信号的输入端口功率为P₁，输出端口口的功率分别为P₂、P₃、P₄、P₅，则对于等分的功分器满足P₂＝P₃＝P₄＝P₅＝P₁-3dB，由于四个输出端口是等功率输出，则其端口上的电压相等，电阻R1、R2、R3上不会有电流，当电阻的阻值为2Ro时，两端口的隔离度最高。Ro为输入输出端口的特征阻抗。

微带耦合器的特征阻抗由如式⑷和⑸给出：

Z_0e，Z_0o分别为微带耦合器的偶模阻抗，奇模阻抗。Z₀₂为耦合微带线的特征阻抗。C为电压耦合系数和间距密切相关(小于1)。

对于给定的微带线的特征阻抗Z₀和介电常数Er，由式⑹求得微带线的宽度W和长度L：

(d为介质基板厚度)，

其中：

如图2所示为本发明实施中的具体电路图，实现等功率分配的平面四路功分器。在优选实施方式中，S1＝0.15mm，W1＝0.35mm，L1＝43.2mm，W2＝0.35mm，L2＝45.65mm，W3＝0.35mm，R1＝R2＝R3＝100Ω。

如图3和4所示为功分器的ADS仿真结果，由模拟结果可知，在通带范围内输入端的回波损耗S11低于-20dB，输出端口的隔离损耗S24、S45≤–20dB。可见此功分器的输入匹配度好，同时隔离度优良。

在工作过程中，第一T型微带线Tee1把输入信号分成两路分别通过第二直微带线TL2和第三直微带线TL3传输，其余T型微带线分别用来实现两节不同宽度的微带线以及隔离电阻的连接，第一弧形微带线Curve1和第二弧形微带线Curve2实现拐角处的连接，减小射频信号在拐角处的电磁干扰；P1为输入端口，其特征阻抗为50Ω，输入信号经过第一微带线TL1到达第一T型微带线Tee1，把信号分成两路进入信号耦合模块；P2～P5为输出端口，其特征阻抗为50Ω。第四直微带线TL4与第八直微带线TL8、第五直微带线TL5与第九直微带线TL9分别构成两个一样的微带线耦合电路，将输入信号分别耦合到两个输出信号模块。第六直微带线TL6、第七直微带线TL7与第八直微带线TL8，第九直微带线TL9、第十直微带线TL10与第十一直微带线TL11为功分器的两个信号传输模块，将耦合电路部分的信号传输到输出端。经过调试和计算达到了在小尺寸的同时兼顾了高隔离度和低损耗。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。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，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说是显而易见的，本申请中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本申请所示的这些实施例，而是要符合与本申请所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (3)

1.一种四路功分器，包括信号输入模块、耦合模块、信号输出模块和隔离电阻；其特征在于：所述的信号输入模块用于将输入功率进行等分后分别输出给两个耦合模块，两个耦合模块分别将输入的信号通过耦合到两个信号输出模块中，两个信号输出模块分别输出两路输出信号；四路输出信号将将功率分路输出给负载；隔离电阻用于实现两路信号的隔离，使其不发生相互串扰影响；

所述的信号输入模块包括三个直微带线、两个弯折微带线和一个T型微带线；第一直微带线TL1的一端输入输入信号P1，第一直微带线TL1的另一端接第一T型微带线Tee1的端口3；第一T型微带线Tee1的端口2通过第二微带线TL2接第一弯折微带线Curve1的端口1，第一T型微带线Tee1的端口1通过第三微带线TL3接第二弯折微带线Curve2的端口1；

所述的两个耦合模块均包括一对直微带线，每对直微带线构成一个微带线耦合电路；第四直微带线TL4与第八直微带线TL8在同一平面平行且相对设置，第五直微带线TL5与第九直微带线TL9在同一平面平行且相对设置；第四直微带线TL4的一端接第一弯折微带线Curve1的端口2，第五直微带线TL5的一端接第二弯折微带线Curve2的端口2；第四直微带线TL4的另一端通过第三弯折微带线Curve3接第一隔离电阻R1的一端；第五直微带线TL5的另一端通过第四弯折微带线Curve4接第一隔离电阻R1的另一端；第八直微带线TL8、第九直微带线TL9分别接两个信号输出模块；

所述的两个信号输出模块分别包括两个直微带线、两个弯折微带线和两个T型微带线；第七直微带线TL7的一端通过第六弯折微带线Curve6接第八直微带线TL8的一端，第七直微带线TL7的另一端通过第五弯折微带线Curve5接第六直微带线TL7的一端；第二隔离电阻R2的两端分别与第二T型微带线Tee2的端口3、第三T型微带线Tee3的端口3；第六直微带线TL6的另一端接第二T型微带线Tee2的端口1，第二T型微带线Tee2的端口2作为第一信号输出端P2；第八直微带线TL8的另一端接第三T型微带线Tee3的端口1，第三T型微带线Tee3的端口2作为第二信号输出端P2；第十直微带线TL10的一端通过第七弯折微带线Curve7接第九直微带线TL9的一端，第十直微带线TL10的另一端通过第八弯折微带线Curve8接第十一直微带线TL11的一端；第三隔离电阻R3的两端分别与第四T型微带线Tee4的端口3、第五T型微带线Tee5的端口3连接；第九直微带线TL9的另一端接第四T型微带线Tee4的端口1，第四T型微带线Tee4的端口2作为第三信号输出端P4；第十一直微带线TL11的另一端接第五T型微带线Tee5的端口1，第五T型微带线Tee5的端口2作为第四信号输出端P5。

2.如权利要求1所述的一种四路功分器，其特征在于：所述的两个耦合模块耦合线的间距不同，实现不等分功分。

3.如权利要求1所述的一种四路功分器，其特征在于：所述的直微带线的宽度W和长度L满足下述关系式：

将输出端口P2、P3、P4、P5作为网络输出端口，输出端口P1作为为网络输入端口，等效为二端口网络，该二端口网络的传输ABCD矩阵为式⑴；

其中，β为相位常数(波数)，l为对应频率下电磁波的波长；Z₀为等效二端网络的特征阻抗，Y₀＝1/Z₀，为等效二端网络的导纳；

则该网络的S参数由以下式⑵给出：

S11表示二端口网络中输出端口匹配时，输入端口的反射系数；S12：表示二端口网络中输入端口匹配时，输出端口到输入端口的反向传输系数；S21：表示二端口网络中输出端口匹配时，输入端口到输出端口的正向传输系数；Z₀为该等效二端网络的特征阻抗，A、B、C、D是该等效二端口网络的传输ABCD矩阵的元素；

对于输出端口P2，输出端口P4之间的隔离度，即测量S24，可类比于S11，将将输出端口P2看成网络输出端口，输出端口P4为网络输入端口，即可得式⑶：

Z₀₁为该等效二端网络的特征阻抗，A1、B1、C1、D1就是该等效二端口网络的传输ABCD矩阵的元素；

设信号的输入端口功率为P₁，输出端口的功率分别为P₂、P₃、P₄、P₅，则对于等分的功分器满足P₂＝P₃＝P₄＝P₅＝P₁-3dB，由于四个输出端口是等功率输出，则其端口上的电压相等，电阻R1、R2、R3上不会有电流，当电阻的阻值为2Ro时，两端口的隔离度最高；Ro为输入输出端口的特征阻抗；

微带耦合器的特征阻抗由如式⑷和⑸给出：

Z_0e，Z_0o分别为微带耦合器的偶模阻抗，奇模阻抗；Z₀₂为耦合微带线的特征阻抗；C为电压耦合系数和间距密切相关(小于1)；

对于给定的微带线的特征阻抗Z₀和介电常数Er，由式⑹求得微带线的宽度W和长度L：

(d为介质基板厚度)，

其中：