CN108767411A - 一种功分器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种功分器，所述功分器包括三维立体结构的功分器核心部件，所述功分器核心部件包括由上至下设有紧凑结构的集总电容、方形的三维多层螺旋式结构的集总螺旋电感和输入引线Lin，三者通过LTCC技术进行3D封装形成紧凑结构的功分器，通过方形的三维多层螺旋式结构的集总螺旋电感，有效减小电感线圈的直径从而减小功分器的平面尺寸，实现紧凑结构，所述功分器具有体积小、重量轻和成本低的特性；还通过所述集总螺旋电感与其正上方的集总电容构成三组LC阻抗匹配变换节，可代替传统的四分之一波长传输线，在减小平面尺寸的情况下能同时实现更高的阻抗值，同时改善了输出端口的匹配，又增大了各端口间的隔离度。

Description

一种功分器

技术领域

本发明属于微波技术领域，特别涉及一种功分器。

背景技术

随着移动通信、卫星通信及国防电子系统的微型化的迅速发展，高性能、低成本和小型化已经成为目前微波/射频领域的发展方向，对功分器的性能、尺寸、可靠性和成本均提出了更高的要求。在一些国防尖端设备中，现在的使用频段已经相当拥挤，所以卫星通信等尖端设备向着毫米波波段发展，并且多信道复用技术的快速发展使得微波毫米波波段多路功分器已经成为该波段接收和发射支路中的关键电子部件。

发明内容

本发明的目的是提供一种功分器，旨在解决现有技术中的功分器稳定性差，体积和重量都比较大，成本相对较高的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种功分器，包括三维立体结构的功分器核心部件，所述功分器核心部件包括由上至下设有紧凑结构的集总电容、方形的三维多层螺旋式结构的集总螺旋电感和输入引线Lin，三者通过LTCC技术进行3D封装形成紧凑结构的功分器。

优选的，所述集总螺旋电感为集总元件，包括螺旋电感L1、螺旋电感L2和螺旋电感L3；

所述螺旋电感L1、螺旋电感L2、螺旋电感L3分别为方形的三维多层螺旋式结构，每层电感之间通过方形的折线型基板和圆柱L4累叠而成，形成方形的三维多层螺旋式结构。

优选的，所述功分器的左边从前至后还依次间隔设有接地端口P5、输出端口P2和接地端口P6；

所述功分器的右边从前至后还依次间隔设有接地端口P8、输出端口P4和接地端口P7；

所述功分器的前面设有输入端口P1；

功分器的后面设有输出端口P3；

所述功分器的下平面设有接地层GND；

所述接地层GND分别与接地端口P5、接地端口P6、接地端口P7和接地端口P8相连；

所述功分器的封装外表面设有公共接板G1，用于连接各隔离电阻。

优选的，所述集总电容包括电容C1、电容C2、电容C3和电容C4；

电容C1位于螺旋电感L1正上方，其下极板与输出端口P2连接，形成一组LC阻抗匹配变换节；

电容C2位于螺旋电感L2正上方，其下极板与输出端口P3连接，形成一组LC阻抗匹配变换节；

电容C3位于螺旋电感L3正上方，其下极板与输出端口P4连接，形成一组LC阻抗匹配变换节；

电容C1、电容C2和电容C3的上级板均为公共接板G1；

电容C4的下极板为接地层GND。

优选的，所述功分器核心部件还包括隔离电阻R1、隔离电阻R2、隔离电阻R3、连接柱H1、输出引线Lout1、输出引线Lout2和输出引线Lout3；

输入端口P1位于所述功分器外表面一侧的中心，通过所述功分器核心部件的输入引线Lin与连接柱H1的上端相连，用于将从外部接收到的输入信号传递到所述功分器核心部件中；

输出端口P2、输出端口P3、输出端口P4分别位于除输入端口P1所在外表面的其余三侧的中心，与输出引线Lout1、输出引线Lout2和输出引线Lout3连接，用于接收处理后的信号并对外部输出；

隔离电阻R1的一端与输出端口P2连接，另一端与公共接板G1相连；

隔离电阻R2的一端与输出端口P3连接，另一端与公共接板G1相连；

隔离电阻R3的一端与输出端口P4连接，另一端与公共接板G1相连。

优选的，所述隔离电阻R1、隔离电阻R2、隔离电阻R3为50欧姆薄覆膜贴片电阻，水平贴附于所述功分器的封装外表面，用于隔离电阻与所述集总电容的并联。

优选的，所述输入引线Lin，与输入端口P1连接，通过输出引线Lout1、输出引线Lout2和输出引线Lout3分别与输出端口P2、输出端口P3、输出端口P4连接，用于将接收到的信号进行功率等分配。

优选的，输入引线Lin呈十字架状位于功分器核心部件的下层；

所述输入引线Lin的另三个支线端口分别与螺旋电感L1、螺旋电感L2、螺旋电感L3连接，用于将三个螺旋电感并联；

所述输入引线Lin的中心处通过连接柱H1与电容C4相连，电容C4与接地层GND构成一个接地电容。

优选的，螺旋电感L1、螺旋电感L2和螺旋电感L3分别从下至上设有五层电感：第一层电感、第二层电感、第三层电感、第四层电感和第五层电感；

所述螺旋电感L1的第一层电感通过输入引线Lin与输入端口P1连接，后以方形的折线型基板螺旋式绕圈连接至所述螺旋电感L1的第五层电感，所述螺旋电感L1的第五层电感末端通过输出引线Lout1与输出端口P2连接，最终构成方形的三维多层螺旋式结构，每层电感之间通过方形的折线型基板与圆柱L4累叠而成，最终形成方形的三维多层螺旋式结构的集总螺旋电感。

优选的，所述螺旋电感L2的第一层电感通过输出引线Lout2与输出端口P3连接；

所述螺旋电感L3的第一层电感通过输出引线Lout3连接输出端口P4；

可根据仿真要求改变方形的折线型基板，从而改变螺旋式的线圈尺寸。

本发明的有益效果

本发明中的功分器由上至下设有紧凑结构的集总电容、方形的三维多层螺旋式结构的集总螺旋电感和输入引线Lin，三者通过LTCC技术进行3D封装形成紧凑结构，简化了设计结构，降低了所述功分器的整体尺寸和重量，同样降低了制造成本，其中尺寸可以降低50％-80％，重量可以降低60％-80％，成本可以降低60％以上；通过方形的折线型基板和圆柱L4累叠成方形的三维多层螺旋式结构的电感，可有效减小了电感线圈的直径从而减小功分器的平面尺寸，实现紧凑结构，进一步降低了所述功分器的整体尺寸、重量和成本，其中尺寸、重量和成本可进一步降低5％-8％；通过电容和电感的位置关系，进一步降低了所述功分器的整体尺寸、重量和成本，其中尺寸、重量和成本可进一步降低5％左右；通过薄覆膜贴片电阻，只占用平面大小的空间，节约了电路设计成本，且具有更高可焊性、稳定性和隔热性，同时实现高隔离度的同时有效减小设计尺寸；通过将所述输入引线Lin呈十字架状设于功分器核心部件的下层，更加有效的节省空间；还可根据仿真要求改变方形的折线型基板，从而改变螺旋式的线圈尺寸，进一步改变所述螺旋电感的等效值大小，极大程度减少了电路尺寸，节约了设计成本；通过所述集总螺旋电感与集总电容形成三组LC阻抗匹配变换节，可代替传统的四分之一波长传输线，在减小平面尺寸的情况下能同时实现更高的阻抗值，同时改善了输出端口的匹配，又增大了各端口间的隔离度；所述功分器核心部件、接地层GND、公共接板G1、输入端口P1、输出端口P2、输出端口P3、输出端口P4、接地端口P5、接地端口P6、接地端口P7和接地端口P8构成金属图形，采用多层低温共烧陶瓷工艺，将低温共烧陶瓷材料和金属图形在大约900℃温度下烧结而成，所以所述功分器具有非常高的可靠性和温度稳定性，同时降低成本5％左右；再通过外表面金属屏蔽实现接地和封装，进一步具有更高的集成度、更高的Q值及灵活的封装样式，进一步降低了成本；同时还利用LTCC在三维集成方面的优势，进行了无源埋置，从而实现多层的功分器，进一步减小体积5％以上。

附图说明

图1是本发明一种功分器的立体结构示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是图1中其中一种螺旋电感的结构图；

图4是图1中的功分器的输入输出端口插入损耗曲线图；

图5是图1中功分器的输入端口回波损耗曲线图；

图6是图1中功分器的各端口之间隔离度曲线图。

具体实施方式

如图1所示为本发明一种功分器的立体结构示意图，图2所示为图1的俯视图，所述功分器包括三维立体结构的功分器核心部件，所述功分器核心部件包括由上至下设有紧凑结构的集总电容、方形的三维多层螺旋式结构的集总螺旋电感和输入引线Lin，三者通过LTCC技术进行3D封装形成紧凑结构的功分器；

所述集总螺旋电感与其正上方的集总电容构成三组LC阻抗匹配变换节，可代替传统的四分之一波长传输线，在减小平面尺寸的情况下能同时实现更高的阻抗值，同时改善了输出端口的匹配，又增大了各端口间的隔离度；

所述集总电容包括电容C1、电容C2、电容C3和电容C4；

如图3所示为一种螺旋电感的结构图，所述集总螺旋电感为集总元件，包括螺旋电感L1、螺旋电感L2和螺旋电感L3，所述螺旋电感L1、螺旋电感L2、螺旋电感L3分别为方形的三维多层螺旋式结构，每层电感之间通过方形的折线型基板和圆柱L4累叠而成，形成方形的三维多层螺旋式结构；

所述螺旋电感具有较高的Q值(电感的品质因数)，再加上方形的折线型基板和圆柱L4，可有效减小了电感线圈的直径从而减小功分器的平面尺寸，实现紧凑结构；

所述功分器还包括接地层GND、公共接板G1、输入端口P1、输出端口P2、输出端口P3、输出端口P4、接地端口P5、接地端口P6、接地端口P7和接地端口P8；

所述的公共接板G1印刷于所述功分器的封装的外表面；

如图1和2所示，所述功分器的左边从前至后依次间隔设有接地端口P5、输出端口P2和接地端口P6；所述功分器的右边从前至后依次间隔设有接地端口P8、输出端口P4和接地端口P7；所述功分器的前面设有输入端口P1，功分器的后面设有输出端口P3，所述功分器的下平面设有接地层GND；

接地层GND分别与接地端口P5、接地端口P6、接地端口P7和接地端口P8相连，其中接地端口P5、接地端口P6、接地端口P7和接地端口P8均为表面贴装的50欧姆阻抗的端口；

所述功分器的封装外表面为公共接板G1，用于连接各隔离电阻；

如图1和2所示，所述功分器核心部件除了包括输入引线Lin、螺旋电感L1、螺旋电感L2、螺旋电感L3、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4，还包括隔离电阻R1、隔离电阻R2、隔离电阻R3、连接柱H1、输出引线Lout1、输出引线Lout2和输出引线Lout3；

输入端口P1位于所述功分器外表面一侧的中心，通过所述功分器核心部件的输入引线Lin与连接柱H1的上端相连，用于将从外部接收到的输入信号传递到所述功分器核心部件中；

输出端口P2、输出端口P3、输出端口P4分别位于除输入端口P1所在外表面的其余三侧的中心，与输出引线Lout1、输出引线Lout2和输出引线Lout3连接，用于接收处理后的信号并对外部输出；

隔离电阻R1的一端与输出端口P2连接，另一端与公共接板G1相连；

隔离电阻R2的一端与输出端口P3连接，另一端与公共接板G1相连；

隔离电阻R3的一端与输出端口P4连接，另一端与公共接板G1相连；

所述隔离电阻R1、R2、R3为SMT(薄覆膜)贴片电阻，水平贴附于所述功分器的封装外表面，实现了隔离电阻与所述集总电容的并联，还实现高隔离度的同时有效减小设计尺寸；

与传统插件电阻相比，SMT贴片电阻只占用平面大小的空间，节约了电路设计成本，且具有更高可焊性、稳定性和隔热性，这些都是传统插件电阻不具备的；

所述功分器核心部件，与输入端口P1连接，还用于将接收到的信号进行功率等分配，具体为：

所述输入引线Lin，与输入端口P1连接，通过输出引线Lout1、输出引线Lout2和输出引线Lout3分别与输出端口P2、输出端口P3、输出端口P4连接，用于将接收到的信号进行功率等分配；

输入引线Lin呈十字架状位于功分器核心部件的下层，可有效节省空间，所述输入引线Lin的一端与输入端口P1连接，所述输入引线Lin的另三个支线端口分别与螺旋电感L1、螺旋电感L2、螺旋电感L3连接，起到将三个螺旋电感并联的作用；所述输入引线Lin的中心处通过连接柱H1与电容C4相连，电容C4与接地层GND构成一个接地电容；

连接柱H1的左边设有螺旋电感L1，连接柱H1的右边设有螺旋电感L3，连接柱H1的后边设有螺旋电感L2；

所述螺旋电感L1、所述螺旋电感L2和所述螺旋电感L3均采用方形的三维多层螺旋式结构；

螺旋电感L1、螺旋电感L2和螺旋电感L3分别从下至上设有五层电感：第一层电感、第二层电感、第三层电感、第四层电感和第五层电感；

所述螺旋电感L1的第一层电感通过输入引线Lin与输入端口P1连接，后以方形的折线型基板螺旋式绕圈连接至所述螺旋电感L1的第五层电感，所述螺旋电感L1的第五层电感末端通过输出引线Lout1与输出端口P2连接，最终构成方形的三维多层螺旋式结构，每层电感之间通过方形的折线型基板与圆柱L4累叠而成，最终形成方形的三维多层螺旋式结构的集总螺旋电感，有效减小了电感线圈的直径从而减小三功分器的尺寸，实现紧凑结构；

所述螺旋电感L2、螺旋电感L3的具体结构与螺旋电感L1类似，其中所述螺旋电感L2的第一层电感通过输出引线Lout2与输出端口P3连接，所述螺旋电感L3的第一层电感通过输出引线Lout3连接输出端口P4，可根据仿真优化的要求改变方形的折线型基板，从而改变螺旋式的线圈尺寸，进一步改变所述螺旋电感的等效值大小；与传统传输线型功分器相比，集总参数元件构成的功分器极大程度减少了电路尺寸，节约了设计成本；

连接柱H1的上端与螺旋电感L1的第五层电感、螺旋电感L2的第五层电感和螺旋电感L3的第五层电感相连，连接柱H1的下端与电容C4的上级板相连，用于连接各螺旋电感与电容C4；

所述集总电容包括电容C1、电容C2、电容C3和电容C4；

电容C1位于螺旋电感L1正上方，其下极板与输出端口P2连接，形成一组LC阻抗匹配变换节；

电容C2位于螺旋电感L2正上方，其下极板与输出端口P3连接，形成一组LC阻抗匹配变换节；

电容C3位于螺旋电感L3正上方，其下极板与输出端口P4连接，形成一组LC阻抗匹配变换节；

电容C1、电容C2和电容C3的上级板均为公共接板G1；

电容C4的下极板为接地层GND；

进一步组成了紧凑结构的集总电容；

输入信号经过输入端口P1进入所述功分器核心部件，所述集总螺旋电感与集总电容组成LC阻抗匹配变换节，代替了传统的传输线，由集总电感和集总电容组成三组匹配网络通过跨接(即两端连接不同的部件称为跨接)贴片电阻相连，所涉及的具体部件不再赘述；

所述LC阻抗匹配变换节是一种匹配网络，即由集总电感和集总电容组成的阻抗匹配网络，等效为一集总电感和一集总电容的并联，实现信号源与各端口之间的阻抗匹配；

LC阻抗匹配变换节使得输出端口P2，输出端口P3和输出端口P4实现匹配且无能量损耗，而若输出端口作为输入端口输入信号时，能量将全部损耗在跨接隔离电阻上，此时三个输出端口相互隔离；输入信号经过三组LC阻抗匹配网络和隔离电阻后，所有端口都将匹配，且从输入端口P1输入的信号均匀地分配在输出端口2，输出端口3和输出端口4，且输出信号相位一致，隔离度高；

本实施例中的功分器可以做到尺寸长约为2-6mm，宽约为2-6mm，高约为0.6-1.2mm；

如图4所示为本发明中的三功分器输入输出端口插入损耗曲线图，由此可知，带宽1.2GHz～1.3GHz，插入损耗小于5.1dB；

如图5所示为本发明中的三功分器输入输出端口回波损耗曲线图，由此可知，输入输出端口回波损耗均优于25dB；

如图6所示为本发明中的三功分器各端口之间隔离度曲线图，由此可知，输出端口P2、输出端口P3和输出端口P4的幅度差小于0.1dB,相位差小于1度，端口间的隔离度均大于25dB，且性能良好。

本发明实施例中的功分器包括三维立体结构的功分器核心部件，所述功分器核心部件包括由上至下设有紧凑结构的集总电容、方形的三维多层螺旋式结构的集总螺旋电感和输入引线Lin，三者通过LTCC技术进行3D封装形成紧凑结构的功分器，通过方形的三维多层螺旋式结构的集总螺旋电感，有效减小电感线圈的直径从而减小功分器的平面尺寸，实现紧凑结构；此外，集总电容本身就设计为紧凑结构，集总螺旋电感和集总电容以及输入引线Lin就构成了整体紧凑结构的功分器，所述功分器具有体积小、重量轻和成本低的特性，其中尺寸可以降低50％-80％，重量可以降低60％-80％，成本可以降低60％以上；进一步，所述集总螺旋电感与其正上方的集总电容构成三组LC阻抗匹配变换节，可代替传统的四分之一波长传输线，在减小平面尺寸的情况下能同时实现更高的阻抗值，同时改善了输出端口的匹配，又增大了各端口间的隔离度；进一步，每层电感之间通过方形的折线型基板和圆柱L4累叠而成，形成方形的三维多层螺旋式结构，结构简单，进一步降低体积、重量和成本，其中尺寸、重量和成本可进一步降低5％-8％；所述功分器核心部件、接地层GND、公共接板G1、输入端口P1、输出端口P2、输出端口P3、输出端口P4、接地端口P5、接地端口P6、接地端口P7和接地端口P8构成金属图形，采用多层低温共烧陶瓷工艺，将低温共烧陶瓷材料和金属图形在大约900℃温度下烧结而成，所以所述功分器具有非常高的可靠性和温度稳定性，同时降低了5％左右的成本；再通过外表面金属屏蔽实现接地和封装，进一步具有更高的集成度、更高的Q值及灵活的封装样式，进一步降低了成本；同时还利用LTCC在三维集成方面的优势，进行了无源埋置，从而实现多层的功分器，进一步减小了5％以上的体积。

Claims (10)

1.一种功分器，其特征在于：所述功分器包括三维立体结构的功分器核心部件，所述功分器核心部件包括由上至下设有紧凑结构的集总电容、方形的三维多层螺旋式结构的集总螺旋电感和输入引线Lin，三者通过LTCC技术进行3D封装形成紧凑结构的功分器。

2.如权利要求1所述的一种功分器，其特征在于：所述集总螺旋电感为集总元件，包括螺旋电感L1、螺旋电感L2和螺旋电感L3；

所述螺旋电感L1、螺旋电感L2、螺旋电感L3分别为方形的三维多层螺旋式结构，每层电感之间通过方形的折线型基板和圆柱L4累叠而成，形成方形的三维多层螺旋式结构。

3.如权利要求2所述的一种功分器，其特征在于：所述功分器的左边从前至后还依次间隔设有接地端口P5、输出端口P2和接地端口P6；

所述功分器的右边从前至后还依次间隔设有接地端口P8、输出端口P4和接地端口P7；

所述功分器的前面设有输入端口P1；

所述功分器的后面设有输出端口P3；

所述功分器的下平面设有接地层GND；

所述接地层GND分别与接地端口P5、接地端口P6、接地端口P7和接地端口P8相连；

所述功分器的封装外表面设有公共接板G1，用于连接各隔离电阻。

4.如权利要求3所述的一种功分器，其特征在于：所述集总电容包括电容C1、电容C2、电容C3和电容C4；

电容C1位于螺旋电感L1正上方，其下极板与输出端口P2连接，形成一组LC阻抗匹配变换节；

电容C2位于螺旋电感L2正上方，其下极板与输出端口P3连接，形成一组LC阻抗匹配变换节；

电容C3位于螺旋电感L3正上方，其下极板与输出端口P4连接，形成一组LC阻抗匹配变换节；

电容C1、电容C2和电容C3的上级板均为公共接板G1；

电容C4的下极板为接地层GND。

5.如权利要求4所述的一种功分器，其特征在于：所述功分器核心部件还包括隔离电阻R1、隔离电阻R2、隔离电阻R3、连接柱H1、输出引线Lout1、输出引线Lout2和输出引线Lout3；

输入端口P1位于所述功分器外表面一侧的中心，通过所述功分器核心部件的输入引线Lin与连接柱H1的上端相连，用于将从外部接收到的输入信号传递到所述功分器核心部件中；

输出端口P2、输出端口P3、输出端口P4分别位于除输入端口P1所在外表面的其余三侧的中心，与输出引线Lout1、输出引线Lout2和输出引线Lout3连接，用于接收处理后的信号并对外部输出；

隔离电阻R1的一端与输出端口P2连接，另一端与公共接板G1相连；

隔离电阻R2的一端与输出端口P3连接，另一端与公共接板G1相连；

隔离电阻R3的一端与输出端口P4连接，另一端与公共接板G1相连。

6.如权利要求5所述的一种功分器，其特征在于：所述隔离电阻R1、隔离电阻R2、隔离电阻R3为50欧姆薄覆膜贴片电阻，水平贴附于所述功分器的封装外表面，用于隔离电阻与所述集总电容的并联。

7.如权利要求6所述的一种功分器，其特征在于：所述输入引线Lin，与输入端口P1连接，通过输出引线Lout1、输出引线Lout2和输出引线Lout3分别与输出端口P2、输出端口P3、输出端口P4连接，用于将接收到的信号进行功率等分配。

8.如权利要求7所述的一种功分器，其特征在于：输入引线Lin呈十字架状位于功分器核心部件的下层；

所述输入引线Lin的另三个支线端口分别与螺旋电感L1、螺旋电感L2、螺旋电感L3连接，用于将三个螺旋电感并联；

所述输入引线Lin的中心处通过连接柱H1与电容C4相连，电容C4与接地层GND构成一个接地电容。

9.如权利要求8所述的一种功分器，其特征在于：螺旋电感L1、螺旋电感L2和螺旋电感L3分别从下至上设有五层电感：第一层电感、第二层电感、第三层电感、第四层电感和第五层电感；

所述螺旋电感L1的第一层电感通过输入引线Lin与输入端口P1连接，后以方形的折线型基板螺旋式绕圈连接至所述螺旋电感L1的第五层电感，所述螺旋电感L1的第五层电感末端通过输出引线Lout1与输出端口P2连接，最终构成方形的三维多层螺旋式结构，每层电感之间通过方形的折线型基板与圆柱L4累叠而成，最终形成方形的三维多层螺旋式结构的集总螺旋电感。

10.如权利要求9所述的一种功分器，其特征在于：所述螺旋电感L2的第一层电感通过输出引线Lout2与输出端口P3连接；

所述螺旋电感L3的第一层电感通过输出引线Lout3连接输出端口P4；

可根据仿真要求改变方形的折线型基板，从而改变螺旋式的线圈尺寸。