CN108777568A

CN108777568A - 一种小型化宽带功分器

Info

Publication number: CN108777568A
Application number: CN201810633169.9A
Authority: CN
Inventors: 魏鑫; 刘磊; 罗凌志; 王正斌
Original assignee: Nanjing Post and Telecommunication University
Current assignee: Nanjing Post and Telecommunication University; Nanjing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2018-06-20
Filing date: 2018-06-20
Publication date: 2018-11-09

Abstract

本发明公开了一种小型化宽带功分器，包括两组磁芯变压器绕组，分别为1:2阻抗变换器和二功分器；其中，1：2阻抗变换器的信号输出端为二功分器的信号输入端，且该1：2阻抗变换器的信号输出端并联连接一用于吸收漏感的电容元件；所述二功分器的输出端口之间跨接一隔离电阻。本发明采用两个铁氧体磁芯分别作为阻抗转换网络和功率分配网络，阻抗匹配效果更优、插入损耗更小；所用铁氧体磁芯材料的电磁参数满足互补关系，保证了功分器在宽频带范围内保持性能一致；阻抗变换器采用3股铜芯漆包线进行绕组，通过调节绕组线圈L3漆包线的直径、长度，使得信号输入端口的电压驻波比更小，并实现了更好的阻抗匹配。

Description

一种小型化宽带功分器

技术领域

本发明涉及射频、微波工程领域的功率分配或功率合成器件，尤其涉及一种小型化宽带功分器。

背景技术

在射频通信系统中，输入功率经常需要按照一定的比例传输到不同的电路负载中，或者不同比例的功率需要合成到同一路，因此，往往需要用到功分器/合成器这一器件。总体而言，功分器主要有三种实现技术：集总参数(lumped parameter)功分电路、微带线功分器、波导功分器，以及基于铁氧体磁芯的变压器功分器。集总参数功分电路一般用于频率非常低的情况，常用有耗元件，如电阻等构成，其损耗较大，各端口之间的隔离度有限。微带线功分器属于分布参数(distributed parameter)器件，易于采用平面印刷电路板(PCB)工艺加工，但其长度与工作波长可比拟，工作在低频的时候尺寸比较大，且带宽较窄，虽然可以采取一些措施以展宽带宽，例如用多节四分之一波长传输线段级联(切比雪夫变换)获得宽带的阻抗变换，但这种方法实际所能展宽的频带有限。波导功分器适用于大功率情景，如雷达，其加工技术复杂，不易于集成，且带宽较窄。而基于铁氧体磁芯的变压器功分器具有体积小、频带宽、易于集成、成本低廉的优点，受到了业界越来越多的重视。

目前，对于磁芯的变压器功分器，申请号为201420629226.3、名称为“一种铁氧体磁环变压器式宽频带小型功分器”的专利文件，公开了一种小型化宽带功分器，该功分器采用集总参数元件组成功分电路，两个输出端之间通过隔离电阻相连，所述隔离电阻的两端与输入端阻抗串联有磁环变压器结构的阻抗变换单元。申请号为201710335960.7，名称为“电子设备及其功分器”的专利文件，公开了一种电子设备及其功分器，所属功分器包括电容器、电感器和电阻器，其中，两个电感器是由缠绕在磁芯上的两个线圈组成。该申请主要对器件封装做出了权利要求。申请号为201220011016.9、名称为“一分四宽带功分器”的专利文件，公开了一种一分四宽带功分器，包括四组传输线变压器绕组，分别为一个4:1阻抗变换器、一个低阻抗一分二功分器、两个高阻抗一分二功分器。

在上述文献中，其设计都是在一个铁氧体双孔磁芯上缠绕两根铜质漆包线实现阻抗变换，而后直接进行功率分配。由于磁芯磁导率是随频率剧烈变化(色散)的，其阻抗变换后的匹配程度很难保证在较宽频带范围内一致，因此目前所知设计的电性能还不是特别优秀，回波损耗和插入损耗较大，输出端的幅度和相位均衡度也需要进一步优化。

综上，现有射频段功率分配/合成器如果采用微带线和波导形式的设计，很难同时达到体积小，频带宽，以及隔离度高等综合指标良好的目的。而传统的铁氧体功分器在阻抗匹配设计、功率分配设计时没有充分考虑磁芯本身的材料特性(主要是磁导率μ’和磁损耗μ”)，结果导致宽带功分器的驻波、插入损耗，以及输出信号的幅度和相位均衡度在宽带范围内很难保持良好状态。

发明内容

发明目的：针对目前低频到微波波段之间的微带线和波导功率分配/合成器体积大、频带窄、隔离度低等问题，并且针对已公开的基于磁芯绕组功分器，其阻抗匹配在宽带范围内不一致而导致的高插入损耗和高回波损耗，以及幅度、相位不均衡的问题，本发明的目的是提供一种具有传输线变压器结构，在宽频带范围内具有电压驻波比低、插入损耗更小、输出端隔离度更高、输出信号幅度和相位均衡度更优的一分二小型化宽带功率分配/合成器。

技术方案：一种小型化宽带功分器，包括两组磁芯变压器绕组TR1和TR2，所述TR1、TR2分别为1:2阻抗变换器、二功分器；其中，1：2阻抗变换器的信号输出端1为二功分器的信号输入端，且该1：2阻抗变换器的信号输出端1并联连接一用于吸收漏感的电容元件C1；所述二功分器的输出端2和输出端3之间跨接一隔离电阻R1。

所述TR1和TR2均采用铁氧体磁芯；其中，TR1采用3股缠绕在一起的铜芯漆包线进行绕组，依次形成绕组线圈L1、L2、L3，L1的两端分别连接输入端和输出端1，L3接地；TR2采用两股铜芯漆包线绕制。所述的铁氧体磁芯材料的电磁参数满足互补关系：工作频率较低的时候，磁芯的磁导率μ’大于磁损耗μ”，工作频率较高时，磁损耗μ”大于磁导率μ’。

所述L3的漆包线直径小于L1、L2的漆包线直径，优选为L1、L2的漆包线直径的0.6-0.8。

或者，所述L3股铜芯漆包线的缠绕长度不同，L3漆包线缠绕磁芯的长度长于L1、L2的长度，优选为L1、L2的长度的0.6-0.8。

进一步优选的，所述R1的阻值为二功分器输出端口阻抗的2倍。

有益效果：和现有技术相比，本发明具有如下显著进步：1、本发明采用两个铁氧体磁芯分别作为阻抗转换网络和功率分配网络，其阻抗匹配效果更优、插入损耗更小。2、本发明中所用铁氧体磁芯材料的电磁参数满足互补关系，即：工作频率较低的时候，磁芯的磁导率μ′远大于磁损耗μ″，工作频率较高时，磁损耗μ″应远大于磁导率μ′,选用这样的磁芯才能保证功分器在很宽的频带范围内保持性能一致。3、本发明中的阻抗变换网络TR1采用3股缠绕在一起的铜芯漆包线进行绕组，绕组线圈L3所选用的漆包线直径略小于其他两根漆包线，更加逼近理想的2：1阻抗匹配，使得信号输入端口的电压驻波比(VSWR)更小。4、阻抗变换网络TR1中线圈L3的绕组长度可适当改变长度，以便实现更好的阻抗匹配。

附图说明

图1为本发明的等效电路图；

图2为阻抗变换网络TR1的三线变压器原理图；

图3为阻抗变换网络TR1的三线变压器原理图；

图4(a)、4(b)分别为本发明封装外形图的俯视图、侧视图；

图5为本发明实施例中输入、输出端口的电压驻波比。

图6为本发明实施例的插入损耗和输出端口之间的隔离度；

图7为本发明实施例的输出端电压幅度的不均衡度。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

如图1所示，本发明的小型化宽带功分器，包括两组磁芯变压器绕组TR1和TR2。

磁芯变压器绕组TR1是阻抗变换网络，可实现1：2的阻抗变换。TR1的信号输出端1同时作为二功分电路的信号输入端；该1：2阻抗变换器的信号输出端1并联连接一个电容元件C1，用于吸收线圈绕制过程中的漏感，实现高频补偿作用，从而获得更好的驻波和插入损耗。

本发明的阻抗转换网络和功率分配网络均采用了铁氧体磁芯，进一步区别于现有技术的是，本发明中的阻抗变换器TR1采用3股缠绕在一起的铜芯漆包线进行绕组，如图2所示；为了更加逼近理想的2：1阻抗匹配，本发明在绕制线圈时，L3所选用的漆包线直径略小于其他两根漆包线，使得阻抗匹配更佳，信号输入端口的驻波比更小。进一步的，L3的漆包线直径优选为L1、L2漆包线直径的0.6-0.8，本实施例中，L3为0.1mm，L1、L2为0.13mm。此外，实现最佳阻抗匹配的阻抗变换网络TR1还有一种方式，即3股铜芯漆包线进行缠绕的时候长度不一样，L3漆包线缠绕磁芯的长度可以略长。优选为L1、L2长度的0.6-0.8，本实施例中，三者长度比例关系满足L1:L2:L3＝1:1:1.4。

此处我们采用的是3线变压器，如图7所示，在我们所用的三线变压器中，为了接近于理想的2：1阻抗匹配，绕制线圈时，L3所使用的漆包线直径略小于其他两根线。还有一种接近于2：1的阻抗变换方式为把L3的绕制圈数比L1和L2多1圈，其原理为当L1:L2:L3＝1:1:1时，

当L3与L2、L1的圈数成一定比例时，例如L1:L2:L3＝1:1:1.4时，

图1中的磁芯变压器绕组TR2是功率分配模块，实现输出端口端口2和端口3的二等份功率输出。跨接在输出端口端口2和端口3的R1是一个电阻，阻值可以是输出端口阻抗的2倍左右，可提高输出端口端口2和端口3之间的隔离度。

隔离电阻R1吸收分端口差模信号。隔离电阻两端向右看，两分端口串联，为保证分端口驻波最佳，隔离电阻R1：

R1＝R_port1+R_port2＝100Ω

为保证功分器在宽频带范围内工作，本发明中所述的铁氧体磁芯材料的电磁参数应该满足互补关系，即：工作频率较低的时候，磁芯的磁导率μ’远大于磁损耗μ”，工作频率较高时，磁损耗μ”应远大于磁导率μ’。

作为本发明的具体案例，我们在300KHz-400MHz范围内设计、制备了一个小型宽带功分器，所选用铁氧体磁芯材料为锰锌，其电磁参数如图3所示。然后用环氧树脂制备了功分器的封装外壳，如图4所示，其长度为8.5毫米，宽度为6毫米，结构紧凑，相对体积小，成本低廉。图4中标注的1、2、3、4、5、6为金属引脚，其中，引脚4为输入信号口，引脚3和引脚6为功分器的两个信号输出口，引脚1为该功分器件的接地口，引脚2和5可以为闲置端口。经实际测试，所制备的宽带功分器输入、输出端口的电压驻波比(VSWR)如图5所示，在300KHz-400MHz频带范围内VSWR<1.2。图6所示为该功分器的插入损耗和端口隔离度，输入端口至输出端口的插入损耗小于3.5dB，输出端口之间的隔离度大于20dB。图7所示为该功分器输出端口幅度不均衡度，其值在绝大部分频带范围内小于0.02dB，在400MHz边界处也小于0.04dB。本发明案列的实测结果表明，其技术指标比目前市场上常见的功分器要优。

Claims

1.一种小型化宽带功分器，包括两组磁芯变压器绕组TR1和TR2，其特征在于：所述TR1、TR2分别为1:2阻抗变换器、二功分器；其中，1：2阻抗变换器的信号输出端1为二功分器的信号输入端，且该1：2阻抗变换器的信号输出端1并联连接一用于吸收漏感的电容元件C1；所述二功分器的输出端2和输出端3之间跨接一隔离电阻R1。

2.根据权利要求1所述的小型化宽带功分器，其特征在于：所述TR1和TR2均采用铁氧体磁芯；其中，TR1采用3股缠绕在一起的铜芯漆包线进行绕组，依次形成绕组线圈L1、L2、L3；TR2采用两股铜芯漆包线绕制。

3.根据权利要求2所述的小型化宽带功分器，其特征在于：所述的铁氧体磁芯材料的电磁参数满足互补关系：工作频率较低的时候，磁芯的磁导率μ’大于磁损耗μ”，工作频率较高时，磁损耗μ”大于磁导率μ’。

4.根据权利要求2所述的小型化宽带功分器，其特征在于：所述L3的漆包线直径小于L1、L2的漆包线直径。

5.根据权利要求4所述的小型化宽带功分器，其特征在于：所述L3的漆包线直径为L1、L2的漆包线直径的0.6-0.8。

6.根据权利要求2所述的小型化宽带功分器，其特征在于：所述L3股铜芯漆包线的缠绕长度不同，L3漆包线缠绕磁芯的长度长于L1、L2的长度。

7.根据权利要求6所述的小型化宽带功分器，其特征在于：所述L3漆包线缠绕磁芯的长度为L1、L2的长度的0.6-0.8。

8.根据权利要求1所述的小型化宽带功分器，其特征在于：所述R1的阻值为二功分器输出端口阻抗的2倍。