CN108933314A - 功率分配装置 - Google Patents

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Abstract

一种功率分配装置，设置于基板上，包括第一金属层、第二金属层及第三金属层。第一金属层设置有功率分配合路器，所述功率分配合路器用于将一路信号功率分为多路输出或者将多路信号功率合为一路输出，在所述第一金属层上还设置有匹配电容及隔离电阻。第二金属层设置有滤波结构，用于与所述功率分配合路器耦合以滤除所述功率分配装置中的谐波。第三金属层为金属底板，用于隔离所述第二金属层泄露的电磁波信号，所述第二金属层设置于所述第一金属层及第三金属层之间。其中，所述第一金属层与所述第二金属层之间及所述第二金属层与所述第三金属层之间为电介质。本发明功率分配装置，占用印刷电路板面积小，具备滤波功能，成本低，实用性高。

Description

功率分配装置
技术领域
本发明涉及功率分配，尤其涉及一种多层设计的小型化功率分配装置。
背景技术
功率分配合路器(简称为功分器)是将一路输入信号能量分成两路或者多路输出能量的器件，也可以反过来将多路信号能量合成一路输出。功分器广泛运用于天线阵列、平衡功率放大器、混频器和移相器中。常用的功分器包括3dB电桥耦合器、分支线电桥耦合器、环形电桥耦合器及威尔金森功分器等，其中，最常用的功分器是威尔金森功分器。然而，传统的威尔金森功分器的长度设计为操作频率的四分之一，占用了很大的PCB面积。而且，传统的威尔金森功分器具有较宽的操作频宽，而其本身又缺少谐波抑制的功能，为了抑制谐波，需要外接滤波器，这极大地增加了成本。因此，亟需设计一种小型化的功率分配装置，以具有谐波抑制功能，以减少成本，增加实用性。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种功率分配装置，以减少占用PCB面积、增加滤波功能及降低成本。
本发明实施方式提供一种功率分配装置，设置于基板上，包括第一金属层、第二金属层及第三金属层。第一金属层设置有功率分配合路器，所述功率分配合路器用于将一路信号功率分为多路输出或者将多路信号功率合为一路输出，在所述第一金属层上还设置有匹配电容及隔离电阻。第二金属层设置有滤波结构，用于与所述功率分配合路器耦合以滤除所述功率分配装置中的谐波。第三金属层为金属底板，用于隔离所述第二金属层泄露的电磁波信号，所述第二金属层设置于所述第一金属层及第三金属层之间。其中，所述第一金属层与所述第二金属层之间设置有第一介质层，所述第二金属层与所述第三金属层之间设置有第二电介质层。
优选地，所述功率分配合路器为微带线结构。
优选地，所述功率分配合路器包括第一端口、第二端口及第三端口，所述第一端口为合路端口，所述第二端口及第三端口为分路端口。
优选地，所述功率分配合路器还包括：第一传输线，呈L型，具有第一短端及第一长端，所述第一短端电连接于所述第一端口，所述第一长端电连接于所述第二端口。第二传输线，呈L型，具有第二短端及第二长端，所述第二短端电连接于所述第一端口，所述第二长端电连接于所述第三端口。第三传输线，呈L型，具有第三短端及第三长端，所述第三短端电连接于所述第一长端，所述第三长端向所述第一短端延伸。第四传输线，呈L型，具有第四短端及第四长端，所述第四短端电连接于所述第二长端，所述第四长端向所述第二短端延伸。
优选地，在所述第一金属层上还设置有匹配电容，所述匹配电容分别电连接于所述第三长端和所述第四长端，用于调节所述两个合路端口具有最佳隔离度时的频率。
优选地，在所述第一金属层上还设置有隔离电阻，所述隔离电阻分别电连接于所述第三短端及第四短端，用于增加两个合路端口之间的隔离度。
优选地，所述滤波结构为设置于所述第二金属层的凹槽。
优选地，所述凹槽包括U型凹槽，具有一对对边及一侧边，所述功率分配合路器在第二金属层的投影包含于所述凹槽形成的空间中，所述凹槽的开口朝向所述第一端口。
优选地，所述凹槽还包括在所述U型凹槽的对边分别设置的条形槽孔，所述条形槽孔的未延伸出所述第一传输线及所述第二传输线在所述第二金属层的投影。
优选地，所述功率分配合路器在第二金属层的投影与所述滤波结构关于第一端口到所述侧边的垂线对称。
优选地，所述功率分配装置长度为2.3mm，宽度为2mm。
优选地，所述功率分配装置还设置有多个金属过孔，所述多个金属过孔穿过所述第一金属层、第二金属层及第三金属层。
优选地，所述多个金属过孔对称设置于所述功率分配合路器两边。
优选地，其特征在于，所述第一金属层与第二金属层之间的电介质厚度为0.15mm，所述第二金属层与第三金属层之间的电介质厚度为0.45mm。
本发明功率分配装置采用三层设计，在第一金属层上设置功率分配合路器实现功率分配及合路，在第二金属层设置滤波结构以滤除谐波干扰，第三金属层隔绝电磁干扰。采用三层设计的方式，不止增加了谐波滤除的功能，减少了外接滤波器的使用，还大大缩小了占用PCB的面积，达到了低成本、小型化的目的。
附图说明
图1为本发明功率分配装置一实施方式的结构示意图。
图2为图1中功率分配装置第一金属层在第二金属层的投影示意图。
图3为图1中功率分配合路器一实施方式的结构示意图。
图4为图1中滤波结构一实施方式的结构示意图。
图5为本发明功率分配装置S参数仿真示意图。
图6为本发明功率分配装置中滤波结构其它实施方式的结构示意图。
主要元件符号说明
功率分配装置 1
第一金属层 10
第二金属层 11
第三金属层 12
第一介质层 13
第二介质层 14
基板 20
功率分配合路器 101
匹配电容 102
隔离电阻 103
金属过孔 104
滤波结构 110
金属结构 130
第一端口 1010
第二端口 1011
第三端口 1012
第一传输线 1013
第二传输线 1014
第三传输线 1015
第四传输线 1016
U型凹槽 1101
条形凹槽 1102
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
以下实施方式的具体参数只为更好地说明本发明，但不应以具体数值限制本发明权利要求的范围。
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在下面的描述中，为了方便理解，给出了许多具体细节。但是很明显，本发明的实现可以对这些具体细节进行改变、变化或者没有这些具体细节。需要说明的是，在没有明确限定或者不冲突的情况下，本发明中的实施例及其中的具体的技术特征可以相互结合以形成技术方案。
请参阅图1，图1为本发明功率分配装置1一实施方式的结构示意图。
如图1所示，在一实施方式中，功率分配装置1设置于基板20上，包括依次设置的三层金属板，分别是第一金属层10、第二金属层11及第三金属层12。基板20还包括设置于第一金属层10及第二金属层11之间的第一介质层13，设置于第二金属层11及第三金属层12的第二介质层14。
在一实施方式中，第一金属层10上设置有功率分配合路器101，功率分配合路器101两侧为第一金属结构130。功率分配合路器101用于将一路信号功率分为多路输出或者将多路信号功率合为一路输出。功率分配合路器101可为传输线结构，例如，可为微带线形成。功率分配合路器101包括一个合路端口和两个分路端口，当信号从所述合路端口输入，则功率分配合路器101将该信号分为两路信号输出；当两路信号从所述分路信号输入，则功率分配合路器101将所述两路信号合为一路信号输出。在本实施方式中，所述两个分路端口可为等功率输出。应该明白，在其它实施方式中，功率分配合路器101可为三路输出或者多路输出；功率分配合路器101作为分路器时，既可为等功率输出,也可以是特定功率输出。
在一实施方式中，第一金属层10上还设置有匹配电容103及隔离电阻102，隔离电阻102用于增加两个分路端口之间的隔离度，匹配电容103用于调节所述两个合路端口具有最佳隔离度时的频率。
在一实施方式中，第二金属层11设置有滤波结构110，滤波结构110两侧为第二金属结构，该第二金属结构位置与第一金属结构130的位置相对应。滤波结构110用于与第一金属层10耦合以滤除功率分配装置1中的谐波，比如2次谐波及其它高次谐波。特别的，滤波结构110与设置于第一金属层10上的功率分配合路器101耦合以滤除功率分配装置1中的谐波。在一实施方式中，滤波结构110可为凹槽结构。
在一实施方式中，第三金属层12为金属层，用于隔离第二金属层11泄露的电磁波信号，以避免泄露的电磁波信号对其它设备或者元件造成干扰。第二金属层11设置于第一金属层10及第三金属层12之间。第一介质层13和第二介质层14可为电介质。第一介质层13厚度可为0.15mm，第二介质层14厚度可为0.45mm。第一介质层13和第二介质层14的介电常数可为4.4，介电损耗可为0.02。第一介质层13和第二介质层14的电介质材料可为FR4。在其他实施方式中，第一电介质层13及第二电介质层14的厚度可为其他数值，第一介质层13和第二介质层14的材料可为其他材料。
在一实施方式中，功率分配装置1上还设置有多个金属过孔104，金属过孔104电性连接所述第一金属层10的金属结构130、第二金属层11的金属结构130及第三金属层12，用以增加地效应，并且用于将第一金属层10及第二金属层11的信号进行耦合。金属过孔104的数量可根据实际情况选定，在本实施方式中，作为示例，金属过孔104数量为16个，在功率分配装置的两边对称设置。
在一实施方式中，功率分配装置1长度为2.3mm，宽度为2mm。在其他实施方式中，功率分配装置1的长度、宽度可为其他数值。
请参阅图2，图2为图1中功率分配装置第一金属层在第二金属层的投影示意图。
如图2所示，在一实施方式中，功率分配合路器101在第二金属层11的投影与滤波结构110形成的包围空间部分重合。功率分配器101的合路端口和两个分路端口在第二金属层11的投影延伸至滤波结构110形成的包围空间的外部，功率分配器101的其余部分在在第二金属层11的投影落在滤波结构110形成的包围空间内部。功率分配合路器101在第二金属层11的投影与滤波结构110关于第一端口的投影到所述侧边的中垂线L对称。
图3为图1中功率分配合路器一实施方式的结构示意图。
如图3所示，在一实施方式中，功率分配合路器101包括第一端口1010、第二端口1011及第三端口1012。第一端口1010为合路端口，第二端口1011及第三端口1012为分路端口。功率分配合路器101还包括第一传输线1013、第二传输线1014、第三传输线1015及第四传输线1016。第一传输线1013可为L型，具有第一短端及第一长端，所述第一短端电连接于所述第一端口1010，所述第一长端电连接于所述第二端口1011。第二传输线1014，可为L型，具有第二短端及第二长端，所述第二短端电连接于所述第一端口1010，所述第二长端电连接于所述第三端口1012。第三传输线1015，可为L型，具有第三短端及第三长端，所述第三短端电连接于所述第一长端，所述第三长端向所述第一短端延伸。第四传输线1016，可为L型，具有第四短端及第四长端，所述第四短端电连接于所述第二长端，所述第四长端向所述第二短端延伸。在一实施方式中，所述传输线可为微带线，微带线的规格可根据实际情况选用。
请同时参阅图1及图3，匹配电容103分别电连接于所述第三长端和所述第四长端。隔离电阻102分别电连接于所述第三短端及第四短端。
请参阅图4，图4为图1中滤波结构一实施方式的结构示意图。
如图4所示，在一实施方式中，滤波结构110可为凹槽，包括U型凹槽1101，U型凹槽1101具有一对对边及一侧边。该U型凹槽1101具有一开口。U型凹槽1101的对边还分别设置有相对的条形槽孔1102。在其它实施方式中，凹槽可为其它的形状，例如可为缺角方形，缺角六边形，缺口圆形等。
请一并参阅图1及图2，功率分配合路器101在第二金属层11的投影包含于U型凹槽1101形成的空间中，U型凹槽1101的开口朝向所述第一端口1010。条形槽孔1102未延伸出所述第一传输线1013及所述第二传输线1014在所述第二金属层的投影。
图5为本发明功率分配装置S参数仿真示意图。
如图5所示，在一实施方式中，功率分配装置1在5.50GHz频率处，第二端口1011和第三端口1012具有较好的隔离度，具体而言，S23参数在5.5GHz频率处小于-20dB。功率分配装置1两分路端口为等功率输出端口，其S21,S31参数在6.00GHz以下为-3dB等功率输出。在5.5GHz频率处，第一端口1010S11参数小于-30dB，表明功率分配装置1具有较好的特性。
图6为本发明功率分配装置中滤波结构110其它实施方式的结构示意图。
如图6所示，滤波结构110可为如图6(a)-图6(h)所示多种形状的凹槽。应该明白的是，图6所示的形状列举并非为了穷举，而是为了更好的说明本发明，本领域技术人员可以根据实际情况改变滤波结构110的形状，本发明不做限制。
由于上述技术方案的选择，本发明的有益效果是明显的：
本发明功率分配装置采用三层设计，在第一金属层上设置功率分配合路器实现功率分配及合路，在第二金属层设置滤波结构以滤除谐波干扰，第三金属层隔绝电磁干扰。采用三层设计的方式，不止增加了谐波滤除的功能，减少了外接滤波器的使用，还大大缩小了占用PCB的面积，达到了低成本、小型化的目的。因此，本案具有有益的效果。
可以理解的是，对所属技术领域的技术人员来说，可以根据本发明的技术构思做出其它各种相应的改变与变形，而所有这些改变与变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (14)

1.一种功率分配装置，设置于基板上，其特征在于，包括：
第一金属层，设置有功率分配合路器，所述功率分配合路器用于将一路信号分为多路输出或者将多路信号合为一路输出；
第二金属层，设置有滤波结构，用于与所述功率分配合路器耦合以滤除所述功率分配装置中的谐波；及
第三金属层，为金属底板，用于隔离所述第二金属层泄露的电磁波信号，所述第二金属层设置于所述第一金属层及第三金属层之间；
其中，所述第一金属层与所述第二金属层之间设置有第一介质层，所述第二金属层与所述第三金属层之间设置有第二电介质层。
2.如权利要求1所述的功率分配装置，其特征在于，所述功率分配合路器为微带线结构。
3.如权利要求2所述的功率分配装置，其特征在于，所述功率分配合路器包括第一端口、第二端口及第三端口，所述第一端口为合路端口，所述第二端口及第三端口为分路端口。
4.如权利要求3所述的功率分配装置，其特征在于，所述功率分配合路器还包括：
第一传输线，呈L型，具有第一短端及第一长端，所述第一短端电连接于所述第一端口，所述第一长端电连接于所述第二端口；
第二传输线，呈L型，具有第二短端及第二长端，所述第二短端电连接于所述第一端口，所述第二长端电连接于所述第三端口；
第三传输线，呈L型，具有第三短端及第三长端，所述第三短端电连接于所述第一长端，所述第三长端向所述第一短端延伸；及
第四传输线，呈L型，具有第四短端及第四长端，所述第四短端电连接于所述第二长端，所述第四长端向所述第二短端延伸。
5.如权利要求4所述的功率分配装置，其特征在于，在所述第一金属层上还设置有匹配电容，所述匹配电容分别电连接于所述第三长端和所述第四长端，用于调节所述两个分路端口具有最佳隔离度时的频率。
6.如权利要求5所述的功率分配装置，其特征在于，在所述第一金属层上还设置有隔离电阻，所述隔离电阻分别电连接于所述第三短端及第四短端，用于增加所述两个分路端口之间的隔离度。
7.如权利要求6所述的功率分配装置，其特征在于，所述滤波结构为设置于所述第二金属层的凹槽。
8.如权利要求7所述的功率分配装置，其特征在于，所述凹槽包括U型凹槽，具有一对对边及一侧边，所述凹槽的开口朝向所述第一端口。
9.如权利要求8所述的功率分配装置，其特征在于，所述凹槽还包括在所述U型凹槽的对边分别设置的条形槽孔，所述条形槽孔的未延伸出所述第一传输线及所述第二传输线在所述第二金属层的投影。
10.如权利要求9所述的功率分配装置，其特征在于，所述功率分配合路器在第二金属层的投影与所述滤波结构关于第一端口到所述侧边的垂线对称。
11.如权利要求1-10任一项所述的功率分配装置，其特征在于，所述功率分配装置长度为2.3mm，宽度为2mm。
12.如权利要求1所述的功率分配装置，其特征在于，所述功率分配装置还设置有多个金属过孔，所述多个金属过孔电性连接所述第一金属层、第二金属层及第三金属层。
13.如权利要求12所述的功率分配装置，其特征在于，所述多个金属过孔对称设置于所述功率分配合路器两边。
14.如权利要求1所述的功率分配装置，其特征在于，所述第一介质层厚度为0.15mm，所述第二介质层厚度为0.45mm。
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