CN109766657A - 一种具有隔离频点对齐的切比雪夫滤波特性的威尔金森功率分配器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有隔离频点对齐的切比雪夫滤波特性的威尔金森功率分配器，包括输入端和两个输出端，还包括：两条传输分路，其并联在输入端和两个输出端之间；每条传输分路分别由n段第一传输线和1段第二传输线串联组成；其中，第二传输线选择性的连接在传输分路的起始端或末端；多个电阻，其分别连接在两条传输分路上相对应的每两段传输线之间；两组短接线，其对称连接在两条传输分路上；每组短接线包括m段短接线，并且2≤m≤n；其中，当m为偶数时，短接线连接在n段第一传输线的中心两侧的对称位置处；以及当m为奇数时，短接线连接在n段第一传输线的中心位置和中心位置两侧的对称位置处。本发明还提供了所述功率分配器的制备方法。

Description

一种具有隔离频点对齐的切比雪夫滤波特性的威尔金森功率 分配器及其制备方法

技术领域

本发明属于射频电路微带线器件制造技术领域，特别涉及一种具有隔离频点对齐的切比雪夫滤波特性的威尔金森功率分配器及其制备方法。

背景技术

随着社会的发展，人们对信息的需求元素也越来越多，无论是民用的通信系统还是军用的雷达系统当中。在通信系统、雷达系统以及电子对抗系统中，微波功率分配器是一个至关重要的无源器件。它的作用是把输入端的信号按照要求去等分或不等分去给几路去传输信息，达到功率分配的目的。在需要高功率去传输信息的时候，把输出端看成输入端，把输入端看成输出端，把功率合成到一路上可以作为功率合成器去使用。

随着无线电传输信息的方式越来越普及，对其的功能的要求也随着提高。主要体现在一下几个特征：

1.功率分配的功率幅度

2.减小插入损耗

3.输出两个端口之间的隔离性

4.输入端与输出端的相位一致性

目前主流做功率分配器的方法有以下两种方法：

1.微带线做微带结构功率分配器

2.波导管做波导结构功率分配器

其中微带结构功率分配器的优点在于，电路结构简单，紧凑，成本低，性能稳定，频率范围大等。相对于微带线做的功率分配器，波导结构做的功率分配器的优点在于插入损耗低，功率容量高，平衡度高等。但是对于微带结构它的体积过于庞大。所以对于整个功率分配器的性能指标为研究设计带宽大小，地插入损耗，高幅度平衡度，两个端口隔离特性高和高度相位一致性。

用传统方法去做切比雪夫等波纹做功率分配器时，有n段串联的传输线的做传输通道时，得需要n+1段接地线把传输S参数的波形调整到设定的衰减常数。设计威尔金森功率分配器时，去掉两条传通路之间的相互干扰，需要在两条传输分路之间连接一个电阻值，与输出端匹配，达到隔离的效果。用传统方法制备的具有切比雪夫滤波特性的威尔金森功率分配器的电路模型设计图如图1所示。

发明内容

本发明提供了一种具有隔离频点对齐的切比雪夫滤波特性的威尔金森功率分配器，其目的之一是通过设定短接线的位置，采用较少段数的短接线就可以实现切比雪夫等波纹滤波特性；由于减少了短接线段数，使所述功率分配器能更灵活的改变短接线的位置去适应不同工程需要，从而扩大了功率分配器的适用范围；其目的之二是通过在两条传输分路的起始端或末端增加一段具有固定特性阻抗的传输线，并且在该传输线之间连接电阻，以减小隔离特性对整个功率分配器的带宽的影响。

本发明还提供了一种具有隔离频点对齐的切比雪夫滤波特性的威尔金森功率分配器的制备方法，其通过偶模分析得到每段传输线和每段短接线的特性阻抗，能够保证制备功率分配器具有切比雪夫等波纹滤波特性；并且通过奇模分析得到两条传输分路之间连接的电阻的阻值，能够保证制备的功率分配器具有较好的隔离特性。

本发明提供的技术方案为：

一种具有隔离频点对齐的切比雪夫滤波特性的威尔金森功率分配器，包括输入端和两个输出端，还包括：

两条传输分路，其并联在所述输入端和两个输出端之间；每条所述传输分路分别由n段第一传输线和1段第二传输线串联组成；

其中，所述第二传输线选择性的连接在所述传输分路的起始端或末端；

多个电阻，其分别连接在两条传输分路上相对应的每两段传输线之间；

两组短接线，其对称连接在两条传输分路上；每组所述短接线包括m段短接线，并且2≤m≤n；其中，

当m为偶数时，所述短接线连接在所述n段第一传输线的中心两侧的对称位置处；以及

当m为奇数时，所述短接线连接在所述n段第一传输线的中心位置和所述中心位置两侧的对称位置处。

优选的是，当所述第二传输线连接在所述传输分路的起始端时的特性阻抗为当所述第二传输线连接在所述传输分路的末端时的特性阻抗的2倍。

一种具有隔离频点对齐的切比雪夫滤波特性的威尔金森功率分配器的制备方法，包括如下步骤：

步骤一、确定功率分配器中传输线的阶数n、短接线的段数m和短接线的连接位置；

步骤二、进行偶模分析，得到传输线和短接线的整体矩阵；并且得到反射函数S₁₁和传输函数S₁₂与所述整体矩阵中各项的关系式；

步骤三、根据所述反射函数S₁₁和所述传输函数S₁₂得到传输零点的公式；将所述传输零点的公式与n阶切比雪夫等波纹的传输公式联立，求解得到n段传输线和m段短接线的特性阻抗；

步骤四、进行奇模分析，得到不同的频率对应的传输零点的约束条件；并且根据所述约束条件求解得到每两段传输线之间连接的电阻的阻值；

步骤五、根据所述步骤三中得到的n段传输线和m段短接线的特性阻抗，得到相应的微带线的线长与线宽；

步骤六、做电磁场仿真得到前面板模型后，将其做成电路板，用腐蚀液腐蚀掉铜板后得到所述威尔金森功率分配器。

优选的是，当n＝4，m＝2时，在所述步骤二中，传输线和短接线的整体矩阵为其中，

式中，a₀，a₂，a₄，b₁，b₃，b₅，c₁，c₃，c₅，d₀，d₂，d₄分别为矩阵的系数；θ为传输线的电长度。

优选的是，所述矩阵的系数分别为：

其中，Z₁，Z₂，Z₃，Z₄，Z_s1，Z_s2分别为4段传输线和2段短接线的特性阻抗。

优选的是，反射函数S₁₁和传输函数S₁₂分别为：

其中，Z_l为输出端负载，Z_S为输入端负载。

优选的是，所述传输零点的表达式为：

其中，k＝Z_l/Z_S，并且k≥1，Z_l为输出端负载，Z_S为输入端负载。

优选的是，4阶切比雪夫等波纹的传输公式为：

优选的是，在所述步骤四中，所述约束条件为：

其中，R₁，R₂，R₃，R₄，R₅分别为每两段传输线之间连接的电阻的阻值。

本发明的有益效果是：

(1)本发明提供的具有隔离频点对齐的切比雪夫滤波特性的威尔金森功率分配器，通过设定短接线的位置，采用较少段数的短接线就可以实现切比雪夫等波纹滤波特性；由于减少了短接线段数，使所述功率分配器能更灵活的改变短接线的位置去适应不同工程需要，从而扩大了功率分配器的适用范围。

(2)本发明提供的具有隔离频点对齐的切比雪夫滤波特性的威尔金森功率分配器，通过在两条传输分路的起始端或末端增加一段具有固定特性阻抗的传输线，并且在该传输线之间连接电阻，以减小隔离特性对整个功率分配器的带宽的影响。

(3)本发明提供的具有隔离频点对齐的切比雪夫滤波特性的威尔金森功率分配器的制备方法，通过偶模分析得到每段传输线和每段短接线的特性阻抗，能够保证制备功率分配器具有切比雪夫等波纹滤波特性；并且通过奇模分析得到两条传输分路之间连接的电阻的阻值，能够保证制备的功率分配器具有较好的隔离特性。

附图说明

图1为现有技术中采用n阶传输线和n+1段短接线去做的具有切比雪夫等波纹威尔金森功率分配器的电路模型图。

图2为本发明所述的第二传输线连接在所述传输分路的起始端的电路模型图。

图3为本发明所述的第二传输线连接在所述传输分路的末端的电路模型图。

图4-5为本发明所述的4段第一传输线和2段短接线的具有隔离频点对齐的切比雪夫等波纹威尔金森功率分配器的电路模型图。

图6-7为本发明所述的4段第一传输线和3段短接线的具有隔离频点对齐的切比雪夫等波纹威尔金森功率分配器的电路模型图。

图8为本发明所述的4段第一传输线和4段短接线的具有隔离频点对齐的切比雪夫等波纹威尔金森功率分配器的电路模型图。

图9为本发明所述的偶模分析时功率分配器的等效电路模型图。

图10为本发明所述的奇模分析时功率分配器的等效电路模型图。

图11为本发明所述的在ADS当中的理想状态下的传输线威尔金森功率分配器S参数的波形图。

图12为本发明所述的Sonnet设计仿真最佳的S参数波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图2-3所示，本发明提供了一种具有隔离频点对齐的切比雪夫滤波特性的威尔金森功率分配器，包括输入端负载Z_S、输出端负载Z_L和并联在输入端负载Z_S和两个输出端负载Z_L之间的两条传输分路。每条传输分路分别由n段第一传输线和1段第二传输线串联组成；其中，所述第二传输线选择性的连接在所述传输分路的起始端或末端；多个电阻(R₁、R₂……R_n+1)，其分别连接在两条传输分路上相对应的每两段传输线(第一传输线或第二传输线)之间。两组短接线，其对称连接在两条传输分路上；每组所述短接线包括m段短接线(Z_s1、Z_s2……Z_sm)，并且2≤m≤n；其中，当m为偶数时，所述短接线连接在所述n段第一传输线(连接成的整体)的中心两侧的对称位置处；以及当m为奇数时，所述短接线连接在所述n段第一传输线(连接成的整体)的中心位置和所述中心位置两侧的对称位置处。

由于短接线需要连接在传输线的端部缝隙处(不能连接在传输线的本体上)，所以当第一传输线的段数n为偶数时，n段传输线(连接成的整体)的中心位置正好是两个第一传输线的缝隙，此时，可以根据工程需要将短接线连接在所述n段传输线的中心位置的两侧对称位置处和中心位置处(此时短接线的段数m为奇数)或将短接线连接在中心位置的两侧对称位置处(此时短接线的段数m为偶数)；而当第一传输线的段数n为奇数时，n段传输线(连接成的整体)的中心位置刚好是一段传输线本体的中心，由于此处不能连接短接线，所以只能将短接线连接在该中心位置两侧的对称位置处，即第一传输线的段数n为奇数时，短接线的段数m必须是偶数。

如图2所示，所述第二传输线连接在所述传输分路的起始端，即Z₁为所述第二传输线，并且在两条第二传输线Z₁之间连接电阻R₁；设定所述第二传输线Z₁第二传输线的特性阻抗为R。

如图3所示，所述第二传输线连接在所述传输分路的末端，即Z_n+1为所述第二传输线，并且在两条第二传输线Z_n+1之间连接电阻R_n+1；设定所述第二传输线Z_n+1第二传输线的特性阻抗为R/2，即为在传输分路的起始端连接第二传输线的阻抗特性的1/2。

由于一般无源器件级联的时候转接头的负载都是50Ω，当将第二传输线连接在传输分路的起始端时，选择的第二传输线的特性阻抗应为R＝100Ω，当将第二传输线连接在所述传输分路的末端时，选择的第二传输线的特性阻抗应为R/2＝50Ω。

下面以采用4段第一传输线的具有隔离频点对齐的切比雪夫滤波特性的威尔金森功率分配器为例，作进一步说明。

如图4所示，为采用4段第一传输线、2段短接线，并且将第二传输线及其对应的电阻连接在传输分路末端的功率分配器的电路模型；其中，2段短接线分别连接在4段第一传输线(连接成的整体)的两端。

如图5所示，为采用4段第一传输线、2段短接线，并且将第二传输线及其对应的电阻连接在传输分路末端的功率分配器的电路模型；其中，2段短接线分别连接在中间两段第一传输线的两端。

如图6-7所示，为采用4段第一传输线、3段短接线，并且将第二传输线及其对应的电阻连接在传输分路末端的功率分配器的电路模型；其中，1段短接线连接在4段第一传输线(组成的整体)的中心位置(对称轴)处，另外2段短接线，在中心的两侧对称设置，图6和7中对称的两段短接线的连接位置不同。

如图8所示，为采用4阶第一传输线、4段短接线，并且将第二传输线及其对应的电阻连接在传输分路末端的功率分配器的电路模型；其中，4段短接线分别在4段第一传输线(连接成的整体)的中心两侧对称设置。

本发明还提供了一种具有隔离频点对齐的切比雪夫滤波特性的威尔金森功率分配器的制备方法，用于制备所述的具有隔离频点对齐的切比雪夫滤波特性的威尔金森功率分配器，包括如下步骤：

步骤一、根据工程需要确定功率分配器中传输线的阶数n、短接线的段数m和短接线的连接位置，得到所述功率分配器的电路设计模型；

其中，短接线的段数m和短接线的连接位置按照前文中所述的规则进行确定。

步骤二、对所述设计模型进行偶模分析，得到传输线和短接线的整体矩阵；并且得到所述设计模型的反射函数S₁₁和输入端和输出端之间的传输函数S₁₂关于所述矩阵的向量的表达式；

步骤三、根据所述反射函数S₁₁和所述传输函数S₁₂得到传输零点的公式；将所述传输零点的公式与n阶切比雪夫等波纹的传输公式联立，求解得到n段第一传输线和m段短接线的特性阻抗；

步骤四、对所述设计模型进行奇模分析，得到所述设计模型在不同的频率对应的传输零点的约束条件；并且根据所述约束条件求解得到每两段传输线之间连接的电阻的阻值；

步骤五、将所述步骤三中得到的n段第一传输线和m段短接线的特性阻抗输入ADS中，得到相应的微带线的线长与线宽；

步骤六、在Sonnet中做电磁场仿真得到前面板模型，并将所述前面板模型做成1:1图片格式在电路板打印机中打印后，用腐蚀液腐蚀掉铜板，得到所述威尔金森功率分配器。

实施例

本实施例采用4阶第一传输线和2段短接线制备具有隔离频点对齐的切比雪夫滤波特性的威尔金森功率分配器，具体制备过程如下：

(1)如图9所示，首先对设计的电路模型进行偶模分析，偶模分析是对于端口1(输入端)到端口2(或3)(输出端)的信号传输的质量的分析。本发明使用的是ABCD矩阵的分析法，

其中，横向第一传输线的ABCD矩阵为：

短接线的ABCD矩阵为：

把中间的4段第一传输线和2段短接线看成一体，它的整体ABCD矩阵为：

其中，矩阵ABCD的各项分别为：

式中，a₀，a₂，a₄，b₁，b₃，b₅，c₁，c₃，c₅，d₀，d₂，d₄分别为矩阵的系数；θ为传输线的电长度。其中，

其中，Z₁，Z₂，Z₃，Z₄，Z_s1，Z_s2分别为4段第一传输线和2段短接线的特性阻抗。

反射函数S₁₁和和端口1和端口2之间的传输函数S₁₂由Z₁,Z₂,Z₃,Z₄,Z_s1,Z_s2用以下公式表示：

并且由于S₁₁和S₂₁为对于端口1的参数，所以两个之间存在以下关系：

|S₁₁|²+|S₂₁|²＝1；

从以上式子得到传输零点的式子：

其中，k＝Z_l/Z_S，并且k≥1，Z_l为输出端负载，Z_S为输入端负载。

其中，X_m＝(a_m-k·d_m)，Y_n＝(b_n-k·c_n)。

理想情况下的4阶切比雪夫等波纹的传输公式可以写成：

其中，

所以，只要就可以得到切比雪夫等波纹。

其中，由此得出：

只要符合以下条件就可以得到切比雪夫等波纹：

之后，根据X_m和Y_n即可求出4段第一传输线和2段短接线的特性阻抗Z₁，Z₂，Z₃，Z₄，Z_s1，Z_s2。

(2)对设计的模型进行奇模分析。奇模分析主要是研究端口2和端口3(两个输出端)之间的隔离特性。所以威尔金森功率分配器的奇模等效电路可以看成如图10所示的电路模型。如图10所示，用公式一级一级去看特性阻抗与左边的Z_l相匹配。是由Z₁,Z₂,Z₃,Z₄,Z₅,θ组成的，即：

在不同的频率对应的传输零点中有以下约束条件：

其中，R₁，R₂，R₃，R₄，R₅分别为每两段传输线之间连接的电阻的阻值，通过该约束条件，能够得出R₁，R₂，R₃，R₄，R₅的值。

(3)将(1)和(2)中得到的Z₁，Z₂，Z₃，Z₄，Z_s1，Z_s2和R₁，R₂，R₃，R₄，R₅在ADS当中进行验证。验证S₁₁反射传输函数是否为理想的等波纹以及验证S₂₃隔离特性的传输函数是否在设定的5个频点对齐。其中，图11为在ADS当中的理想状态下的传输线威尔金森功率分配器S参数的波形图。

(4)在ADS中设置板子参数，得到相应的微带线的线长与线宽，然后再到Sonnet当中去做电磁场仿真。由于在ADS当中算出来的线长以及线宽都是按经验算出来的值，所以它与真实数据之间存在一些误差。所以在电磁场仿真的时候需要根据实际情况对传输线的线长进行校正，来得到相应的波形图。图12为Sonnet设计仿真最佳的S参数波形图。

(5)从Sonnet当中得到的前面板的模型做成1:1图片格式，准备打印模型图。

(6)在微波电路板打印机MDP-10中，打印Sonnet输出的图片。

(7)用腐蚀溶液把铜板腐蚀掉，得到电路板模型。

当采用n段第一传输线和m段短接线制备具有隔离频点对齐的切比雪夫滤波特性的威尔金森功率分配器可以参照4段第一传输线和2段短接线的设计方法进行推导得到传输线和短接线的特性阻抗及电阻的阻值，其推导过程完全相同。

本发明制备的功率分配器具有切比雪夫滤波特性，选频特性高，能够过滤掉特定频率以外的噪声，在特定的频率中工作；同时还有着隔离特性的频点完全对齐的特性，通过在两条传输分路的起始端或末端增加一段具有固定特性阻抗的传输线，并且在该传输线之间连接电阻，减少隔离特性对整个功率分配器的带宽的影响；与通常的切比雪夫滤波特性的威尔金森功率分配器相比，它可以减少短接线的个数就可以实现切比雪夫等波纹滤波特性，所以对于不同工程需求，它可以更灵活的改变短接线的位置去实现其功能，提供更多的选择。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (9)

1.一种具有隔离频点对齐的切比雪夫滤波特性的威尔金森功率分配器，包括输入端和两个输出端，其特征在于，还包括：

两条传输分路，其并联在所述输入端和两个输出端之间；每条所述传输分路分别由n段第一传输线和1段第二传输线串联组成；

其中，所述第二传输线选择性的连接在所述传输分路的起始端或末端；

多个电阻，其分别连接在两条传输分路上相对应的每两段传输线之间；

两组短接线，其对称连接在两条传输分路上；每组所述短接线包括m段短接线，并且2≤m≤n；其中，

当m为偶数时，所述短接线连接在所述n段第一传输线的中心位置两侧的对称位置处；以及

当m为奇数时，所述短接线连接在所述n段第一传输线的中心位置和所述中心位置两侧的对称位置处。

2.根据权利要求1所述的具有隔离频点对齐的切比雪夫滤波特性的威尔金森功率分配器，其特征在于，当所述第二传输线连接在所述传输分路的起始端时的特性阻抗为当所述第二传输线连接在所述传输分路的末端时的特性阻抗的2倍。

3.一种具有隔离频点对齐的切比雪夫滤波特性的威尔金森功率分配器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、确定功率分配器中传输线的阶数n、短接线的段数m和短接线的连接位置；

步骤二、进行偶模分析，得到传输线和短接线的整体矩阵；并且得到反射函数S₁₁和传输函数S₁₂与所述整体矩阵中各项的关系式；

步骤三、根据所述反射函数S₁₁和所述传输函数S₁₂得到传输零点的公式；将所述传输零点的公式与n阶切比雪夫等波纹的传输公式联立，求解得到n段传输线和m段短接线的特性阻抗；

步骤四、进行奇模分析，得到不同的频率对应的传输零点的约束条件；并且根据所述约束条件求解得到每两段传输线之间连接的电阻的阻值；

步骤五、根据所述步骤三中得到的n段传输线和m段短接线的特性阻抗，得到相应的微带线的线长与线宽；

步骤六、做电磁场仿真得到前面板模型后，将其做成电路板，用腐蚀液腐蚀掉铜板后得到所述威尔金森功率分配器。

4.根据权利要求3所述的具有隔离频点对齐的切比雪夫滤波特性的威尔金森功率分配器的制备方法，其特征在于，当n＝4，m＝2时，在所述步骤二中，传输线和短接线的整体矩阵为其中，

式中，a₀，a₂，a₄，b₁，b₃，b₅，c₁，c₃，c₅，d₀，d₂，d₄分别为矩阵的系数；θ为传输线的电长度。

5.根据权利要求4所述的具有隔离频点对齐的切比雪夫滤波特性的威尔金森功率分配器的制备方法，其特征在于，所述矩阵的系数分别为：

其中，Z₁，Z₂，Z₃，Z₄，Z_s1，Z_s2分别为4段传输线和2段短接线的特性阻抗。

6.根据权利要求5所述的具有隔离频点对齐的切比雪夫滤波特性的威尔金森功率分配器的制备方法，其特征在于，反射函数S₁₁和传输函数S₂₁分别为：

其中，Z_l为输出端负载，Z_S为输入端负载。

7.根据权利要求6所述的具有隔离频点对齐的切比雪夫滤波特性的威尔金森功率分配器的制备方法，其特征在于，所述传输零点的表达式为：

其中，k＝Z_l/Z_S，并且k≥1，Z_l为输出端负载，Z_S为输入端负载。

8.根据权利要求7所述的具有隔离频点对齐的切比雪夫滤波特性的威尔金森功率分配器的制备方法，其特征在于，4阶切比雪夫等波纹的传输公式为：

9.根据权利要求8所述的具有隔离频点对齐的切比雪夫滤波特性的威尔金森功率分配器的制备方法，其特征在于，在所述步骤四中，所述约束条件为：

其中，R₁，R₂，R₃，R₄，R₅分别为每两段传输线之间连接的电阻的阻值。