CN110137653B - 一种低插损威尔金森功分器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有低插损特性的威尔金森功分器，包括介质层、附着在所述介质层一侧的信号金属层以及附着在所述介质层另一侧的金属地层，所述信号金属层包括微波传输支路，输入微带线、隔离电阻和输出微带线，所述输入微带线可输入微波信号，所述微波传输支路与输入微带线电连接，并分出支路一和支路二，所述输出微带线设置有两路，并且输出微带线一和输出微带线二分别与支路一和支路二电连接，所述支路一和支路二之间电连接有隔离电阻，其特征在于，所述的支路一与输出微带线一之间以及支路二与输出微带线二之间分别还电连接有改善插损微带支路一和改善插损微带支路二，本发明结构紧凑，能够降低损耗。

Description

一种低插损威尔金森功分器

技术领域

本发明涉及功分器的技术领域，具体为一种低插损威尔金森功分器。

背景技术

在多数微波射频系统中，功分器具有广泛的用途，诸如在微波功率传感器、相控阵，固态功率合成等众多电路中均有应用。

在功分器设计中，最常用的功分器有两种，分别是Wilkinson功分器和Gysel功分器,其中Wilkinson功分器得到了更为广泛的应用。因为Wilkinson功分器各个微带线的特征阻抗以及电长度可以通过奇偶模法快速计算，同时具有较好的宽带特性和较低的插入损耗，因而在实际中被广泛的应用。但是，Wilkinson功分器本身有一个缺点，其要想得到一个在较宽频段范围内其插损会逐渐恶化，若想保证在工作带宽内具有低损耗特性的wilkinson功分器，往往会采用级联的方式进行设计，所以这在一定程度上增加了电路尺寸，同时也无谓的增加了设计加工成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低插损威尔金森功分器，体积小，损耗少。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种具有低插损特性的威尔金森功分器，包括介质层、附着在所述介质层一侧的信号金属层以及附着在所述介质层另一侧的金属地层，所述信号金属层包括微波传输支路，输入微带线、隔离电阻和输出微带线，所述输入微带线可输入微波信号，所述微波传输支路与输入微带线电连接，并分出主支路一和主支路二，所述输出微带线设置有两路，并且第一输出微带线和第二输出微带线分别与主支路一和主支路二电连接，所述主支路一和主支路二之间电连接有隔离电阻，所述的主支路一与第一输出微带线之间以及主支路二与第二输出微带线之间分别还电连接有改善插损微带支路一和改善插损微带支路二，所述的改善插损微带支路一和改善插损微带支路二分别串联在隔离电阻后方的主支路一和主支路二上；

所述的改善插损微带支路一和改善插损微带支路二的结构相同，且对称设置；

所述改善插损微带支路一和改善插损微带支路二均包括微带线一、微带线二、微带线三、微带线四、扇形微带电容一和扇形微带电容二，两个所述微带线一分别串联在主支路一与第一输出微带线之间以及主支路二与第二输出微带线之间，所述的微带线二、微带线三和微带线四依次串联，并且微带线二另一端和微带线四另一端分别并联在微带线一两侧的主支路一或主支路二上，所述扇形微带电容一和扇形微带电容二分别并联在微带线二和微带线三之间以及微带线三和微带线四之间；

所述介质层采用介电常数为9.9的氧化铝板材制成，介质厚度为10mil，所述信号金属层和金属地层均采用1oz铜厚，所述的微带线一的特征阻抗为50欧姆，电长度为90deg，所述的微带线二和微带线四的特征阻抗为90欧姆，电长度为90deg，所述微带线三的特征阻抗为50欧姆，电长度为90deg，所述隔离电阻的阻值为100Ω，所述主支路一和主支路二的特征阻抗值70.7欧姆，电长度为90deg，所述输入微带线与第一输出微带线和第二输出微带线的特征阻抗为50Ω，电长度为30deg，所述扇形微带电容一和扇形微带电容二的特征阻抗和电长度与威尔金森功分器的功率适配。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本专利设计了一种在不增加功分器面积的情况下，使得Wilkinson功分器本身具有在相对较宽的工作频率范围内具有低损耗特性，从而在一定程度上增加并改善了Wilkinson本身的一些特性，诸如应用在功率合成领域时，一定程度上改善了功率合成效率，使得系统的效率得到一定程度的增大。同时这样做不但可以减小了整体系统的尺寸，同时使得系统的成本有所下降，具有一定的社会经济意义，其主要运用可以归为以下两类：(1)应用在相控阵系统中，为了整机效率，往往会要求功率合成单元具有较低的插损，从而提高合成效率，使得整机效率具有一定程度的改善。而现今的相控阵系统都是具有多入多出信道，所以功分器又是其必不可少的电路元件，因此若在大功率相控阵系统中如功放系统无法满足功率要求的输出，这时往往需要使用合成单元进行功率合成，如此可以有效的降低系统的能耗，实现绿色节能环保；(2)应用在相控阵天线微波射频电路中，在设计这些电路是，需要考虑他们对天线的增益能力，在设计功率分配电路时，如果想要实现天线具有较大的增益，一方面需要仔细设计天线，另一方面可以从改善功分单元入手，通常采用多节级联的方法，而这将增加电路的尺寸以及电路损耗。而在本设计中在不增加甚至较小电路尺寸的情况下，可有效的改善系统的损耗特性。总之，对具有低损耗的功分器的研究，在实现系统小型化与易于集成化上有非常大的帮助，是很有实际应用价值的。

同时，本专利在不增加传统功分器面积的情况下，可以实现在较宽的工作带宽内实现较小的插损，而当前所知的功分器一般插损随着工作频率远离中心频率而逐渐恶化，因而本专利具有在较宽频段内具有插损波动小，且同时具有插损较小的最明显特点。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明版图示意图；

图3为本发明的端口反射系数的波形图；

图4为本发明的输出端口插损的波形图；

图5为本发明的输出端口插损的相位图；

图6为本发明的输出端口隔离度的波形图；

图7为本发明的输出端口群时延的波形图；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的中心频率为29GHz，工作频率范围为18.5-40GHz。

请参阅附图1，本发明提供一种技术方案：一种具有低插损特性的威尔金森功分器，包括介质层、附着在所述介质层一侧的信号金属层以及附着在所述介质层另一侧的金属地层，所述信号金属层包括微波传输支路，输入微带线10、隔离电阻17和输出微带线，所述输入微带线10可输入微波信号，所述微波传输支路与输入微带线10电连接，并分出主支路一11和主支路二12，所述输出微带线设置有两路，并且第一输出微带线15和第二输出微带线16分别与主支路一11和主支路二12电连接，所述主支路一11和主支路二12之间电连接有隔离电阻17，所述的主支路一11与第一输出微带线15之间以及主支路二12与第二输出微带线16之间分别还电连接有改善插损微带支路一13和改善插损微带支路二14，所述的改善插损微带支路一13和改善插损微带支路二14分别串联在隔离电阻17后方的主支路一11和主支路二12上。

具体的，所述的改善插损微带支路一13和改善插损微带支路二14的结构相同，且对称设置，更具体的，可以根据实际情况调整改善插损微带支路一13和改善插损微带支路二14布置结构。

具体的，所述改善插损微带支路一13和改善插损微带支路二14均包括微带线一131、微带线二132、微带线三134、微带线四133、扇形微带电容一135和扇形微带电容二136，两个所述微带线一131分别串联在主支路一11与第一输出微带线15之间以及主支路二12与第二输出微带线16之间，所述的微带线二132、微带线三134和微带线四133依次串联，并且微带线二132另一端和微带线四133另一端分别并联在微带线一131两侧的主支路一11或主支路二12上，所述扇形微带电容一135和扇形微带电容二136分别并联在微带线二132和微带线三134之间以及微带线三134和微带线四133之间。

具体的，所述介质层采用介电常数为9.9的氧化铝板材制成，介质厚度为10mil，所述信号金属层和金属地层均采用1oz铜厚，所述的微带线一131的特征阻抗为50欧姆，电长度为90deg，所述的微带线二132和微带线四133的特征阻抗为90欧姆，电长度为90deg，所述微带线三134的特征阻抗为50欧姆，电长度为90deg，所述隔离电阻17的阻值为100Ω，所述主支路一11和主支路二12的特征阻抗值70.7欧姆，电长度为90deg，所述输入微带线10与第一输出微带线15和第二输出微带线16的特征阻抗为50Ω，电长度为30deg，所述扇形微带电容一135和扇形微带电容二136的特征阻抗和电长度与威尔金森功分器的功率适配。

参见图2，改善插损微带支路一13上的微带线平行于改善插损微带支路二14上的微带线，微带线四133和微带线二132相互平行，微带线一131与微带线三134相互平行同时。并且微带线四133和微带线二132与微带线一131与微带线三134垂直。为了保持结构紧凑，微波传输支路13与14可以做适当的变形减小电路的尺寸面积。

参见图3，图3为一实施例中具有低插损的威尔金森功分器的端口反射系数在ADS仿真环境下的波形图。横坐标表示频率，纵坐标表示幅值，单位为分贝，其为具有谐波抑制功能的威尔金森功分器的输入端口和输出端口的反射系数随频率的变化情况。其中，曲线31表示输入端口反射系数S(1,1)的波形图，曲线32表示一输出端口反射系数S(2,2)的波形图，曲线33表示另一输出端口反射系数S(3.3)的波形图。由于是等分的威尔金森功分器，因而S(2,2)和S(3，3)的曲线完全重合。可以看到，该具有低插损的威尔金森功分器在中心频率为29GHz频带内，其输入端口反射系数S(1,1)小于-25dB，两个输出端口反射系数S(2,2)，S(3,3)小于-13dB。在窄带26-32GHz范围内，输出端口反射系数S(2,2)，S(3,3)小于-40dB。该具有低插损的威尔金森功分器的反射系数小，反射功耗低，传输功率高。

参见图4，图4为一实施例中具有低插损的威尔金森功分器的输出端口插损的波形图。横坐标表示频率，纵坐标表示幅值，单位为分贝，其为具有低插损的威尔金森功分器的两个输出端口的插损S(2,1)和S(3,1)随频率的变化情况。可以看到，该低插损威尔金森功分器在中心频率为29GHz频带内，两个输出端口的插损S(2,1)和S(3,1)小于0.15Db，同时可以看到该威尔金森功分器除去工作带宽18.5-40GHz的带外出现抑制现象，矩形系数较为良好。

参见图5，图5为一实施例中具有低插损的威尔金森功分器的输出端口插损的相位图。横坐标表示频率，纵坐标表示相位，单位为度，其为具有低插损的威尔金森功分器的两个输出端口的插损S(2,1)和S(3,1)的相位随频率的变化情况。可以看到，该低插损威尔金森功分器在中心频率为29GHz频带内，两个输出端口的插损相位基本一致，使得经过二功分后得到的两路微波分支信号相位一致，功分效果好。

参见图6，图6为一实施例中具有低插损的威尔金森功分器的输出端口隔离度的波形图。横坐标表示频率，纵坐标表示幅值，单位为分贝，其为具有谐波抑制功能的威尔金森功分器的两个输出端口之间的隔离度S(3,2)随频率的变化情况。可以看到，该具有谐波抑制功能的威尔金森功分器在中心频率为29GHz频带内，两个输出端口的隔离度S(3，2)小于-17dB，彼此干扰小。

参见图7，图7为一实施例中具有低插损的威尔金森功分器的输出端的群时延。横坐标表示频率，纵坐标表示群时延，单位为秒。可以看到，该具有低插损的威尔金森功分器在整个频段内的群时延都很好，传输延迟小。

上述具有低插损的威尔金森功分器，在传统的威尔金森功分器的微波传输支路上插入由微带线组成的微带线拓展结构，可以增加该威尔金森功分器的工作带宽，并改善威尔金森功分器的插损，隔离度等相关指标。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (1)

1.一种具有低插损特性的威尔金森功分器，包括介质层、附着在所述介质层一侧的信号金属层以及附着在所述介质层另一侧的金属地层，所述信号金属层包括微波传输支路，输入微带线、隔离电阻和输出微带线，所述输入微带线可输入微波信号，所述微波传输支路与输入微带线电连接，并分出主支路一和主支路二，所述输出微带线设置有两路，并且第一输出微带线和第二输出微带线分别与主支路一和主支路二电连接，所述主支路一和主支路二之间电连接有隔离电阻，其特征在于，所述的主支路一与第一输出微带线之间以及主支路二与第二输出微带线之间分别还电连接有改善插损微带支路一和改善插损微带支路二，所述的改善插损微带支路一和改善插损微带支路二分别串联在隔离电阻后方的主支路一和主支路二上；

所述的改善插损微带支路一和改善插损微带支路二的结构相同，且对称设置；

所述改善插损微带支路一和改善插损微带支路二均包括微带线一、微带线二、微带线三、微带线四、扇形微带电容一和扇形微带电容二，两个所述微带线一分别串联在主支路一与第一输出微带线之间以及主支路二与第二输出微带线之间，所述的微带线二、微带线三和微带线四依次串联，并且微带线二另一端和微带线四另一端分别并联在微带线一两侧的主支路一或主支路二上，所述扇形微带电容一和扇形微带电容二分别并联在微带线二和微带线三之间以及微带线三和微带线四之间；

所述介质层采用介电常数为9.9的氧化铝板材制成，介质厚度为10mil，所述信号金属层和金属地层均采用1oz铜厚，所述的微带线一的特征阻抗为50欧姆，电长度为90deg，所述的微带线二和微带线四的特征阻抗为90欧姆，电长度为90deg，所述微带线三的特征阻抗为50欧姆，电长度为90deg，所述隔离电阻的阻值为100Ω，所述主支路一和主支路二的特征阻抗值70.7欧姆，电长度为90deg，所述输入微带线与第一输出微带线和第二输出微带线的特征阻抗为50Ω，电长度为30deg，所述扇形微带电容一和扇形微带电容二的特征阻抗和电长度与威尔金森功分器的功率适配。

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