CN111261990B - 一种基于反射型移相器的互补型可重构功分器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于反射型移相器的互补型可重构功分器，包括金属接地板和介质基板，所述介质基板设置在金属接地板上，还包括设置在介质基板上的第一3dB反射型移相器、第二3dB反射型移相器、第一级联传输线和第二级联传输线；所述第一3dB反射型移相器包括第一正交功分器、第一T型移相器和第二T型移相器，所述第一3dB反射型移相器分别与第一级联等效传输线、第二级联传输线连接，所述第二3dB反射型移相器包括第二正交功分器和第三T型移相器和第四T型移相器，所述第二3dB反射型移相器分别与第一级联传输线和第二级联传输线连接。本发明具有分类效果好、标注训练集需求小的优点。

Description

一种基于反射型移相器的互补型可重构功分器

技术领域

本发明涉及射频与微波通信技术领域，尤其涉及一种基于反射型移相器的互补型可重构功分器。

背景技术

作为射频前端电路的重要器件，功率分配器(以下简称“功分器”)的研究与设计受到了学术界和工业界大量的关注，尤其在大规模阵列天线系统、相控阵列雷达系统和功率合成器应用领域，功分器性能的优劣直接决定着整个系统的性能，由于传统射频功分器存在器件尺寸较大的缺点，多个射频功分器级联会进一步增加射频前端电路的整体尺寸以及生产成本，而功率分配比可重构功分器可以用一个器件代替多个器件，不仅能够提高器件性能与集成度，并且能实现低成本，器件尺寸小型化的目标。

目前，关于分配比可重构功分器的研究主要集中在功率分配比的离散可重构领域，因结构复杂、分配比例离散，导致应用受限，而传统的分配比连续可重构功分器因可调范围低、相位不可调，实用性较低，因此，本发明通过对其设计方法和结构参数进行改进优化，设计出一款基于反射型移相器的互补型可重构功分器，实现了分配比和相位差同时可重构功能。

发明内容

本发明提出了一种基于反射型移相器的互补型可重构功率分配器，能实现分配比和相位在一定范围内连续可调。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种基于反射型移相器的互补型可重构功分器，包括金属接地板(5)和介质基板(6)，所述介质基板设置在金属接地板上，还包括设置在介质基板上的第一3dB反射型移相器(1)、第二3dB反射型移相器(2)、第一级联传输线(3)和第二级联传输线(4)；所述第一3dB反射型移相器包括第一正交功分器、第一T型移相器和第二T型移相器，所述第一3dB反射型移相器分别与第一级联传输线、第二级联传输线连接，所述第二3dB反射型移相器包括第二正交功分器和第三T型移相器和第四T型移相器，所述第二3dB反射型移相器分别与第一级联传输线和第二级联传输线连接。

优选的，其中第一正交功分器包括第一微带线(11)、第二微带线(12)、第三微带线(13)和第四微带线(14)，第一微带线的两端分别与第三微带线的上端、第四微带线的上端连接，第二微带线的两端分别与第三微带线的下端、第四微带线的下端连接，第一微带线的右端还与射频信号输出端口微带线(P4)的下端连接，第二微带线的右端还与还与射频信号输出端口微带线(P3)的上端连接，第一微带线的左端和右端分别还与第一T型移相器和第一级联传输线(3)连接，第二微带线的左端和右端分别还与第二T型移相器和第二级联传输线(4)连接；其中第一T型移相器包括第五微带线(15)、第六微带线(16)、第一变容二极管(D1)，所述第一变容二极管的正极分别与第五微带线的左端、第六微带线的右端连接，第五微带线的右端与第一微带线左端连接，第六微带线左端开路；所述第二T型移相器包括第七微带线(17)、第八微带线(18)、第二变容二极管(D2)，其中第二变容二极管的正极分别与第七微带线的左端、第八微带线的右端连接，第七微带线的右端与第二微带线左端连接，第八微带线左端开路。

优选的，所述第二正交功分器包括第十一微带线(21)、第十二微带线(22)、第十三微带线(23)和第十四微带线(24)，第十一微带线的两端分别与第十三微带线的上端、第十四微带线的上端连接，第十二微带线的两端分别与第十三微带线的下端、第十四微带线的下端连接，第十一微带线的左端还与射频信号输入端口微带线P1的下端连接，第十二微带线的右端还与射频信号输出端口微带线P2的上端连接，第十一微带线的右端和左端分别还与第三T型移相器和第一级联传输线(3)连接，第十二微带线的右端和左端分别还与第四T型移相器和第二级联传输线(4)连接；所述第三T型移相器包括第十五微带线(25)、第十六微带线(26)、第三变容二极管(D3)，其中第三变容二极管的正极分别与第十五微带线的右端、第十六微带线的左端连接，第十五微带线的左端与第十一微带线左端连接，第十六微带线右端开路；所述第四T型移相器包括第十七微带线(27)、第十八微带线(28)、第四变容二极管(D4)，其中第四变容二极管的正极分别与第十七微带线的右端、第十八微带线的做端连接，第十七微带线的左端与第十二微带线右端连接，第十八微带线右端开路。

优选的，所述第一级联传输线(3)包括第九微带线，其中第九微带线的左端分别与第一3dB反射型移相器的第一微带线、射频信号输出端口微带线P4相连，第九微带线的右端分别与第二3dB反射型移相器中的第十一微带线、射频信号输入端口微带线P1相连。

优选的，所述第二级联传输线(4)包括第十微带线，其中第十微带线的左端分别与第一3dB反射型移相器的第二微带线、射频信号输出端口微带线P3相连，第十微带线的右端分别与第二3dB反射型移相器中的第十二微带线、射频信号输出端口微带线P2相连。

优选的，所述变容二极管D1、D2的两端分别施加反向直流偏置电压V1；

在所述变容二极管D3、D4的两端分别施加反向直流偏置电压V2；

所述变容二极管的反向直流偏置电压V1、V2应满足：V1+V2＝12V；

其中：V1、V2的最大电压Vmax＝12V，最小电压Vmin＝0V。

优选的，所述射频信号输入端口微带线P1、射频信号输出端口微带线P2、射频信号输出端口微带线P3、射频信号输出端口微带线P4的特征阻抗为，物理长度为λ/4；

所述第一微带线(11)、第二微带线(12)、第十一微带线(21)和第十二微带线(22)特征阻抗为

物理长度为λ/4；

所述第三微带线(13)、第四微带线(14)、第十三微带线(23)、第十四微带线(24)的特征阻抗为Z0，物理长度λ/4；

所述第五微带线(15)、第六微带线(16)、第七微带线(17)、第八微带线(18)、第十五微带线(25)、第十六微带线(26)、第十七微带线(27)、第十八微带线(28)的特征阻抗为3*Z0，物理长度λ/24。

有益效果：

(1)本发明具有分配比和相位差同时可调、既可以实现分配比在0～6dB路可调，也可以同时实现相位差在一定范围内连续可调，具有分配比和相位差同时可调且易于实现的优点，解决了传统功分器的难以实现分配比和相位差同时可调的缺点。

(2)本发明通过调节第一反射型移相器和第二反射型移相器上的T型电路实现移相器的等效电长度可调，可实现输出功率分配比和相位差大范围内连续可调，解决了传统可重构功分器相位差和分配比可调范围小的缺点。

(3)本发明利用互补型原理通过调节反射型移相器的等效电长度来实现分配比例可调，解决了传统可重构功分器通过调节传输线特征阻抗难以实现分配比大范围连续可调的缺点。

(4)本发明中的微带线结构、介质基板、金属接地板等都可以采用普通的印刷电路板工艺制作,具有易于集成、便于加工和成本低廉的优点。

附图说明：

图1为本发明的整体框图；

图2为本发明中基于反射型移相器的互补型可重构功分器结构图；

图3为本发明中正交功分器的原理图；

图4为本发明中正交功分器的奇偶模等效电路；

图5本发明中正交功分器互补型原理的仿真图；

图6本发明中互补型可重构功分器随偏置电压V1的S参数；

图7本发明中互补型可重构功分器随频率变化的S参数；

图中：1、第一3dB反射型移相器，2、第二3dB反射型移相器，3、第一级联传输线，4、第二级联传输线，5、金属接地板，6、介质基板，11、第一微带线，12、第二微带线，13、第三微带线，14、第四微带线，15、第五微带线，16、第六微带线，17、第七微带线，18、第八微带线，3、第九微带线，4、第十微带线，21、第十一微带线，22、第十二微带线，23、第十三微带线，24、第十四微带线，25、第十五微带线，26、第十六微带线，27、第十七微带线，28、第十八微带线，P1、射频信号输入微带线，P2、P3P4射频信号输出微带线。

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，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例1：

参考图1-2，一种基于反射型移相器的互补型可重构功分器，包括金属接地板(5)和介质基板(6)，所述介质基板设置在金属接地板上，还包括设置在介质基板上的第一3dB反射型移相器(1)、第二3dB反射型移相器(2)、第一级联传输线(3)和第二级联传输线(4)；所述第一3dB反射型移相器包括第一正交功分器、第一T型移相器和第二T型移相器，所述第一3dB反射型移相器分别与第一级联传输线、第二级联传输线连接，所述第二3dB反射型移相器包括第二正交功分器和第三T型移相器和第四T型移相器，所述第二3dB反射型移相器分别与第一级联传输线和第二级联传输线连接。

进一步的，其中第一正交功分器包括第一微带线(11)、第二微带线(12)、第三微带线(13)和第四微带线(14)，第一微带线的两端分别与第三微带线的上端、第四微带线的上端连接，第二微带线的两端分别与第三微带线的下端、第四微带线的下端连接，第一微带线的右端还与射频信号输入端口微带线P4的下端连接，第二微带线的右端还与还与射频信号输出端口微带线P3的上端连接，第一微带线的左端和右端分别还与第一T型移相器和第一级联传输线(3)连接，第二微带线的左端和右端分别还与第二T型移相器和第二级联传输线(4)连接；其中第一T型移相器包括第五微带线(15)、第六微带线(16)、第一变容二极管(D1)，所述第一变容二极管的正极分别与第五微带线的左端、第六微带线的右端连接，第五微带线的右端与第一微带线左端连接，第六微带线左端开路；所述第二T型移相器包括第七微带线(17)、第八微带线(18)、第二变容二极管(D2)，其中第二变容二极管的正极分别与第七微带线的左端、第八微带线的右端连接，第七微带线的右端与第二微带线左端连接，第八微带线左端开路。

进一步的，所述第二正交功分器包括第十一微带线(21)、第十二微带线(22)、第十三微带线(23)和第十四微带线(24)，第十一微带线的两端分别与第十三微带线的上端、第十四微带线的上端连接，第十二微带线的两端分别与第十三微带线的下端、第十四微带线的下端连接，第十一微带线的左端还与射频信号输入端口微带线P1的下端连接，第十二微带线的左端还与射频信号输出端口微带线P2的上端连接，第十一微带线的右端和左端分别还与第三T型移相器和第一级联传输线(3)连接，第十二微带线的右端和左端分别还与第四T型移相器和第二级联传输线(4)连接；所述第三T型移相器包括第十五微带线(25)、第十六微带线(26)、第三变容二极管(D3)，其中第三变容二极管的正极分别与第十五微带线的右端、第十六微带线的左端连接，第十五微带线的左端与第十一微带线右端连接，第十六微带线右端开路；所述第四T型移相器包括第十七微带线(27)、第十八微带线(28)、第四变容二极管(D4)，其中第四变容二极管的正极分别与第十七微带线的右端、第十八微带线的左端连接，第十七微带线的左端与第十二微带线右端连接，第十八微带线右端开路。

进一步的，所述第一级联传输线(3)包括第九微带线，其中第九微带线的左端分别与第一3dB反射型移相器的第一微带线、射频信号输出端口微带线P4相连，第九微带线的右端分别与第二3dB反射型移相器中的第十一微带线、射频信号输入端口微带线P1相连。

进一步的，所述第二级联传输线(4)包括第十微带线，其中第十微带线的左端分别与第一3dB反射型移相器的第二微带线、射频信号输出端口微带线P3相连，第十微带线的右端分别与第二3dB反射型移相器中的第十二微带线、射频信号输出端口微带线P2相连。

进一步的，所述变容二极管D1、D2的两端分别施加反向直流偏置电压V1；

在所述变容二极管D3、D4的两端分别施加反向直流偏置电压V2；

所述变容二极管的反向直流偏置电压V1、V2应满足：V1+V2＝12V；

其中：V1、V2的最大电压Vmax＝12V，最小电压Vmin＝0V。

进一步的，所述射频信号输入端口微带线P1、射频信号输出端口微带线P2、射频信号输出端口微带线P3、射频信号输出端口微带线P4的特征阻抗为

物理长度为λ/4；

所述第一微带线(11)、第二微带线(12)、第十一微带线(21)和第十二微带线(22)特征阻抗为

物理长度为λ/4；

所述第三微带线(13)、第四微带线(14)、第十三微带线(23)、第十四微带线(24)的特征阻抗为Z0，物理长度λ/4；

所述第五微带线(15)、第六微带线(16)、第七微带线(17)、第八微带线(18)、第十五微带线(25)、第十六微带线(26)、第十七微带线(27)、第十八微带线(28)的特征阻抗为3*Z0，物理长度λ/24。

实施例2：

如图3-7所示，以工作频率f在2.45GHz为例，第一3dB反射型移相器第一微带线(11)和第二微带线(12)的长度为21.7mm，宽度为3.71mm；第三微带线和第四微带线的长度为21.7mm，宽度为2.23mm；第五微带线、第六微带线、第七微带线、第八微带线的长度为4mm，宽度为0.1mm。第二3dB反射型移相器中的第十一微带线和第十二微带线的长度为21.7mm，宽度为3.71mm；第十三微带线和第十四微带线的长度为21.7mm，宽度为2.23mm；第十五微带线、第十六微带线、第十七微带线、第十八微带线的长度为4mm，宽度为0.1mm。两段级联传输线中的第九微带线和第十微带线的21.7mm，宽度为2.23mm；变容二极管D1、D2、D3、D4的型号为SMV1245。射频信号的输入输出端口微带线P1、P2、P3、P4的长度都为21.7mm，宽度为1.67m，正常工作时，微波信号从微带线P1的上端输入，从微带线P2、微带线P3和微带线P4输出。

正交功分器的结构图如图3所示，令，Z₀＝50Ω，θ₀＝π/2，θ₁+θ₂＝π，且当θ₁＝θ₂＝π/2时该混合网络等效于普通的3dB正交功分器，将特征阻抗Z₀化为归一化形式，并采用奇偶模分析法对该结构进行详细分析。

令P1端口输入幅值为V的激励波，将图3的混合网络结构沿着虚线作中心对称分解，得到对应的奇偶模等效电路，可利用[ABCD]矩阵推算出各个端口接收的激励波幅值，再与P1端口的幅值相比得到对应的S参数，图4为图3分解后的等效电路，其中Γ_e、T_e、Γ_o、T_o分别为偶模和奇模激励下的反射系数和传输系数，可采用[ABCD]矩阵等效变换理论推导这四个系数，针对偶模等效电路，可将偶模激励下二端口网络的等效[ABCD]矩阵相乘，得到偶模等效电路的[ABCD]矩阵为：

其中

且由于θ₁+θ₂＝π，所以

和

所以

则(1.1)可以化简为：

将偶模激励下的[ABCD]矩阵系数转换为反射系数和传输系数，可得：

同理，对于奇模情况下，令

并将θ₂用θ₁替换的

因此奇模等效电路的[ABCD]矩阵为：

化简后，并代入Y_o1和Y_o2可得：

将奇模激励下的[ABCD]矩阵系数转化为反射系数和传输系数后得到：

由于四端口混合网络等效电路具有线性、互易性特点，可利用叠加原理推算出该互补型混合网络的S参数分别为：

S₁₁＝(Γ_e+Γ_o)/2＝0 (1.9)

S₄₁＝(T_e+T_o)/2＝0 (1.12)

其中，|S₂₁|²+|S₃₁|²＝1。且从S₃₁和S₂₁的解析式可以看出：随着θ₁的变化，输出信号的分配比和相位差S₃₁-S₂₁将发生改变。

最后，采用厚度为0.787mm的RT/duroid5870作为介质基板，利用ADS软件对该互补型混合网络中θ₁所对应的微带传输线物理长度L1在0～45mm范围内进行扫描仿真，其中特征阻抗Z₀＝50Ω，电长度θ₀＝π/2的微带线宽度和长度分别为：W₀＝2.23mm，L₀＝21.7mm，同时保持θ₂所对应微带线长度L2＝43.4mm-L1(保证θ₁+θ₂＝π)。

互补型混合网络的仿真结果如下图5所示。可以看出，输出端P2和P3的功率比和相位差都由θ₁所确定，可通过调节两段横向传输线的相位差θ₁-θ₂实现分配比和相位差可重构。同时，该混合网络不需要通过改变特征阻抗比来实现功率分配比可重构，只需改变电长度即可。在此基础上，根据正交功分器横向传输线的特征阻抗，可以利用含变容二极管(SMV1245)的反射型可调移相器对两段横向传输线进行等效替代。通过调节可调移相器的偏置电压实现该互补型功分器的分配比和相位同时可调，最终的版图结构如图2所示。

采用ADS软件对版图进行S参数扫描仿真，选取工作频率点为2.45GHz，且V1和V2为变容二极管的外加偏置电压，由于互补型混合网络的横向传输线相位变化必须等值反向。因此，对于图2所示的基于反射型移相器的互补型可重构功分器，可令V2＝12-V1，对V1在0～12V范围内进行S参数仿真扫描，可得如图6所示的仿真结果。其中S21和S31分别代表端口P2和端口P3的输出功率，S11代表功分器的回波损耗，S23代表P2，P3端口间的隔离度，S31-S21分别代表两输出端口的功率分配比和相位差。

从图5中可看出，当偏置电压V1在0～12V范围内时，反射型可重构功分器的相位差在-28.1～147.8°范围内可调，且隔离度和回波损耗均优于20dB，同时实现了输出端口间的功率分配比在-5.9～0dB范围内可调。另外，分别在V1＝0V和V1＝12V时，对该器件在1～4GHz的范围内扫描仿真，可以得到该器件随频率变化的S参数，如图7所示，在2.45GHz频点附近的隔离度和回波损耗均优于20dB。所以基于反射型移相器的互补型可重构功分器实现了分配比和相位差同时可调的功能，且关键参数均满足实际工作要求。

综合上述分析与仿真，基于反射型移相器的互补型可重构功分器，既可以实现分配路数在-5.9～0dB范围内可调，也可以同时实现相位差在一定范围内可调，这种多功能可重构功分器应用更广泛且更利于射频系统的集成化、小型化和智能化设计。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于反射型移相器的互补型可重构功分器，其特征在于：包括金属接地板(5)和介质基板(6)，所述介质基板设置在金属接地板上，还包括设置在介质基板上的第一3dB反射型移相器(1)、第二3dB反射型移相器(2)、第一级联传输线(3)和第二级联传输线(4)；所述第一3dB反射型移相器包括第一正交功分器、第一T型移相器和第二T型移相器，所述第一3dB反射型移相器分别与第一级联传输线、第二级联传输线连接，所述第二3dB反射型移相器包括第二正交功分器和第三T型移相器和第四T型移相器，所述第二3dB反射型移相器分别与第一级联传输线和第二级联传输线连接；

其中第一正交功分器包括第一微带线(11)、第二微带线(12)、第三微带线(13)和第四微带线(14)，第一微带线的两端分别与第三微带线的上端、第四微带线的上端连接，第二微带线的两端分别与第三微带线的下端、第四微带线的下端连接，第一微带线的右端还与射频信号输出端口微带线P4的下端连接，第二微带线的右端还与射频信号输出端口微带线P3的上端连接，第一微带线的左端和右端分别还与第一T型移相器和第一级联传输线(3)连接，第二微带线的左端和右端分别还与第二T型移相器和第二级联传输线(4)连接；其中第一T型移相器包括第五微带线(15)、第六微带线(16)、第一变容二极管(D1)，所述第一变容二极管的正极分别与第五微带线的左端、第六微带线的右端连接，第五微带线的右端与第一微带线左端连接，第六微带线左端开路；所述第二T型移相器包括第七微带线(17)、第八微带线(18)、第二变容二极管(D2)，其中第二变容二极管的正极分别与第七微带线的左端、第八微带线的右端连接，第七微带线的右端与第二微带线左端连接，第八微带线左端开路；

所述第二正交功分器包括第十一微带线(21)、第十二微带线(22)、第十三微带线(23)和第十四微带线(24)，第十一微带线的两端分别与第十三微带线的上端、第十四微带线的上端连接，第十二微带线的两端分别与第十三微带线的下端、第十四微带线的下端连接，第十一微带线的左端还与射频信号输入端口微带线P1的下端连接，第十二微带线的左端还与射频信号输出端口微带线P2的上端连接，第十一微带线的右端和左端分别还与第三T型移相器和第一级联传输线(3)连接，第十二微带线的右端和左端分别还与第四T型移相器和第二级联传输线(4)连接；所述第三T型移相器包括第十五微带线(25)、第十六微带线(26)、第三变容二极管(D3)，其中第三变容二极管的正极分别与第十五微带线的右端、第十六微带线的左端连接，第十五微带线的左端与第十一微带线右端连接，第十六微带线右端开路；所述第四T型移相器包括第十七微带线(27)、第十八微带线(28)、第四变容二极管(D4)，其中第四变容二极管的正极分别与第十七微带线的右端、第十八微带线的左端连接，第十七微带线的左端与第十二微带线右端连接，第十八微带线右端开路；

所述变容二极管D1、D2的两端分别施加反向直流偏置电压V1；

在所述变容二极管D3、D4的两端分别施加反向直流偏置电压V2；

所述变容二极管的反向直流偏置电压V1、V2应满足：V1+V2＝12V；

其中：V1、V2的最大电压Vmax＝12V，最小电压Vmin＝0V。

2.根据权利要求1所述的一种基于反射型移相器的互补型可重构功分器，其特征在于，所述第一级联传输线(3)包括第九微带线，其中第九微带线的左端分别与第一3dB反射型移相器的第一微带线、射频信号输出端口微带线P4相连，第九微带线的右端分别与第二3dB反射型移相器中的第十一微带线、射频信号输入端口微带线P1相连。

3.根据权利要求2所述的一种基于反射型移相器的互补型可重构功分器，其特征在于，所述第二级联传输线(4)包括第十微带线，其中第十微带线的左端分别与第一3dB反射型移相器的第二微带线、射频信号输出端口微带线P3相连，第十微带线的右端分别与第二3dB反射型移相器中的第十二微带线、射频信号输出端口微带线P2相连。

4.根据权利要求3所述的一种基于反射型移相器的互补型可重构功分器，其特征在于，所述射频信号输入端口微带线P1、射频信号输出端口微带线P2、射频信号输出端口微带线P3、射频信号输出端口微带线P4的特征阻抗为

物理长度为λ/4；

所述第一微带线(11)、第二微带线(12)、第十一微带线(21)和第十二微带线(22)特征阻抗为

物理长度为λ/4；

所述第三微带线(13)、第四微带线(14)、第十三微带线(23)、第十四微带线(24)的特征阻抗为Z0，物理长度λ/4；

所述第五微带线(15)、第六微带线(16)、第七微带线(17)、第八微带线(18)、第十五微带线(25)、第十六微带线(26)、第十七微带线(27)、第十八微带线(28)的特征阻抗为3*Z0，物理长度λ/24。

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