CN112865716B - 一种基于多阶梯枝节匹配网络的宽频高效率功率器件 - Google Patents

一种基于多阶梯枝节匹配网络的宽频高效率功率器件 Download PDF

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CN112865716B CN202011623552.XA CN202011623552A CN112865716B CN 112865716 B CN112865716 B CN 112865716B CN 202011623552 A CN202011623552 A CN 202011623552A CN 112865716 B CN112865716 B CN 112865716B
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Abstract

本发明公开了一种基于多阶梯枝节匹配网络的宽频高效率功率器件，包括信号输入电路、匹配网络和信号输出电路，所述信号输入电路、匹配网络和信号输出电路依次相连接构成供所述微波信号高效率传输到负载中的传输通路，其中，所述信号输入电路、所述信号输出电路均包括一组相互连接的传输导线，分别与微波信号源和负载相连接用于微波信号的输入以及微波信号到负载的输出。本发明在利用三个滤波通道实现四个滤波通道的双频功能，同时减少了器件冗余，降低了制作成本，而且利用三个滤波通道构成的匹配网络避免了空间耦合隔离，有效的减小了空间冗余，维持了整体器件的尺寸尽可能小的原则，从而进一步降低制作成本。

Description

一种基于多阶梯枝节匹配网络的宽频高效率功率器件
技术领域
本发明涉及微波器件技术领域，具体涉及一种基于多阶梯枝节匹配网络的宽频高效率功率器件。
背景技术
从1G到4G，移动通信的核心是人与人之间的通信，个人的通信是移动通信的核心业务。但是5G的通信不仅仅是人的通信，通信从人与人之间通信开始转向人与物的通信，直至机器与机器的通信。5G移动时代距离我们越来越近，因此通信系统需要具有高速率和低时延的特点，这是对收发系统的又一次挑战。而功率放大器作为发射机不可缺少的一部分，其工作带宽以及效率和增益等指标对于整个系统的性能指标至关重要，因此设计宽频和高效率的功率放大受到了社会的广泛关注。
专利CN201410348690.X公开了一种使用多枝节线加载匹配网络的双频双工器，使用微带线结构进行实现，以印刷电路板的方式制作在双面覆铜微带板上，包括信号输入馈线端口port1、信号输出馈线端口port2及port3、四个通道滤波器和多枝节线加载匹配网络，该匹配网络由两条短路传输线和两条开路传输线构成。使用多枝节线加载匹配网络的双频双工器，能够在任一组谐振器工作时，另一组谐振器均处于开路状态，提高了通道之间的抑制效果，虽然CN201410348690.X能够实现双频双工的工作模式，但是仍存在一定的缺陷，将双频双工通过空间进行耦合隔离，虽然起到了频率隔离作用，但是导致器件结构尺寸增大，变相提高了制作成本，而且采用结构相同的对称四通道设计满足双频功能，存在结构冗余，进一步提高了制作成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于多阶梯枝节匹配网络的宽频高效率功率器件，以解决现有技术中通过空间进行耦合隔离，导致器件结构尺寸增大，并且结构相同的对称四通道设计满足双频功能，存在结构冗余，提高了制作成本的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明具体提供下述技术方案：
一种基于多阶梯枝节匹配网络的宽频高效率功率器件，包括信号输入电路、匹配网络和信号输出电路，所述信号输入电路、匹配网络和信号输出电路依次相连接构成供微波信号高效率传输到负载中的传输通路，其中，
所述信号输入电路、所述信号输出电路均包括一组相互连接的传输导线，分别与微波信号源和负载相连接用于微波信号的输入以及微波信号到负载的输出，所述匹配网络包括一组谐振电路，用于匹配阻抗以减少微波信号的传输反射实现微波信号源到负载的最大效率传输。
作为本发明的一种优选方案，所述信号输入电路包括第一输入线、第二输入线、第三输入线和第四输入线，所述第一输入线的一端部与所述微波信号源相连接，所述第一输入线的另一端部均分别与第二输入线、第三输入线和第四输入线的一端部相连接，所述第二输入线和第三输入线呈并联排布，所述第四输入线的另一端部与第一地线相连接。
作为本发明的一种优选方案，所述信号输出电路包括第一输出线、第二输出线、第三输出线和第四输出线，所述第一输出线的一端部与所述负载相连接，所述第一输出线的另一端部与所述第二输出线、第三输出线和第四输出线，所述第二输出线、第三输出线呈并联排布，所述第四输出线的另一端部与第二地线相连接。
作为本发明的一种优选方案，所述匹配网络包括第一谐振电路和第二谐振电路分别具有独立的频段传输组合以实现微波信号的宽频传输，所述第一谐振电路的输入端、输出端分别与所述第二输入线的另一端部、所述第二输出线的另一端部相连接，所述第二谐振电路的输入端、输出端分别与所述第三输入线的另一端部、第三输出线的另一端部相连接。
作为本发明的一种优选方案，所述第一谐振电路包括第一滤波通道和第二滤波通道，所述第二谐振电路包括所述第二滤波通道和第三滤波通道，所述第一滤波通道从输入端到输出端依次由一微带线、二微带线、三微带线、四微带线、五微带线和六微带线顺序串联构成，所述第三滤波通道从输入端到输出端依次由七微带线、八微带线、九微带线、十微带线、十一微带线和十二微带线顺序串联构成，所述第二滤波通道从输入端到输出端由十三微带线、十四微带线、十五微带线和十六微带线顺序串联结构与由十九微带线、二十微带线、二十一微带线和二十二微带线顺序串联结构通过十七微带线和十八微带线的顺序串联构成，其中，
所述三微带线和四微带线顺序串联连接处、九微带线和十微带线顺序串联连接处以及十七微带线和十八微带线的顺序串联连接处均与第三地线相连接。
作为本发明的一种优选方案，所述第一滤波通道、第二滤波通道和第三滤波通道呈平行排布，所述第一滤波通道、第三滤波通道分别位于第二滤波通道的上方和下方呈上下对称排布，所述第一滤波通道、第二滤波通道和第三滤波通道沿所述第三地线所在直线呈左右对称结构，其中，
所述一微带线、二微带线和三微带线与所述四微带线、五微带线和六微带线沿所述第三地线所在直线呈对称L型结构，所述七微带线、八微带线和九微带线与十微带线、十一微带线和十二微带线沿所述第三地线所在直线呈对称L型结构，所述十三微带线、十四微带线、十五微带线和十六微带线与由十九微带线、二十微带线、二十一微带线和二十二微带线沿所述第三地线所在直线呈C型结构。
作为本发明的一种优选方案，所述一微带线、六微带线、十三微带线、十六微带线、十九微带线、七微带线以及十二微带线呈平行排布，所述二微带线、五微带线、八微带线、十一微带线、十四微带线、十五微带线、二十微带线以及二十一微带线呈平行排布。
作为本发明的一种优选方案，所述第一地线、第二地线和第三地线均电性连接。
作为本发明的一种优选方案，所述匹配网络与第二输入线、第二输出线、第三输入线和第三输出线共同构成多阶梯枝节匹配网络。
作为本发明的一种优选方案，在所述多阶梯枝节匹配网络中所述第二输入线、第二输出线、第三输入线和第三输出线分别为开路枝节、短路枝节、开路枝节和短路枝节，所述开路枝节、短路枝节、开路枝节和短路枝节相配合用以实现第一谐振电路和第二谐振电路的工作独立性。
本发明与现有技术相比较具有如下有益效果：
本发明在利用三个滤波通道实现四个滤波通道的双频功能，同时减少了器件冗余，降低了制作成本，而且利用三个滤波通道构成的匹配网络避免了空间耦合隔离，有效的减小了空间冗余，维持了整体器件的尺寸尽可能小的原则，从而进一步降低制作成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
图1为本发明实施例提供的宽频高效率功率器件结构框图；
图2为本发明实施例提供的宽频高效率功率器件结构示意图；
图3为本发明实施例提供的宽频高效率功率器件仿真示意图。
图中的标号分别表示如下：
1-信号输入电路；2-匹配网络；3-信号输出电路；4-第一地线；5-第一滤波通道；6-第二滤波通道；7-第三滤波通道；8-第二地线；9-第三地线；
101-第一输入线；102-第二输入线；103-第三输入线；104-第四输入线；
201-第一谐振电路；202-第二谐振电路；
301-第一输出线；302-第二输出线；303-第三输出线；304-第四输出线；
501-一微带线；502-二微带线；503-三微带线；504-四微带线；505-五微带线；506-六微带线；
601-十三微带线；602-十四微带线；603-十五微带线；604-十六微带线；605-十九微带线；606-二十微带线；607-二十一微带线；608-二十二微带线；609-十七微带线；610-十八微带线；
701-七微带线；702-八微带线；703-九微带线；704-十微带线；705-十一微带线；706-十二微带线。
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。
如图1和2所示，本发明提供了一种基于多阶梯枝节匹配网络的宽频高效率功率器件，包括信号输入电路1、匹配网络2和信号输出电路3，信号输入电路1、匹配网络2和信号输出电路3依次相连接构成供微波信号高效率传输到负载中的传输通路，其中，
信号输入电路1、信号输出电路3均包括一组相互连接的传输导线，分别与微波信号源和负载相连接用于微波信号的输入以及微波信号到负载的输出，匹配网络2包括一组谐振电路，用于匹配阻抗以减少微波信号的传输反射实现微波信号源到负载的最大效率传输。
匹配网络2是又指阻抗匹配，主要用于传输导线，以此达到所有高频的微波信号能传递至负载点的目的，减少信号的反射，从而提升能源效益。信号源内阻与所接传输线的特性阻抗大小相等且相位相同，或传输线的特性阻抗与所接负载阻抗的大小相等且相位相同，分别称为传输线的输入端或输出端处于阻抗匹配状态，简称为阻抗匹配；否则，便称为阻抗失配。即通过匹配网络2，可以避免信号反射，最大化能量传输。
信号输入电路1包括第一输入线101、第二输入线102、第三输入线103和第四输入线104，第一输入线101的一端部与微波信号源相连接，第一输入线101的另一端部均分别与第二输入线102、第三输入线103和第四输入线104的一端部相连接，第二输入线102和第三输入线103呈并联排布，第四输入线104的另一端部与第一地线4相连接。
信号输出电路3包括第一输出线301、第二输出线302、第三输出线303和第四输出线304，第一输出线301的一端部与负载相连接，第一输出线301的另一端部与第二输出线302、第三输出线303和第四输出线304，第二输出线302、第三输出线303呈并联排布，第四输出线304的另一端部与第二地线8相连接。
其中，第一输入线101、第二输入线102、第三输入线103和第四输入线104构成以及第一输出线301、第二输出线302、第三输出线303和第四输出线304均采用微带线或其他具有相同性质的线体。
匹配网络2包括第一谐振电路201和第二谐振电路202分别具有独立的频段传输组合以实现微波信号的宽频传输，第一谐振电路201的输入端、输出端分别与第二输入线102的另一端部、第二输出线302的另一端部相连接，第二谐振电路202的输入端、输出端分别与第三输入线103的另一端部、第三输出线303的另一端部相连接。
第一谐振电路201包括第一滤波通道5和第二滤波通道6，第二谐振电路202包括第二滤波通道6和第三滤波通道7，第一滤波通道5从输入端到输出端依次由一微带线501、二微带线502、三微带线503、四微带线504、五微带线505和六微带线506顺序串联构成，第三滤波通道7从输入端到输出端依次由七微带线701、八微带线702、九微带线703、十微带线704、十一微带线705和十二微带线706顺序串联构成，第二滤波通道6从输入端到输出端由十三微带线601、十四微带线602、十五微带线603和十六微带线604顺序串联结构与由十九微带线605、二十微带线606、二十一微带线607和二十二微带线608顺序串联结构通过十七微带线609和十八微带线610的顺序串联构成，其中，
三微带线503和四微带线504顺序串联连接处、九微带线703和十微带线704顺序串联连接处以及十七微带线609和十八微带线610的顺序串联连接处均与第三地线9相连接。
将第二滤波通道6设置为第一谐振电路201和第二谐振电路202的共用结构，既能够满足第一谐振电路201和第二谐振电路202的频段传输功能，同时又能够将原本需要四个滤波通道实现的匹配网络2用三个滤波通道加以实现，从而可以省去一个滤波通道进而降低器件生产成本。
第一滤波通道5、第二滤波通道6和第三滤波通道7呈平行排布，第一滤波通道5、第三滤波通道7分别位于第二滤波通道6的上方和下方呈上下对称排布，第一滤波通道5、第二滤波通道6和第三滤波通道7沿第三地线9所在直线呈左右对称结构，其中，
一微带线501、二微带线502和三微带线503与四微带线504、五微带线505和六微带线506沿第三地线9所在直线呈对称L型结构，七微带线701、八微带线702和九微带线703与十微带线704、十一微带线705和十二微带线706沿第三地线9所在直线呈对称L型结构，十三微带线601、十四微带线602、十五微带线603和十六微带线604与由十九微带线605、二十微带线606、二十一微带线607和二十二微带线608沿第三地线9所在直线呈C型结构。
一微带线501、六微带线506、十三微带线601、十六微带线604、十九微带线605、七微带线701以及十二微带线706呈平行排布，二微带线502、五微带线505、八微带线702、十一微带线705、十四微带线602、十五微带线603、二十微带线606以及二十一微带线607呈平行排布。
第一地线4、第二地线8和第三地线9均电性连接。
匹配网络2与第二输入线102、第二输出线302、第三输入线103和第三输出线303共同构成多阶梯枝节匹配网络。
在多阶梯枝节匹配网络中第二输入线102、第二输出线302、第三输入线103和第三输出线303分别为开路枝节、短路枝节、开路枝节和短路枝节，开路枝节、短路枝节、开路枝节和短路枝节相配合用以实现第一谐振电路201和第二谐振电路202的工作独立性。
具体的，在第一谐振电路201工作时，第二输入线102、第二输出线302处于通路状态，第三输入线103和第三输出线303处于开路状态和短路状态，此时第一滤波通道5和第二滤波通道6相配合独立实现第一频段传输功能，在第二谐振电路202工作时，第三输入线103、第三输出线303处于通路状态，第二输入线102和第二输出线302处于开路状态和短路状态，此时第二滤波通道6和第三滤波通道7相配合独立实现第二频段传输功能，可有效的实现第一频段传输和第二频段传输的隔离性，避免相互干扰，影响整体器件传输性能，进而提高传输精度。
在设计多阶梯枝节匹配网络时，需要计算出开路枝节、短路枝节、开路枝节和短路枝节的具体电长度和导纳，计算公式如下：
YiA＝1/ZiA
式中，YiA为开路和短路枝节的输入导纳；ZiA为开路和短路枝节的特征阻抗；
利用低阻带中的一个传输零点和高阻带中的一个传输零点，进一步将YiA＝1/ZiA变形获得YiA＝1/ZiA＝jYitanθi-jYicotθi＝0；
带入本实施例的三个滤波通道和第二输入线102、第二输出线302、第三输入线103和第三输出线303，同时增加了调谐的自由度，可以在满足上式的基础上同时将各个滤波通道频点处的阻抗调节到高效率区域，使得整个器件获得高的效率和增益获得具体计算公式：
jYin2tan(m2*θin2)-jYout2cot(m2*θout2)＝0；
jYin2tan(m3*θin2)-jYout2cot(m3*θout2)＝0；
jYin3tan(m2*θin3)-jYout3cot(m2*θout3)＝0；
jYin3tan(m3*θin3)-jYout3cot(m3*θout3)＝0；
式中，Yin2、Yout2、Yin3、Yout3分别为第二输入线102、第二输出线302、第三输入线103和第三输出线303的导纳，θin2、θout2、θin3、θout3分别为第二输入线102、第二输出线302、第三输入线103和第三输出线303的电长度，m2＝第二滤波通道6中心频率/第一滤波通道5中心频率；m3＝第三滤波通道7中心频率/第二滤波通道6中心频率。
以第一滤波通道5、第二滤波通道6和第三滤波通道7的滤波频段分别为2.3GHz、3.5GHz和4.9GHz为例，Yin2、Yout2、Yin3、Yout3依次为：0.029,0.007，0.022，0.007；θin2、θout2、θin3、θout3依次为：59°，59°，68°，68°。
本实施例的仿真数据如图3所示，横轴表示信号频率，纵轴表示幅度，在三个滤波通带中，从2—5GHz的频率范围看，满足第一谐振电路和第二谐振电路的隔离度要求。另外，该器件的每个通带两侧都能产生数个传输零点，大大提高了带外抑制性。
本发明在利用三个滤波通道实现四个滤波通道的双频功能，同时减少了器件冗余，降低了制作成本，而且利用三个滤波通道构成的匹配网络2避免了空间耦合隔离，有效的减小了空间冗余，维持了整体器件的尺寸尽可能小的原则，从而进一步降低制作成本。
以上实施例仅为本申请的示例性实施例，不用于限制本申请，本申请的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本申请的实质和保护范围内，对本申请做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本申请的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于多阶梯枝节匹配网络的宽频高效率功率器件，其特征在于：包括信号输入电路(1)、匹配网络(2)和信号输出电路(3)，所述信号输入电路(1)、匹配网络(2)和信号输出电路(3)依次相连接构成供微波信号高效率传输到负载中的传输通路，其中，
所述信号输入电路(1)、所述信号输出电路(3)均包括一组相互连接的传输导线，分别与微波信号源和负载相连接用于微波信号的输入以及微波信号到负载的输出，所述匹配网络(2)包括一组谐振电路，用于匹配阻抗以减少微波信号的传输反射实现微波信号源到负载的最大效率传输；
匹配网络(2)包括第一谐振电路(201)和第二谐振电路(202)分别具有独立的频段传输组合以实现微波信号的宽频传输，第一谐振电路(201)的输入端、输出端分别与第二输入线(102)的另一端部、第二输出线(302)的另一端部相连接，第二谐振电路(202)的输入端、输出端分别与第三输入线(103)的另一端部、第三输出线(303)的另一端部相连接；
第一谐振电路(201)包括第一滤波通道(5)和第二滤波通道(6)，第二谐振电路(202)包括第二滤波通道(6)和第三滤波通道(7)，第一滤波通道(5)从输入端到输出端依次由一微带线(501)、二微带线(502)、三微带线(503)、四微带线(504)、五微带线(505)和六微带线(506)顺序串联构成，第三滤波通道(7)从输入端到输出端依次由七微带线(701)、八微带线(702)、九微带线(703)、十微带线(704)、十一微带线(705)和十二微带线(706)顺序串联构成，第二滤波通道(6)从输入端到输出端由十三微带线(601)、十四微带线(602)、十五微带线(603)和十六微带线(604)顺序串联结构与由十九微带线(605)、二十微带线(606)、二十一微带线(607)和二十二微带线(608)顺序串联结构通过十七微带线(609)和十八微带线(610)的顺序串联构成，其中，
三微带线(503)和四微带线(504)顺序串联连接处、九微带线(703)和十微带线(704)顺序串联连接处以及十七微带线(609)和十八微带线(610)的顺序串联连接处均与第三地线(9)相连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于多阶梯枝节匹配网络的宽频高效率功率器件，其特征在于：所述信号输入电路(1)包括第一输入线(101)、第二输入线(102)、第三输入线(103)和第四输入线(104)，所述第一输入线(101)的一端部与所述微波信号源相连接，所述第一输入线(101)的另一端部均分别与第二输入线(102)、第三输入线(103)和第四输入线(104)的一端部相连接，所述第二输入线(102)和第三输入线(103)呈并联排布，所述第四输入线(104)的另一端部与第一地线(4)相连接。
3.根据权利要求2所述的一种基于多阶梯枝节匹配网络的宽频高效率功率器件，其特征在于：所述信号输出电路(3)包括第一输出线(301)、第二输出线(302)、第三输出线(303)和第四输出线(304)，所述第一输出线(301)的一端部与所述负载相连接，所述第一输出线(301)的另一端部均分别与所述第二输出线(302)、第三输出线(303)和第四输出线(304)的一端部相连接，所述第二输出线(302)、第三输出线(303)呈并联排布，所述第四输出线(304)的另一端部与第二地线(8)相连接。
4.根据权利要求3所述的一种基于多阶梯枝节匹配网络的宽频高效率功率器件，其特征在于：所述第一滤波通道(5)、第二滤波通道(6)和第三滤波通道(7)呈平行排布，所述第一滤波通道(5)、第三滤波通道(7)分别位于第二滤波通道(6)的上方和下方呈上下对称排布，所述第一滤波通道(5)、第二滤波通道(6)和第三滤波通道(7)沿所述第三地线(9)所在直线呈左右对称结构，其中，
所述一微带线(501)、二微带线(502)和三微带线(503)与所述四微带线(504)、五微带线(505)和六微带线(506)沿所述第三地线(9)所在直线呈对称L型结构，所述七微带线(701)、八微带线(702)和九微带线(703)与十微带线(704)、十一微带线(705)和十二微带线(706)沿所述第三地线(9)所在直线呈对称L型结构，所述十三微带线(601)、十四微带线(602)、十五微带线(603)和十六微带线(604)与由十九微带线(605)、二十微带线(606)、二十一微带线(607)和二十二微带线(608)沿所述第三地线(9)所在直线呈C型结构。
5.根据权利要求4所述的一种基于多阶梯枝节匹配网络的宽频高效率功率器件，其特征在于，所述一微带线(501)、六微带线(506)、十三微带线(601)、十六微带线(604)、十九微带线(605)、七微带线(701)以及十二微带线(706)呈平行排布，所述二微带线(502)、五微带线(505)、八微带线(702)、十一微带线(705)、十四微带线(602)、十五微带线(603)、二十微带线(606)以及二十一微带线(607)呈平行排布。
6.根据权利要求5所述的一种基于多阶梯枝节匹配网络的宽频高效率功率器件，其特征在于，所述第一地线(4)、第二地线(8)和第三地线(9)均电性连接。
7.根据权利要求6所述的一种基于多阶梯枝节匹配网络的宽频高效率功率器件，其特征在于，所述匹配网络(2)与第二输入线(102)、第二输出线(302)、第三输入线(103)和第三输出线(303)共同构成多阶梯枝节匹配网络。
8.根据权利要求7所述的一种基于多阶梯枝节匹配网络的宽频高效率功率器件，其特征在于，在所述多阶梯枝节匹配网络中所述第二输入线(102)、第二输出线(302)、第三输入线(103)和第三输出线(303)分别为开路枝节、短路枝节、开路枝节和短路枝节，所述开路枝节、短路枝节、开路枝节和短路枝节相配合用以实现第一谐振电路(201)和第二谐振电路(202)的工作独立性。
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