CN112886172B - 一种功分路数可重构的多路功分器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种功分路数可重构的多路功分器，包括金属微带层、介质基板和金属接地板，所述金属微带层设置在介质基板上表面，金属接地板设置在介质基板下表面。本发明涉及的多路可重构功分器包括：信号输入端、单刀多掷开关、并行λ/4阻抗变换器、输出传输支路、星型隔离网络和信号输出端。本发明涉及的多路可重构功分器，通过切换单刀多掷开关，选择不同的传输路径，实现了功分路数可重构，并且保证所述的可重构功分器具有高隔离、良好的端口匹配以及幅相一致性。本发明旨在提高电路性能和集成度，降低设备设计和制造成本，实现通信设备小型化，适用于小型化多路功率合成系统，在可重构技术的微波通信系统中具有广阔的应用前景。

Description

一种功分路数可重构的多路功分器
技术领域
本发明涉及一种功分路数可重构的多路功分器。
背景技术
功分器也称为功率分配器，是一种常见的微波多端口器件，主要用于信号功率分配和合成，广泛应用于混频器、放大器等器件以及相控雷达等无线通信系统中。目前常用的功分器类型主要有T型功分器、Wilkinson功分器以及Gysel功分器等。近年来，随着无线通信系统的飞速发展，人们不仅要求通信系统具有大容量高速率低延迟等特点，同时对于通信系统的小型化、低功耗、多功能等需求也日益增加，而传统通信系统结构复杂、功能单一显然已经不能满足人们的需求。为了降低生产成本和系统功耗、提高电路系统集成度、实现多功能，设计研究可以工作在多个工作频段，或者具备多项功能的微波器件或系统已成为目前一大研究热点。而可重构微波器件可以用一个器件解决多个器件才能解决的问题，能实现小型化、多功能集成化。因此，微波器件的可重构已经成为一种发展趋势。功分器是微波通信系统中最为常见的器件之一，功分路数可重构功分器的需求也越来越高。例如，在天线阵列中，通过路数可重构功分器选择和组合不同的天线，从而获得可重构波束形成。在功率放大器中，通过组合不同路数，可以实现输出功率宽范围可调。因而，对于功分路数可重构功分器的研究是十分有意义的。
发明内容
本发明的目的是提供一种功分路数可重构的多路功分器，能实现功分路数可重构，同时具有高隔离、良好的端口匹配以及幅相一致性，适用于小型化多路功率合成系统。
为了实现上述目的，本发明提出了一种基于并行λ/4阻抗变换器的功分路数可重构的多路功分器。其具体技术方案如下：
一种功分路数可重构的多路功分器，包括金属微带层、介质基板和金属接地板，所述金属微带层设置在介质基板上表面，金属接地板设置在介质基板下表面；其特征在于，本发明涉及的多路可重构功分器包括：信号输入端、单刀多掷开关、并行λ/4阻抗变换器、输出传输支路、星型隔离网络和信号输出端；并行λ/4阻抗变换器通过单刀多掷开关与信号输入端和输出传输支路进行连接；并行λ/4阻抗变换器由N个λ/4阻抗变换器并联而成，第n(n＝1,2,3,…,N)个λ/4阻抗变换器对应了满足n路功分器匹配要求的特性阻抗，从而满足不同路数功分器的匹配需求；星型隔离网络通过单刀单掷开关与输出传输支路和信号输出端进行连接；星型隔离网络包括隔离电阻、单刀单掷开关和零相移线，零相移线包括两根传输线和一个电容，其作用是使得连接相邻隔离电阻之间的传输线电长度为0。所述的功分路数可重构的多路功分器通过切换单刀多掷开关选择对应的λ/4阻抗变换器和功分支路，实现了功分路数可重构，由于引入了星型隔离网络，所述功分路数可重构的多路功分器具有高隔离的性能。
本发明提出的功分路数可重构的多路功分器的工作原理如下：平衡激励时，微波信号从信号输入端口馈入后传输到并行λ/4阻抗变换器。所述的并行λ/4阻抗变换器，通过单刀多掷开关，与信号输入端和输出传输支路进行连接，并行λ/4阻抗变换器由N个λ/4阻抗变换器并联而成，第n(n＝1,2,3,…,N)个λ/4阻抗变换器对应了满足n路功分器匹配要求的特性阻抗，切换单刀多掷开关，选择具有不同特性阻抗的λ/4阻抗变换器，以满足不同路数功分器的匹配需求，从而实现功分路数的可重构。所述的单个λ/4阻抗变换器的特性阻抗为：
Figure GDA0003280979950000021
其中，Z0表示输入输出阻抗，n＝1,2,3,…,N，表示功分路数。微波信号通过指定的λ/4阻抗变换器和对应的传输支路，最后传输至输出端上，实现不同功分路数的等功率分配的功能，即多路可重构功分器。为了使所述的多路可重构功分器同时具有高隔离、良好的端口匹配以及幅相一致性，引入了星型隔离网络；所述星型隔离网络包括隔离电阻、单刀单掷开关和零相移线；其中，所述的零相移线包括两根传输线和一个电容，其作用是使得连接相邻隔离电阻之间的传输线电长度为0。通过控制单刀单掷开关的通断，选择需要的隔离电阻和零相移线，使用零相移线将相邻隔离电阻进行连接，构建出一个等效公共点，实现各输出端口间的高隔离度，并且提供了良好的端口匹配以及幅相一致性。
本发明提出的功分路数可重构的多路功分器主要分为匹配部分和功分部分。匹配部分由并行λ/4阻抗变换器实现，通过切换单刀多掷开关，选择具有不同特性阻抗的λ/4阻抗变换器，实现功分路数的可重构，同时保证了输入输出端口具有良好的匹配特性；功分部分主要包括输出传输支路和星型隔离网络，通过控制单刀单掷开关的通断，选择对应的输出传输支路和输出端口，实现不同功分路数的等功率分配的功能，同时星型隔离网络的引入，保证了所述的多路可重构功分器同时具有高隔离、良好的端口匹配以及幅相一致性。本发明提出的一种功分路数可重构的多路功分器，能实现功分路数可重构，同时具有高隔离、良好的端口匹配以及幅相一致性，在小型化多路功率合成系统中有很大的应用前景。
附图说明
图1是本发明提出的功分路数可重构的多路功分器原理图；
图2是具体实施实例的具有高隔离的六路可重构功分器的正面视图；
图3是具体实施实例的具有高隔离的六路可重构功分器的背面视图；
图4是具体实施实例的六路可重构功分器正面视图中(3)处的细节放大图；
图5是具体实施实例的六路可重构功分器正面视图中(4)处的细节放大图；
图6是具体实施实例的六路可重构功分器正面视图中(19)处的细节放大图；
图7是具体实施实例的六路可重构功分器的一路S参数；
图8是具体实施实例的六路可重构功分器的二路S参数；
图9是具体实施实例的六路可重构功分器的三路S参数；
图10是具体实施实例的六路可重构功分器的四路S参数；
图11是具体实施实例的六路可重构功分器的五路S参数；
图12是具体实施实例的六路可重构功分器的六路S参数；
附图中标识对应名称为：
Port 0：信号输入端，Port 1～6：信号输出端，TL1、TL3～6：传输线，TL2_1～N：并行λ/4阻抗变换器，SPNT1～2：单刀多掷开关，SPST_1～N、SPST_2～N-1、SPST_3～N-1、SPST_4～N-1：单刀单掷开关，R：隔离电阻，C：电容，ZPTL：零相移线，(1)金属微带层，(2)介质基板，(3)(4)(5)PIN二极管，(6)指数型渐变阻抗匹配线，(7)一路λ/4阻抗变换器，(8)二路λ/4阻抗变换器，(9)三路λ/4阻抗变换器，(10)四路λ/4阻抗变换器，(11)五路λ/4阻抗变换器，(12)六路λ/4阻抗变换器，(13)接地线，(14)输出传输支路，(15)零相移线，(16)电容，(17)共面波导，(18)隔离电阻，(19)图6细节放大，(20)金属化通孔，(21)金属接地板。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。
本实施例的功分路数可重构的六路功分器结构如附图2所示，使用损耗角正切为0.0012、厚度为0.38mm的Rogers 6002介质基板实现该电路。单刀多掷开关和单刀单掷开关可以使用PIN二极管来实现。平衡激励时，中心频率为0.8GHz的信号从介质基板上表面的信号输入端Port 0馈入，经输入指数型渐变阻抗匹配线，通过控制PIN二极管的工作状态，使信号进入指定的λ/4阻抗变换器和对应的传输支路，最后传输至信号输出端上，实现六种功分路数的等功率分配的功能，即六路可重构功分器；所述的并行λ/4阻抗变换器采用接地共面波导(GCPW)的结构并进行折叠，相比于采用微带线的结构，在相同的特性阻抗下，GCPW线宽比微带窄，缩短了λ/4阻抗变换器的所需宽度，同时，GCPW两侧通过金属化通孔接地，有效阻止了由于两根微带线之间距离太小信号发生串扰的现象，因此，所述的基于折叠GCPW的结构并行λ/4阻抗变换器，大大减小了所述的具有高隔离的多路可重构功分器的物理尺寸；星型隔离网络通过控制PIN二极管的工作状态，选择需要的隔离电阻和零相移微带线，利用了微带到共面波导(CPW)的过渡结构，先将信号通过金属化通孔从正面微带引入背面CPW，再经过通孔过渡到正面微带，从而优化了隔离网络的布局，同时使用零相移线将相邻隔离电阻进行连接，构建出一个等效公共点，实现各输出端口间的高隔离度，并且提供了良好的端口匹配以及幅相一致性。
图7是本实施例的功分路数可重构的六路功分器的一路S参数仿真曲线。由图可以看出，在0.64GHz-0.86GHz频率(相对带宽27.5％)内，插入损耗平均为0.72dB，输入输出回波损耗均大于15dB，各端口间隔离均大于25dB。插入损耗和回波损耗受PIN二极管影响较大，选择性能好的PIN二极管可大大减小插入损耗同时提高端口匹配。所述的功分路数可重构的六路功分器在一路传输时具有良好的阻抗匹配和传输系数，同时输出端口之间保持高隔离度。
图8是本实施例的功分路数可重构的六路功分器的二路S参数仿真曲线。由图可以看出，在0.57GHz-0.98GHz频率(相对带宽51.3％)内，插入损耗平均为0.74dB，输入输出回波损耗均大于15dB，各端口间隔离均大于20dB。可见，所述的功分路数可重构的六路功分器在二路功分时具有良好的阻抗匹配和传输系数，同时输出端口之间保持高隔离度。
图9是本实施例的功分路数可重构的六路功分器的三路S参数仿真曲线。由图可以看出，在0.58GHz-0.85GHz频率(相对带宽33.8％)内，插入损耗平均为0.77dB，输入输出回波损耗均大于15dB，各端口间隔离均大于20dB。可见，所述的功分路数可重构的六路功分器在三路功分时具有良好的阻抗匹配和传输系数，同时输出端口之间保持高隔离度。
图10是本实施例的功分路数可重构的六路功分器的四路S参数仿真曲线。由图可以看出，在0.62GHz-0.85GHz频率(相对带宽28.8％)内，插入损耗平均为0.82dB，输入输出回波损耗均大于15dB，各端口间隔离均大于20dB。可见，所述的功分路数可重构的六路功分器在四路功分时具有良好的阻抗匹配和传输系数，同时输出端口之间保持高隔离度。
图11是本实施例的功分路数可重构的六路功分器的五路S参数仿真曲线。由图可以看出，在0.65GHz-0.85GHz频率(相对带宽25％)内，插入损耗平均为0.86dB，输入输出回波损耗均大于15dB，各端口间隔离均大于20dB。可见，所述的功分路数可重构的六路功分器在五路功分时具有良好的阻抗匹配和传输系数，同时输出端口之间保持高隔离度。
图12是本实施例的功分路数可重构的六路功分器的六路S参数仿真曲线。由图可以看出，在0.65GHz-0.82GHz频率(相对带宽21.3％)内，插入损耗平均为1dB，输入输出回波损耗均大于15dB，各端口间隔离均大于20dB。可见，所述的功分路数可重构的六路功分器在六路功分时具有良好的阻抗匹配和传输系数，同时输出端口之间保持高隔离度。

Claims (3)

1.一种功分路数可重构的多路功分器，包括金属微带层、介质基板和金属接地板，所述金属微带层设置在介质基板上表面，金属接地板设置在介质基板下表面；其特征在于，本发明涉及的多路可重构功分器包括：信号输入端、单刀多掷开关、并行λ/4阻抗变换器、输出传输支路、星型隔离网络和信号输出端；所述功分路数可重构的多路功分器通过切换单刀多掷开关，实现了多路可重构，并且具有高隔离的性能，并行的所述λ/4阻抗变换器由N个λ/4阻抗变换器并联而成，第n个λ/4阻抗变换器对应了满足n路功分器匹配要求的特性阻抗，从而满足不同路数功分器的匹配需求，所述的星型隔离网络包括，隔离电阻，单刀单掷开关和零相移线，其中，所述的零相移线包括两根传输线和一个电容，其作用是使得连接相邻隔离电阻之间的传输线电长度为0，通过控制单刀单掷开关的通断，选择需要的隔离电阻和零相移线，使用零相移线将相邻隔离电阻进行连接，构建出一个等效公共点，实现各输出端口间的高隔离度。
2.根据权利要求1所述的功分路数可重构的多路功分器，其特征在于：并行λ/4阻抗变换器通过单刀多掷开关与信号输入端和输出传输支路进行连接，切换单刀多掷开关，选择具有不同特性阻抗的λ/4阻抗变换器，以满足不同路数功分器的匹配需求，从而实现功分路数的可重构。
3.根据权利要求1所述的功分路数可重构的多路功分器，其特征在于：平衡激励时，微波信号从信号输入端口馈入后传输到并行λ/4阻抗变换器，再经过传输支路，将信号传输至输出端上，实现等功率分配的功能，切换单刀多掷开关，使信号通过指定的λ/4阻抗变换器和对应的传输支路，实现不同功分路数的功分器，即多路可重构功分器，同时，所述的多路可重构功分器中引入了星型隔离网络，实现了各输出端口之间的高隔离性能。
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