CN113540727A - 频率选择微带分路器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种频率选择微带分路器，隔离度高，信号能量损耗小、易于调试。本发明通过下述技术方案实现：在第一分支微带线和第二分支微带线下方，分别连接有一端悬空，长度为0.25λ1的第一阻抗变换线和第二阻抗变换线，从而构成频率选择微带分路器的等效电路；对应介质波长λ分别为λn的N路射频传输频率信号fn，将调制过的控制信号和直流电流信号，从输入端口进入主路微带线后，顺序到达主路输出端口、第一分支输出端口和第二分支输出端口，设定的射频信号通过所述等效电路主路输出端口输出到终端负载设备R1，调制过的控制信号通过第一分支输出端口输出到终端设备负载R2，直流电流信号通过第二分支输入端口输出到终端负载设备R3。

Description

频率选择微带分路器
技术领域
本发明涉及微波电路技术领域，特别是一种应用于卫星通信系统或卫星导航系统内 部设备的宽频共缆传输技术的频率选择微带分路器。
背景技术
卫星通信系统和卫星导航系统主要由有源天线和收发终端两部分组成，两部分通过 采用各类射频、数字、电源类型等线缆进行链接，但受限于平台的空间和尺寸限制，存在传 输距离近，布线量大、施工复杂、维护不便等问题。宽频共缆传输技术在各类传输技术方式 比较中，既能解决上述问题，又可以保证信号传输质量，降低工程成本和系统重量。
宽频共缆传输技术中的“宽频”是针对传输信号中只能传输一定频率范围内的射频 信号而言的，“共缆”的涵义就是多种信号可以通过“一根电缆”双向传输。因此，凭借宽频共缆传输技术，卫星通信系统和卫星导航系统中的上行高频信号、下行高频信号、电源信号和控制信号等多种信号均通过一根高频电缆传输。宽频共缆传输技术优势如下：(1)布线少、施工简单、工程成本低。传统传输方式中一个监控点传输数据、电源等信号要用多条传输电缆，为了防止信号的幅相受到来自平台(例如飞机、车载等)震动带来的影响，通常用的传输电缆都是稳幅稳相的电缆，因此能够大大减少传输电缆的数量有利于降低成本。(2)保证信号实时稳定。宽频共缆技术采用的FDM(频分复用)和FSK(移频键控)数据调制 技术，已经过多年的实践应用，技术成熟可靠。(3)扩充灵活、维护方便。射频宽带共缆技 术的布线方式采用树型结构，多路信号主要通过一根主同轴射频电缆传输，系统后期需要增 加新设备时，只需将新设备就近接入原有的电缆即可，系统干路无需重新布线，使扩容十分 灵活、维护更加方便。(4)抗干扰能力强。通常干扰信号频率大部分都在传统基带传输方式 的低频段信号内，高频段部分干扰信号少、强度小，假如在射频宽带共缆传输中某一信号频段受到干扰使图像信号质量下降，这时可以改变该信号载波频点方便躲开干扰。
宽频共缆传输技术带来的好处是显而易见的，但所有类型的型号均通过一根高频电 缆传输，信号串扰的情况会比较严重，因此在电路设计中必须要充分考虑多种信号相互串扰 的问题，在出现信号交联和分路的位置要进行特殊的设计。在微带线分路器的设计中，对于 供电的直流信号和射频信号(包括调制成射频的控制信号)的设计比较简单，采用“电容隔 直，电感阻交”的原则，在微带线的分支路上分别通过电容和电感就可以区分供电信号和射 频信号。
对于多种不同频率的射频信号(包括调制成射频频率的控制信号)，传统的微带线分 路器常选用宽频段的微带线功率分配器来实现，例如选用传统的T型节功分电路或者威尔金 森功分电路。但这样的设计存在以下几点问题：(1)由于功率分配电路是将某一输出功率按 一定的比例分配到各分支电路中，因此能量损耗大。1分N路，每一路的理论能量分配损耗 为10*log(1/N)dB，例如要分为两路射频信号，则能量的分配损耗为3dB；如果是分为3 路射频信号，则能量分配损耗为4.7B，依次类推。(2)需要外加滤波器保证带内插损和带外 抑制。为了保证各射频信号间的实现良好的频带内导通、频带外的抑制特性，会在电路中增 加滤波器，有时不得不提高滤波器性能指标或者增加滤波器数量来满足系统的要求。(3)隔 离度和驻波匹配设计。为了保证信号在分路器中定向传输，要尽可能的提升分路器中各路信 号的相互隔离度，同时保证各节点的驻波匹配，减小大功率信号的反射。
面对上述问题，目前工程中常用的设计方式是通过滤波器的数目来保证各信号电路 间的隔离度，同时增加放大电路来补偿电路设计中功率分配和大量滤波器的带内插损造成的 能量损耗，最后在电路中增加多级调试部分来进行驻波调试实现节点的驻波匹配。这样的设 计方式，不仅增大了电路的设计复杂度，降低了可靠性，同时增加了功耗和成本，还需要预 留相应的调试时间，造成了相关从业人员的诸多不便。
发明内容
为克服上述现有的技术缺陷，本发明的目的是提供一种具有结构简单，隔离度高，信号能量损耗小、易于调试，能够应用于宽带共缆传输技术的频率选择微带分路器设计方法。
基于上述目的，本发明提供的技术方案是这样解决的：一种频率选择微带分路器，包括：刻蚀在微带印制板上，通过主路输入端口1到达主路输出端口2的主路微带线5，分 别垂直连接在主路微带线5上到达第一分支输出端口4的第一分支微带线6，位于第一分支 微带线6下方并反向垂直连接在主路微带线5上到达第二分支输出端口3的第二分支微带线7，其特征在于：在第一分支微带线6和第二分支微带线7下方，分别连接有关于主路微带 线5镜像对称平行，一端悬空，长度为0.25λ1的第一阻抗变换线8和第二阻抗变换线9， 从而构成频率选择微带分路器的等效电路；对应介质波长λ分别为λ1，λ2，λ3，λ4，…， λn的N路射频传输频率信号f1，f2，f3，f4，…，fn，将调制过的控制信号和直流电流信号， 从输入端口1进入主路微带线5后，顺序到达主路输出端口2、第一分支输出端口4和第二 分支输出端口3，设定的射频信号通过所述等效电路主路输出端口2输出到终端负载设备 R1内部，调制过的控制信号通过第一分支输出端口4输出到终端设备负载R2内部，直流电 流信号通过第二分支输入端口3输出到终端负载设备R3内部。
本发明技术相比于现有技术具有如下有益效果：
多路射频信号、调制过的控制信号和直流电流信号从微带分路器的主路输入端口1进入分路 器后，分别通过分支微带线到达各分支端口，将一路信号变为几路输出，实现不同类型信号 分配的功能，结构比较简单，实现较容易。除在微带印制板上刻蚀相应的金属走线外，在没 有额外增加其余的电子元器件的情况下就能实现良好的隔离度和驻波效果，同时也没有因为 功率分配电路产生信号能量损耗，设计简单，隔离度高，信号能量损耗小、易于调试，降低 了设计电路的复杂度和调试难度，
附图说明
图1为本发明一种输出为三个端口的频率选择微带分路器电路结构示意图。
图2为图1中所述的微带分路器与传统分路器方案在1.98GHz～2.2GHz的反射系数仿 真对比结果。
图3为图1中所述的微带分路器与传统分路器方案在1.98GHz～2.2GHz的传输系数仿 真对比结果。
图4为图1和图2中所述的微带分路器与传统分路器方案在1.98GHz～2.2GHz的隔离 度仿真对比结果。
图中：1.主路输入端口，2.主路输出端口，3第一分支输出端口，4第二分支输出端口，5.第一段阻抗变换线枝节，6.第二段阻抗变换线开路枝节，
为了便于本领域技术人员对本专利技术方案的理解，同时，为了使本专利的技术目的、技术 方案和有益效果更加清楚，并使权利要求书的保护范围得到充分支持，下面以具体案例的形 式对本专利的技术方案做出进一步的、更详细的说明。
具体实施方式
参阅图1。在以下描述的优选实施例中，一种频率选择微带分路器，包括：刻蚀在微带印制板上，通过主路输入端口1到达主路输出端口2的主路微带线5，分别垂直连接在主路微带线5上到达第一分支输出端口4的第一分支微带线6，位于第一分支微带线6下方并反向垂直连接在主路微带线5上到达第二分支输出端口3的第二分支微带线7。其中：在第一分支微带线6和第二分支微带线7下方，分别连接有关于主路微带线5镜像对称平行，一端悬空，长度为0.25λ1的第一阻抗变换线8和第二阻抗变换线9，从而构成频率选择微带 分路器的等效电路；对应介质波长λ分别为λ1，λ2，λ3，λ4，…，λn的N路射频传输频 率信号f1，f2，f3，f4，…，fn，将调制过的控制信号和直流电流信号，从输入端口1进入主 路微带线5后，顺序到达主路输出端口2、第一分支输出端口4和第二分支输出端口3，设 定的射频信号通过所述等效电路主路输出端口2输出到终端负载设备R1内部，调制过的控 制信号通过第一分支输出端口4输出到终端设备负载R2内部，直流电流信号通过第二分支 输入端口3输出到终端负载设备R3内部。
所有微带传输线的输入特性阻抗和输出特性阻抗均为50欧姆，线宽均按照等效阻抗 为50欧姆设计。
主路微带线5到第一分支输入端口4的距离为L3，到第二分支输入端口3距离为L2。
在可选的实施例中，针对N路射频传输频率信号，等效电路选择N＝3，采用输入信号中包含了1路射频信号、1路调制过的控制信号和1路直流电流信号和设定为 1.98GHz～2.2GHz的射频信号，以c为光速，取中心频率f1为2.14GHz，λ1＝c/f1＝140mm(3 ×1011mm)，3路射频信号从主路输入端口1进入主路微带线5后，到达主路输出端口2、 第一分支输出端口4和第二分支输出端口3，射频信号通过主路输出端口2输出到终端负载 设备R1内部，调制过的控制信号通过第一分支输出端口4输出到终端设备负载R2，直流电 流信号通过第二分支输入端口3输出到终端负载设备R3。
传输的信号中，射频信号的质量关系到设备的性能，为了保证射频信号的传输 过程能量损耗低，反射小，与其它端口间隔离度高，因此在信号通往第一分支输入端口4和 第二分支输入端口3的分支路径上并联的第一阻抗变换线8和第二阻抗变换线9长度设为射频信号的四分之一介质波长0.25λ1，在两段阻抗变换线的共同作用下，选择1.98GHz ～2.2GHz的射频信号频率。
在通往第一分支输入端口4和第二分支输入端口3的交点处等效阻抗均为+∞，射频 信号只能从主路输出端口2输出，不会向第二分支输入端口3和第一分支输入端口4传输。
所述两段阻抗变换线的工作原理如下：
第一分支微带线6和第二分支微带线7下方并联的第一阻抗变换线8和第二阻抗变换线9的 为一端悬空的开路枝节，其阻抗匹配为50Ω，开路端等效阻抗为+∞，射频信号传输到该阻 抗变换线上则全反射。
根据传输线的理论，主路微带线5射频信号经过第一分支微带线6和第二分支微带线7到第一阻抗变换线8和第二阻抗变换线9的交点处的波长为四分之一介质波长(0.25λ1)，交点处的等效阻抗变为0Ω，对射频信号而言可视为短路点，射频信号全反射。
第一阻抗变换线8和第二阻抗变换线9交点处的射频信号经过四分之一介质波长(0.25λ1)后，与主路微带线5信号传输的交点处的等效阻抗又变换为+∞，对射频信号而言，可视为开路端。
参阅图2~图4。本实施例中的微带分路器对比未采用频率选择的微带分路器，反射系数的对比如图3所示，可以看到在1.98GHz~2.2GHz的射频频率范围内，本实例中的微带分路器具有更低的反射系数S11＜-15dB；而传统的微带分路器几乎处于全反射状态，需要额外增加驻波调试电路。传输系数的对比如所示，本实例的微带分路器在1.98GHz~2.2GHz的传输系数S21＞-0.5dB,同时S31和S41均＜-45dB，可见，从输入端口1进入的1.98GHz~2.2GHz的射频信号几乎都从设定的输出端口2中输出；而未采用频率选择的微带分路器，在1.98GHz~2.2GHz的传输系数S21＞-7.5dB，同时S31和S41仅＞-20dB，可见，传统的微带分路器在所需射频频段的损耗较大，且有极少部分射频信号进入到输出端口3和输出端口4。两个方案相比，本实例的隔离度明显优于未采用频率选择的微带分路器。
以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体实施方式对本发明进行了 阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及设备；同时，对于本领域的一般 技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述， 本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种频率选择微带分路器，包括：刻蚀在微带印制板上，通过主路输入端口(1)到达主路输出端口(2)的主路微带线(5)，分别垂直连接在主路微带线(5)上到达第一分支输出端口(4)的第一分支微带线(6)，位于第一分支微带线(6)下方并反向垂直连接在主路微带线(5)上到达第二分支输出端口(3)的第二分支微带线(7)，其特征在于：在第一分支微带线(6)和第二分支微带线(7)下方，分别连接有关于主路微带线(5)镜像对称平行，一端悬空，长度为0.25λ1的第一阻抗变换线(8)和第二阻抗变换线(9)，从而构成频率选择微带分路器的等效电路；对应介质波长λ分别为λ1，λ2，λ3，λ4，…，λn的N路射频传输频率信号f1，f2，f3，f4，…，fn，将调制过的控制信号和直流电流信号，从主路输入端口(1)进入主路微带线(5)后，顺序到达主路输出端口(2)、第一分支输出端口(4)和第二分支输出端口(3)，设定的射频信号通过所述等效电路主路输出端口(2)输出到终端负载设备R1内部，调制过的控制信号通过第一分支输出端口(4)输出到终端设备负载R2内部，直流电流信号通过第二分支输入端口(3)输出到终端负载设备R3内部。
2.如权利要求1所述的频率选择微带分路器，其特征在于：所有微带传输线的输入特性阻抗和输出特性阻抗均为50欧姆，线宽均按照等效阻抗为50欧姆设计。
3.如权利要求1所述的频率选择微带分路器，其特征在于：主路微带线(5)到第一分支输入端口(4)的距离为L3，到第二分支输入端口(3)距离为L2。
4.如权利要求1所述的频率选择微带分路器，其特征在于：针对N路射频传输频率信号，等效电路选择N＝3，采用输入信号中包含了1路射频信号、1路调制过的控制信号和1路直流电流信号和设定为1.98GHz～2.2GHz的射频信号，以c为光速，取中心频率f1为2.14GHz，λ1＝c/f1＝140mm(3×1011mm)。
5.如权利要求4所述的频率选择微带分路器，其特征在于：3路射频信号从主路输入端口(1)进入主路微带线(5)后，到达主路输出端口(2)、第一分支输出端口(4)和第二分支输出端口(3)，射频信号通过主路输出端口(2)输出到终端负载设备R1，调制过的控制信号通过第一分支输出端口(4)输出到终端设备负载R2，直流电流信号通过第二分支输入端口(3)输出到终端负载设备R3。
6.如权利要求1所述的频率选择微带分路器，其特征在于：在信号通往第一分支输入端口(4)和第二分支输入端口(3)的分支路径上并联的第一阻抗变换线(8)和第二阻抗变换线(9)长度设为射频信号的四分之一介质波长0.25λ1，在两段阻抗变换线的共同作用下，选择1.98GHz～2.2GHz的射频信号频率。
7.如权利要求1所述的频率选择微带分路器，其特征在于：通往第一分支输入端口(4)和第二分支输入端口(3)的交点处等效阻抗均为+∞，射频信号从主路输出端口(2)输出，不向第二分支输入端口(3)和第一分支输入端口(4)传输。
8.如权利要求1所述的频率选择微带分路器，其特征在于：第一分支微带线(6)与第二分支微带线(7)下方并联的第一阻抗变换线(8)和第二阻抗变换线(9)为一端悬空的开路枝节，其阻抗匹配为50Ω，开路端等效阻抗为+∞，射频信号传输到该阻抗变换线上则全反射。
9.如权利要求1所述的频率选择微带分路器，其特征在于：主路微带线(5)射频信号经过第一分支微带线(6)与第二分支微带线(7)分别到第一阻抗变换线(8)和第二阻抗变换线(9)的交点处的波长为四分之一介质波长(0.25λ1)，交点处的等效阻抗变为0Ω，对射频信号而言可视为短路点，射频信号全反射。
10.如权利要求1所述的频率选择微带分路器，其特征在于：第一阻抗变换线(8)和第二阻抗变换线(9)交点处的射频信号经过四分之一介质波长(0.25λ1)后，与主路微带线(5)信号传输的交点处的等效阻抗又变换为+∞，对射频信号而言，可视为开路端。
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