CN113540735A

CN113540735A - 一种共面波导电路宽带一分四功分器

Info

Publication number: CN113540735A
Application number: CN202010324370.6A
Authority: CN
Inventors: 郝艺益; 张丽苹
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-04-21
Filing date: 2020-04-21
Publication date: 2021-10-22

Abstract

本发明公开的一种共面波导电路宽带一分四功分器：包括屏蔽盒和共面波导传输线电路板；该电路板的结构自上而下依次为：共面波导电路层、介质层和金属层；所述金属层有沟槽；共面波导电路层包括：输入端口、四个输出端口、传输线电路以及设置在所述传输线电路中的多个电阻；所述传输线电路为所述输入端口和四个输出端口之间的输出电路。该功分器中，接地共面波导(GCPW)连接各输出端口，降低了馈电网络的复杂性，电路布局和设计更加合理；屏蔽盒内金属层下挖有沟槽，可以消除CPW的接地不一致性，展宽频带、提高端口匹配和隔离度。

Description

一种共面波导电路宽带一分四功分器

技术领域

本发明涉及微波技术领域，特别涉及一种共面波导电路宽带一分四功分器。

背景技术

目前常用的宽带一分四功分器是用三个电路相同(或有2个相同，1个相近)、多节阻抗变换器的威尔金森一分二功分器连接的多节级联微带电路结构，存在问题是：前级阻抗变换微带传输线较细、空间耦合强、导体损耗大、承受功率小等；宽带电路随着频率升高的“趋肤效应”更进一步减小了微带传输线导体的有效截面积，导体损耗增大，导致带内起伏较大；电路整体级联设计具有：节数少、总尺寸小、端口驻波比好、匹配带宽宽等优点和电路中传输线阻抗较高特点，微带电路整体级联设计，损耗将大幅增加，一般较少采用。

带状线电路Wilkinson一分四功分器也有少量应用，相比微带电路、共面波导电路功分器加工更加困难更加昂贵，也无法直接把元件焊接到信号层，电路损耗也偏大。

电路设计需要针对具体应用选择合适的传输线形式，除微带线和带状线外，共面波导(CPW、GCPW)也是一种性能优越、加工方便的微波平面传输线，尤其是较高频率和较高阻抗，在损耗、串扰和宽频带范围内良好的带内平坦度方面共面波导传输线拥有微带线和带状线所不可比拟的性能优势，较低频率也有独特性能。共面波导与微带线略有不同的是：在传输线两侧增加了大面积的接地平面。

目前的功分器电路设计，在损耗、可靠性方面还存在改进的空间。

发明内容

本发明的目的在于，本发明提供了一种共面波导电路宽带一分四功分器，整体级联的共面波导传输线低损耗、宽带一分四功分器设计，可实现一分四功分器工作在微波较低频率、宽带、低损耗、高隔离度、良好的带内平坦度和承受较大功率。

本发明实施例提供一种共面波导电路宽带一分四功分器，包括：屏蔽盒和设置于屏蔽盒内部的共面波导传输线电路板；所述屏蔽盒的侧面分别设有输入端和四个输出端；所述共面波导传输线电路板上的相应端口电路分别与所述输入端和四个输出端连接；

其中，所述所述共面波导传输线电路板的结构自上而下依次为：共面波导电路层、介质层和金属层；所述金属层有沟槽；

所述共面波导电路层包括：输入端口、四个输出端口、传输线电路以及设置在所述传输线电路中的多个电阻；所述传输线电路为所述输入端口和四个输出端口之间的输出电路；所述四个输出端口分别为第一输出端口、第二输出端口、第三输出端口和第四输出端口。

进一步地，所述输入端口和四个输出端口之间的输出电路相同或相似。

进一步地，所述输入端口和第一输出端口之间的输出电路，包括：

输入端口通过接地共面波导传输线与T形节电路一端连接；

T形节电路另一端与第一输出端口的电路连接；所述第一输出端口的电路为接地共面波导50Ω阻抗传输线。

进一步地，输入端口与T形节的第一口连接；T形节的第二口接一侧电路，T形节的第三口接另一侧电路；

所述T形节包括六节电路，分别为：

第一节：特性阻抗94Ω不接地共面波导传输线，其中W：2.3mm，S：1mm；传输线L：10.2mm，90°切角拐弯，传输线L：4mm，90°切角拐弯，传输线L：9.5mm，90°切角拐弯，传输线L：2mm，接T形节的第二口，T形节的第一口接电阻100Ω的第一管脚，接T形节的第三口接第二节；

第二节：83Ω阻抗不接地共面波导传输线，其中W：2.3mm，S：0.71mm；传输线L：10.5mm，90°切角拐弯，传输线L：4mm，90°切角拐弯，传输线L：10mm，90°切角拐弯，传输线L：2mm，接T形节的第二口，T形节的第一口接电阻200Ω的第一管脚，接T形节的第三口接第三节；

第三节：66Ω阻抗，接地共面波导传输线，其中W：1.3mm，S：1.5mm；传输线L：1.5mm，90°切角拐弯，传输线L：14mm，90°切角拐弯，传输线L：1mm，90°切角拐弯，传输线L：2mm，90°切角拐弯，传输线L：1.5mm，90°切角拐弯，传输线L：0.5mm，90°切角拐弯，传输线L：3.3mm，接T形节的第二口，T形节的第一口接第四节，接T形节的第三口，接第二输出端口的第四、五、六节；

第四节：99.5Ω阻抗，不接地共面波导传输线，其中W：2.3mm，S：1.2mm；传输线L：13.1mm，90°切角拐弯，传输线L：4.7mm，90°切角拐弯，传输线L：10.7mm，90°切角拐弯，传输线L：2mm，接T形节的第二口，T形节的第一口接电阻100Ω的第一管脚，接T形节的第三口接第五节；

第五节：75.5Ω阻抗，不接地共面波导传输线，其中W：2.3mm，S：0.54mm；传输线L：1.3mm，90°切角拐弯，传输线L：11.3mm，90°切角拐弯，传输线L：3.9mm，90°切角拐弯，传输线L：11.3mm，90°切角拐弯，传输线L：1.5mm接T形节的第二口，T形节的第一口接电阻130Ω的第一管脚，接T形节的第三口接第六节。

第六节：59Ω阻抗，接地共面波导传输线，其中W：1.58mm，S：1.5mm；传输线L：1.4mm，90°切角拐弯，传输线L：9mm，90°切角拐弯，传输线L：4.8mm，90°切角拐弯，传输线L：9mm，90°切角拐弯，传输线L：1mm，接T形节的第二口，T形节的第一口接电阻240Ω的第一管脚，接T形节的第三口接第一输出端口。

进一步地，所述四个输出端口电路分别为：接地共面波导50Ω阻抗传输线，其中W：2mm，S：1.5mm；传输线长2.2mm，90°切角拐弯，传输线L：4.45mm，90°切角拐弯，传输线L：3.5mm，连接输出端。

进一步地，所述输入端口和第二输出端口之间的输出电路由第一输出端口的输出电路第三节接出，第四、五、六节电路分别为第一输出端口的输出电路第四、五、六节电路的镜像，数值相同。

进一步地，所述输入端口和第三输出端口之间的输出电路，为输入端口和第一输出端口的之间的输出电路的镜像；

所述输入端口和第四输出端口之间的输出电路，为输入端口和第二输出端口之间的输出电路的镜像。

进一步地，所述沟槽的深度为2S，宽度为2S+W。

进一步地，T形节包括的6节电路，每节电路中三处切角拐弯斜切率M分别为：48.1°、48.5°和51°。

进一步地，所述屏蔽盒的上盖与所述传输电路板的距离大于2S，其中2S最小为3mm。

本发明的优点在于，本发明提供的一种共面波导电路宽带一分四功分器：包括屏蔽盒和共面波导传输线电路板；该电路板的结构自上而下依次为：共面波导电路层、介质层和金属层；所述金属层有沟槽；共面波导电路层包括：输入端口、四个输出端口、传输线电路以及设置在所述传输线电路中的多个电阻；所述传输线电路为所述输入端口和四个输出端口之间的输出电路。该功分器中，接地共面波导连接各输出端口，降低了馈电网络的复杂性，电路布局和设计更加合理；屏蔽盒内金属层下挖有沟槽，可以消除CPW的接地不一致性，展宽频带、提高端口匹配和隔离度。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明实施例提供的共面波导电路宽带一分四功分器的正面结构图；

图2为本发明实施例提供的共面波导电路宽带一分四功分器的背面示意图；

图3为本发明实施例提供的共面波导电路宽带一分四功分器的爆炸图；

图4为本发明实施例提供的图1中沿AA线的剖面结构图；

图5为本发明实施例提供的传输电路板2的电路原理图；

图6a为本发明实施例提供的传输电路板2的PCB板正面示意图；

图6b为本发明实施例提供的传输电路板2的PCB板另一正面示意图；

图7为本发明实施例提供的图6a或6b中T形节电路的第一节放大示意图；

图8为本发明实施例提供的功分器端口驻波比曲线图；

图9为本发明实施例提供的功分器插入损耗曲线图；

图10为本发明实施例提供的功分器隔离度曲线图；

附图中：1-屏蔽盒；2-传输电路板；11-输入端；12-输出端；13-输出端；14-输出端；15-输出端；21-共面波导电路层；210-输入端口；211-第一输出端口；212-第二输出端口；213-第三输出端口；214-第四输出端口；22-介质层；23-金属层；231-沟槽。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本发明实施例提供了一种共面波导电路宽带一分四功分器，参照图1-2所示，包括：屏蔽盒1和设置于屏蔽盒内部的传输电路板2；屏蔽盒的侧面分别设有输入端11和四个输出端12、13、14和15；传输电路板2上的相应端口电路分别与输入端11和四个输出端12、13、14、15连接；

其中，参照图3所示，传输电路板2的结构自上而下依次为：共面波导电路层21、介质层22和金属层23；金属层上设有沟槽231；共面波导电路层21附着在介质层22上，介质层22附着在金属层23上。该金属层23不仅加强了传输电路板2的机械强度，更为有源器件提供了良好的散热介质。

参照图4所示，为图1中沿AA的剖面示意图；比如，共面波导电路层21的厚度为0.017mm；介质层22的厚度为0.765mm；金属层23的厚度为0.017mm；2-Z1、2-Z2、2-Z3和2-Z4分别表示屏蔽盒下挖隧道的宽度。

共面波导电路层21，包括输入端口210、第一输出端口211、第二输出端口212、第三输出端口213、第四输出端口214和设置在输入端口210和输出端口211、212、213、214之间的输出电路、以及设置在电路间的5个电阻。其中输入端口210和四个输出端口211、212、213、214之间的输出电路相同或相似。

该功分器中，接地共面波导连接各输出端口，降低了馈电网络的复杂性，电路布局和设计更加合理；金属层上设有沟槽，可以消除CPW的接地不一致性，展宽频带、提高端口匹配和隔离度。

进一步地，输入端口210和四个输出端口211、212、213、214之间的输出电路，包括6节传输线；参照图5、6a、6b所示，连接关系如下：

从上向下依次连接：输入端口210连接，接地共面波导传输线GCPW(L：6mm，W：2.1mm，S：1.5mm，和过渡段)，接T形节的第一口，T形节电路，T形节第二口接左边电路，T形节第三口接右边电路。

如图6a-6b所示，输入端口210到第一输出端口211电路，共6节，如图7所示，为图6a或6b中的第一节放大示意图。

第一节：特性阻抗94Ω不接地共面波导传输线，其中W(传输线宽度)：2.3mm，S(传输线边缘到地的距离)：1mm；传输线L(传输线长度)：10.2mm，90°切角拐弯，传输线L：4mm，90°切角拐弯，传输线L：9.5mm，90°切角拐弯，传输线L：2mm，接T形节的第二口，T形节的第一口接电阻100Ω的第一管脚，接T形节的第三口接第二节；

第六节：59Ω阻抗，接地共面波导传输线，其中W：1.58mm，S：1.5mm；传输线L：1.4mm，90°切角拐弯，传输线L：9mm，90°切角拐弯，传输线L：4.8mm，90°切角拐弯，传输线L：9mm，90°切角拐弯，传输线L：1mm，接T形节的第二口，T形节的第一口接电阻240Ω的第一管脚，接T形节的第三口接第一输出端口211。

其中，四个输出端口电路分别为：接地共面波导50Ω阻抗传输线，其中W：2mm，S：1.5mm；传输线长2.2mm，90°切角拐弯，传输线L：4.45mm，90°切角拐弯，传输线L：3.5mm，连接相应的输出端12、13、14和15。

其中，图6a-6b中L1-L20分别表示传输线的长度；图6b中，R1、R2、R3-1、R3-2、R4-1、R4-2、R5-1、R5-2分别表示相应的电阻；4-S1、4-S2、4-S3、4-S4、4-S5、4-S6分别表示每一节中传输线边缘到地的距离；2-W1、2-W2、2-W3、2-W4、2-W5、2-W6、2-W7分别表示每一节中传输线宽度。

上述不接地共面波导传输线固定传输线宽度：2.3mm，通过改变槽宽S，改变阻抗，减小了传输线不均匀点，简化了电路设计，较宽的传输线，降低了反射损耗，降低了传输线导体的损耗，提升了电路和线路板可靠性。不接地共面波导和接地共面波导混合电路，接地共面波导在端口和较低阻抗区域使用，即简化了电路，又简化了电路布局。另外，不接地和接地共面波导的连接结构，可通过沉铜孔接地实现接地共面波导到不接地共面波导的过渡结构，减小了反射损耗。

进一步地，上述输入端口210和第二输出端口212之间的输出电路由第一输出端口211的输出电路第三节接出，第四、五、六节电路分别为第一输出端口211的输出电路第四、五、六节电路的镜像，数值相同。

输入端口210和第三输出端口213之间的输出电路，为输入端口210和第一输出端口211的之间的输出电路的镜像；数值相同，其余大面积接地。

输入端口210和第四输出端口214之间的输出电路，为输入端口210和第二输出端口212之间的输出电路的镜像；数值相同，其余大面积接地。共面波导电路中的大面积接地结构，或者说接地覆铜电路中任意两点随频率变化的接地阻抗＜0.5Ω。

其中上述电路中所用到的电阻型号为：RG0805A500J1，其他相关参数：频率：18GHz，尺寸：2mm*1.27mm*0.254mm，功率：5W，基片：99.6％氧化铝，εr：9.7，K：29W/mK。具有降低信号电平、低寄生参数；用于电路之间的隔离，且产品的频率高；可焊性与键合性良好。

本实施例中，该四功分器，由整体级联的共面波导传输线低损耗、宽带一分四功分器设计，其中特性阻抗大于70Ω的四分之一波长阻抗变换传输线由不接地共面波导(CPW)传输线构成。各个端口电路和较低阻抗电路由接地共面波导(GCPW)构成，实现一分四功分器工作在微波较低频率、宽带、低损耗、高隔离度、良好的带内平坦度和承受较大功率。

进一步地，上述共面波导，T形连接电路最佳斜切率M：48.1°，90°转角：最佳斜切率M：48.5°，接地共面波导最佳斜切率：M：51°。不接地共面波导T形连接电路缺角设计，最佳斜切率M：48.1°。传输线90°转角：角度最佳斜切率M：48.5°，接地共面波导最佳斜切率：M：51°。

本发明实施例提供的共面波导电路宽带一分四功分器，利用共面波导(CPW、GCPW)传输线电路，具有如下优势：

整体级联设计，减少节数，减小尺寸；

1)整体级联设计，减少节数，减小尺寸。图8可见，带宽和各端口驻波比大幅度改善，频率从：600MHz～2860MHz，S11＜-24dB，S22、S33、S44、S55＜-28dB；图9可见，传输损耗减小，S21、S31、S41、S51＞-6.37dB，图10可见，隔离度提升，相邻端口S23、S45＞21dB，不相邻端口S24、S25、S34、S35＞26dB，

2)共面波导(CPW)电路传输TEM波，传输线较宽，传输线导体损耗低，尤其是较高阻抗传输线，损耗大幅降低。

3)传输线不均匀点减小和变化不显著，辐射损耗远低于微带电路的一分四功分器。

4)电路空间耦合减弱，实际电路输出端口隔离度提高2dB。

5)宽频带范围内良好的带内平坦度，带内起伏下降0.2dB。

6)电路板到屏蔽盒盖高度大于2倍S宽度，影响可以忽略，而上述T形节电路中最大S＝1.5mm，高度可降到3mm。

7)电路中隔离电阻的影响减小。

8)接地共面波导连接各输出端口，降低了馈电网络的复杂性，电路布局和设计更加合理。

9)电路中传输线较宽，对板材要求降低，可靠性提升。

10)传输电路板的正、反面大面积覆铜，产品机械强度、温度性能提升。

11)如图3所示，屏蔽盒内金属层下挖有沟槽，可称为隧道形式空气桥：可以消除CPW的接地不一致性，展宽频带、提高端口匹配和隔离度。桥的高度(深度)：2S，宽度2S+W，其中，W为2.3mm，S为0.9mm、0.71mm和0.41mm三个数值；电路采用沉铜通孔来连接顶层共面波导电路和接地面。当沉铜通孔放置于电路中时通孔的布局对于特性阻抗和损耗及抑制寄生波模式都重要。

不接地共面波导的接地“空气桥”，由上跨“过街桥”形式，改为屏蔽盒下挖“隧道”形式，并增大了隧道底面距传输线的距离，相当于增大了“桥”的宽度，减小了电阻。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例详细说明了本发明，本领域的普通技术人员应当理解，修改或者等同替换本发明的技术方案，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种共面波导电路宽带一分四功分器，其特征在于，包括屏蔽盒和设置于屏蔽盒内部的共面波导传输线电路板；所述屏蔽盒的侧面分别设有输入端和四个输出端；所述共面波导传输线电路板上的相应端口电路分别与所述输入端和四个输出端连接；

其中，所述共面波导传输线电路板的结构自上而下依次为：共面波导电路层、介质层和金属层；所述金属层有沟槽；

2.如权利要求1所述的功分器，其特征在于，所述输入端口和四个输出端口之间的输出电路相同或相似。

3.如权利要求1所述的功分器，其特征在于，所述输入端口和第一输出端口之间的输出电路，包括：

输入端口通过接地共面波导传输线与T形节电路一端连接；

4.如权利要求3所述的功分器，其特征在于，输入端口与T形节的第一口连接；T形节的第二口接一侧电路，T形节的第三口接另一侧电路；

所述T形节包括六节电路，分别为：

5.如权利要求4所述的功分器，其特征在于，所述四个输出端口电路分别为：接地共面波导50Ω阻抗传输线，其中W：2mm，S：1.5mm；传输线长2.2mm，90°切角拐弯，传输线L：4.45mm，90°切角拐弯，传输线L：3.5mm，连接输出端。

6.如权利要求5所述的功分器，其特征在于，所述输入端口和第二输出端口之间的输出电路由第一输出端口的输出电路第三节接出，第四、五、六节电路分别为第一输出端口的输出电路第四、五、六节电路的镜像，数值相同。

7.如权利要求6所述的功分器，其特征在于，所述输入端口和第三输出端口之间的输出电路，为输入端口和第一输出端口的之间的输出电路的镜像；

8.如权利要求4所述的功分器，其特征在于，所述沟槽的深度为2S，宽度为2S+W。

9.如权利要求4所述的功分器，其特征在于，T形节包括的6节电路，每节电路中三处切角拐弯斜切率M分别为：48.1°、48.5°和51°。

10.如权利要求1-9任一项所述的功分器，其特征在于，所述屏蔽盒的上盖与所述传输电路板的距离大于2S，其中2S最小为3mm。