CN113904088B - 一种基于垂直安装基板的超宽带功分器的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于垂直安装基板的超宽带功分器的设计方法，首先通过等效电路图给出的电路结构，使用多节耦合线串联来模拟实际的渐变线，通过二维电磁仿真软件仿真优化得到各个节点的奇偶模阻抗值；将得到的奇偶模阻抗分成强耦合部分和弱耦合部分，最终结合前述步骤得到的每一节点的物理尺寸拟合成一条函数曲线，在三维电磁仿真软件中建模仿真优化。本发明基于垂直安装基板电路结构，来实现等功率分配。整体结构基于渐变耦合线实现宽带阻抗变换，从而实现超宽带功率分配的功能。

Description

一种基于垂直安装基板的超宽带功分器的设计方法

技术领域

本发明涉及一种超宽带、同相位、等功率分配器，尤其涉及一种基于垂直安装介质基板结构来实现强耦合的功分器，属于射频通信技术领域。

背景技术

功分器作为重要的多端口器件之一，其主要功能是将一路输入信号功率按照特定比例分为两路或多路同相、反相或者正交信号输出；反向使用时，可将多路输入信号功率叠加为一路信号输出进行功率合成，常用于混频器、移相器、天线阵列中。功分器作为收发机前端中的一类重要的无源器件，其性能好坏与整个系统性能的好坏有着直接紧密的联系。随着5G通信、无人驾驶、相控阵雷达及卫星通信等领域的快速发展，需要传输的信息容量与日俱增，加上电磁环境日益恶化，干扰信号越来越多，使得收发前端的工作带宽的要求也越来越高，因此，宽带微波毫米波功分器的研究具有重要的现实意义与应用价值。

目前，多种技术都在功分器设计中得以应用。专利号为CN207542373U的专利提出了一种1-10GHz的超宽带1分4功分器，整个工作频带内插入损耗小于2dB,隔离度最小为14.5dB。整个结构基于多节威尔金森功分器进行设计，设计过程较为复杂；申请号为CN106785289A的专利提出了一种基于三线耦合结构的宽带滤波功分器，其功率比为10:1，相对带宽达到了40％，但其中因为没有引入电阻网络，其隔离度并不好；专利号为CN108777568A的专利设计了一款基于铁氧体磁芯的宽带功分器，其工作带宽为300KHz-400MHz，带内性能良好，但铁氧体磁芯在高频的性能会有明显的下降，所以这种设计并不适用于高频；专利号为CN110034367A的专利提出了一种基于多层椭圆缺陷地结构的高隔离度宽带功分器，但这种缺陷地结构可能会破坏信号完整性。

减少损耗、增加工作带宽、降低生产成本是射频研发的不懈追求。威尔金森功分器作为经典结构在工作频带能有着非常好的性能，Gysel功分器解决了传统威尔金森功分器耐受功率较小的问题，但两者的工作带宽十分有限，如何实现高隔离度宽带功分器成为近年来的研究热点之一。

发明内容

鉴于现有技术中存在上述技术和选材的一些问题，本发明提供一种基于垂直安装基板的超宽带功分器，针对传统威尔金森功分器带宽太窄以及多节级联威尔金森功分器设计太过复杂的缺点，提供一种新型的基于垂直安装基板的实现方案，该方案基于垂直安装基板电路结构，来实现等功率分配。整体结构基于渐变耦合线实现宽带阻抗变换，从而实现超宽带功率分配的功能。

为达成上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

步骤1、参照图1给出等效电路图的电路结构，使用多节耦合线串联来模拟实际的渐变线，通过二维电磁仿真软件仿真优化得到各个节点的奇偶模阻抗值；

步骤2、将得到的奇偶模阻抗分成两个部分，即强耦合部分和弱耦合部分。强耦合部分，使用三维电磁场仿真软件对垂直安装基板结构进行仿真，确定水平基板与垂直基板上的传输线的物理尺寸；弱耦合部分，使用平行耦合线结构来实现。

步骤3、结合前述步骤得到的每一节点的物理尺寸拟合成一条函数曲线，在三维电磁仿真软件中建模仿真优化。

进一步的，所述超宽带功分器由隔离网络和功率分配网络两部分组成，所述功率分配网络至少包括强耦合部分和弱耦合部分，通过强耦合部分串联弱耦合部分组成功率分配网络，输入端与功率分配网络的两条耦合线各连接一个电阻构成隔离网络。

进一步的，所述超宽带功分器垂直安装于一块水平介质基板的电路结构，垂直基板的两面均蚀刻有金属传输线，线宽为W₁，由于结构的对称性，使用奇偶模分析其特性，此时奇模阻抗可以表示为：

其中，v_o是电磁波在奇模传播时的相速度，电容C₁，C₁₂分别是传输线对地电容和传输线之间的耦合电容。

进一步的，偶模激励时，对称面可以等效为磁壁，图5(b)为其等效电路，此时偶模阻抗可以表示为

其中，v_e是电磁波在偶模传播时的相速度。

进一步的，所述水平基板上蚀刻有金属结构，并与垂直基板的传输线相连。

进一步的，所述超宽带功分器包括强耦合部分和弱耦合部分。强耦合部分使用改进型的垂直安装基板结构，弱耦合部分使用平行耦合线结构；所述水平基板上有一垂直安装的介质基板，水平基板和垂直基板材料均为Rogers 4350，厚度分别为0.508mm和0.203mm，垂直基板的两面均蚀刻有传输线，线宽为W₁；水平基板对应的两侧也都蚀刻有宽度为W₂的金属线，两条传输线相互连接在一起。

进一步的，所述超宽带功分器的所有传输线均采用渐变线结构。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明采用耦合线结构，且只需要两个电阻就能达到较高的隔离度，与传统的多节威尔金森功分器相比，电阻的数量大大减小，尺寸也较小。

2、本发明通过使用改进型的垂直安装基板电路结构来实现强耦合，解决了传统平行耦合线无法实现强耦合的缺点。

3、本发明中在输入端和功分网络之间引入电阻网络，在有效提高隔离度的同时，可以将电阻网络对功分网络的影响降到最低。

4、本发明采用奇偶模设计方法，可以实现宽带的阻抗变换，实现了超宽带的同相功分功能。

5、本发明结构简单，设计量上相对较少。

附图说明

图1为本发明的等效电路图。

图2为本发明的偶模等效电路图。

图3为本发明的奇模等效电路图。

图4为传统的垂直基板电路结构的剖面图。

图5为传统垂直安装基板的奇偶模等效电路，其中(a)为等效奇模电路，(b)为等效偶模电路。

图6为本发明的垂直基板电路结构示意图。

图7(a)是在改进型垂直基板中，固定水平基板上的金属传输线线宽W2，改变传统垂直基板结构垂直基板上金属传输线线宽W1时的奇偶模阻抗变化图，图7(b)是固定垂直基板上的金属传输线线宽W1，改变水平基板上金属传输线线宽W2时的奇偶模阻抗值的变化图。

图8为本发明的超宽带功分器的结构的俯视图和侧视图。

图9为本发明的回波损耗的仿真图。

图10为本发明的S₂₁和S₃₁，以及隔离度S₃₂的仿真图。

图11为本发明的幅度不平衡度的仿真图。

图12为本发明的相位不平衡度的仿真图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

所述的超宽带功分器整体结构采用耦合线结构，结构参见图1，主要可以分为强耦合线部分16和弱耦合部分17。因为整体电路具有对称性，所以可以采用奇偶模分析法进行分析。图2和图3分别是其等效偶模电路和等效奇模电路。图2中，偶模电路输入端口看做是100欧姆电阻21，两端耦合线23和24的偶模阻抗分别表示为Z_e(x)与Z’_e(x),电长度分别为θ₁和θ₂.为了实现宽带的阻抗匹配，在x＝0时，输出端口的特性阻抗从50Ω转换为Z_ine＝100Ω+R；图3中，奇模电路输入端口看做是短路端接地，两端耦合线32和33的偶模阻抗分别表示为Z_o(x)与Z’_o(x),电长度分别为θ₁和θ₂，同理，特征阻抗从输出端口的50Ω转换为x＝0时的Z_ino＝R。

传统的平行耦合线结构不能实现强耦合，而垂直安装基板电路结构是一种垂直安装于一块水平介质基板的电路结构，垂直基板的两面均蚀刻有金属传输线，线宽为W₁，如图4所示。这种结构由于对称性，可以使用奇偶模分析其特性，参见图5(a)与图5(b)。图5(a)为奇模激励时，该结构的等效电路，此时奇模阻抗可以表示为：

其中，v_o是电磁波在奇模传播时的相速度，电容C₁，C₁₂分别是传输线对地电容和传输线之间的耦合电容。

偶模激励时，对称面可以等效为磁壁，图5(b)为其等效电路，此时偶模阻抗可以表示为

其中，v_e是电磁波在偶模传播时的相速度。根据电容计算公式，传输线的对地电容C₁远小于两条传输线之间的耦合电容C₁₂，所以偶模阻抗会远大于奇模阻抗。当改变传输线线宽W₁时，随着W₁的增加，奇模阻抗与偶模阻抗均会减小，不利于根据所需要的奇偶模阻抗值进行设计，而且传统的垂直安装基板电路结构水平基板上并没有蚀刻金属线结构，不利于与平面结构进行有效连接。

本发明提出一种改进型的垂直基板电路结构，在传统结构的基础上，水平基板上也蚀刻有金属结构，并与垂直基板的传输线相连，结构图如图6所示，水平基板上的金属线线宽用W₂表示。此时对该结构进行奇偶模分析时，由于水平基板上同时蚀刻有金属线，奇模和偶模都会分别增加一个等效电容C_addo和C_adde，此时如果改变水平基板上金属线的线宽W₂，C_adde会有明显改变，而C_addo却不会有太大的变化，这就说明在改变W₂的值时，改进型的垂直安装基板电路的偶模阻抗会有明显变化，而奇模阻抗可以保持基本不变。图7(a)和(b)是分别是固定W₂值，只改变W₁值和固定W₁值，只改变W₂值时的奇模阻抗与偶模阻抗的值的变化情况，从图(a)中可以清楚地看出，随着W₁值的增加，偶模阻抗和奇模阻抗都会明显减小，而从图(b)中看出，随着W₂值的增加，偶模阻抗依然会减小，但是奇模阻抗的变化并不明显。根据这种特性，通过调节W₁与W₂的值，就可以得到所需要的特定的奇偶模阻抗值。

本发明提供一种超宽带功分器，本发明可以简单分为两个部分，强耦合部分和弱耦合部分。强耦合部分使用改进型的垂直安装基板结构，弱耦合部分使用平行耦合线结构。同时为了减小阻抗突变产生的影响，本发明的所有传输线均采用渐变线结构。本发明的具体设计步骤如下，首先，使用多节耦合线串联的方式来等效渐变线，通过不断优化来获得渐变线上各个节点的奇偶模阻抗值；接着，根据获得的奇偶模阻抗值，强耦合部分使用改进型的垂直安装基板结构来实现，弱耦合部分使用平行耦合线结构，其物理尺寸都可以通过三维电磁软件建模仿真获得；最后，将获得的各个节点的物理初始值进行函数拟合，拟合成一条平滑的曲线，再通过三维电磁软件建模仿真优化。

图1是本发明的等效电路图。主要组成部分有输入端口11，两个电阻14和15组成的隔离网络，构成功率分配网络的两种耦合线16和17，以及两个输出端口12和13.其中耦合线16采用本发明中提到的改进型垂直安装基板电路结构来实现强耦合以保证输出端口等功率输出，耦合线17采用传统的平行耦合线结构，用以实现宽带的阻抗匹配，进而实现本发明的超宽带特性。

图2是本发明的偶模等效电路图。偶模电路输入端口看做是100欧姆电阻21，两端耦合线23和24的偶模阻抗分别表示为Z_e(x)与Z’_e(x),电长度分别为θ1和θ2。

图3是本发明的奇模等效电路图。奇模模电路输入端口看做是短路端接地，两端耦合线32和33的偶模阻抗分别表示为Z_o(x)与Z’_o(x),电长度分别为θ₁和θ₂。

图4是本发明中提到的传统的垂直基板电路结构的剖面图。主要组成部分有水平基板44，垂直安装于水平基板上的垂直基板43，以及分别蚀刻于垂直基板43两侧的金属传输线结构41和42。其中本发明中的水平基板44和垂直基板43均选用Rogers 4003，厚度分别为0.508mm和0.203mm。

图5是传统垂直安装基板的奇偶模等效电路。(a)是等效奇模电路，C_12o是两条金属传输线之间的等效电容，C_1o是每条金属传输线的对地奇模电容；(b)是等效偶模电路，C_1e是每条金属传输线的对地偶模电容。

图6是本发明所用到的垂直基板电路结构示意图。与传统垂直安装基板不同的在于水平基板上也蚀刻有金属传输线61和62。垂直基板和水平基板上金属传输线的线宽分别为W₁和W₂。C_addo和C_adde分别是奇模和偶模增加的等效电容。

图7(a)是在改进型垂直基板中，固定水平基板上的金属传输线线宽W₂，改变传统垂直基板结构垂直基板上金属传输线线宽W₁时的奇偶模阻抗变化图，图7(b)是固定垂直基板上的金属传输线线宽W₁，改变水平基板上金属传输线线宽W₂时的奇偶模阻抗值的变化图。

图8是本发明中提出的超宽带功分器的结构的俯视图和侧视图。强耦合部分物理长度为L₁,采用改进型垂直安装基板电路结构来实现；弱耦合部分物理长度为L₂,使用平行耦合线结构实现。结构中一共涉及4条拟合的函数曲线，分别为l₁，l₂，l₃和l₄.拟合出的函数表达式如下：

l₁:z＝1.212exp(-0.142x)-0.064,0≤x≤L₁

l₂:y＝-6.068×10^-6x⁴+4.623×10^-4x³-6.642×10^-3x²+0.052x+0.327+t₂/2，0≤x≤L₁

l₃:y＝1.847×10^-5(x-L₁)⁴-6×10^-4(x-L₁)³+7.623×10^-3(x-L₁)²-0.011(x-L₁)+0.116+t₂/2,L₁≤x≤L₁+L₂

l₄:y＝2.156×10^-5(x-L₁)⁴-7.165×10^-4(x-L₁)³+7.656×10^-3(x-L₁)²+0.024(x-L₁)+0.914+t₂/2,L₁≤x≤L₁+L₂

图9是本发明的回波损耗的仿真图。从图中的曲线可以看出，本发明整体回波损耗优于20dB。

图10是本发明的S₂₁和S₃₁，以及隔离度S₃₂的仿真图。图中的实线表示插损S₂₁和S₃₁，最小插损约为3.45dB，最大插损约为4dB；虚线表示隔离度S₃₂，可以看出隔离度基本在-15dB以下。

图11是本发明的幅度不平衡度的仿真图。因为本发明整体采用对称设计，所以有较低的幅度不平衡度，仿真结果表明本发明的幅度不平衡度优于0.2dB。

图12是本发明的相位不平衡度的仿真图。同幅度不平衡度，仿真结果表明本发明的相位不平衡度小于1度。

本发明提出一种超宽带同相功分器，等效电路图参照图1，整个结构可以分为隔离网络和功率分配网络两个部分，其中，功率分配网络可以分为强耦合部分和弱耦合部分串联，在输入端与功率分配网络之间是隔离网络，具体是输入端分别与两条耦合线之间的两个电阻，阻值均为R。因为整体结构是对称的，所以可以使用奇偶模分析方法进行分析。偶模时，输出端特性阻抗在x＝0时由50Ω变换为Z_ine＝100Ω+R。奇模激励时，特性阻抗由输出端口的50Ω变换为x＝0处的Z_ino＝R。同时，S参数可以表示为

S₁₁＝Γ_e

为了保证两个输出端口等功率输出，功率分配网络部分的耦合线必须保证3dB的耦合系数。传统的平面平行耦合线结构不能实现强耦合，本发明中，我们使用我们提出的改进型的垂直安装基板电路结构来实现宽带的强耦合，具体结构参照图6，水平基板上有一垂直安装的介质基板，水平基板和垂直基板材料均为Rogers 4003，厚度分别为0.508mm和0.203mm，垂直基板的两面均蚀刻有传输线，线宽为W₁；水平基板对应的两侧也都蚀刻有宽度为W₂的金属线，两条传输线相互连接在一起。因为这种结构也是对称的，所以同样可以使用奇偶模分析法进行分析。

这种改进型的优势在于，1)相较于传统的垂直安装基板结构，奇模阻抗和偶模阻抗易于独立调节；2)由于水平基板上也蚀刻有金属传输线结构，所以利于与其他平面电路结构进行连接。

本发明的具体设计流程如下，

第一步，参照图给出的电路结构，使用多节耦合线串联来模拟实际的渐变线，通过二维电磁仿真软件仿真优化得到各个节点的奇偶模阻抗值；

第二步，将得到的奇偶模阻抗分成两个部分，即强耦合部分和弱耦合部分。强耦合部分，使用三维电磁场仿真软件对垂直安装基板结构进行仿真，确定水平基板与垂直基板上的传输线的物理尺寸；弱耦合部分，使用平行耦合线结构来实现。

第三步，结合第二步得到的每一节点的物理尺寸拟合成一条函数曲线，在三维电磁仿真软件中建模仿真优化。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (5)

1.一种基于垂直安装基板的超宽带功分器的设计方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1、通过等效电路图给出的电路结构，使用多节耦合线串联来模拟实际的渐变线，通过二维电磁仿真软件仿真优化得到各个节点的奇偶模阻抗值；

步骤2、将得到的奇偶模阻抗值分成两个部分，即强耦合部分和弱耦合部分；通过强耦合部分串联弱耦合部分组成功率分配网络，输入端与功率分配网络的两条耦合线各连接一个电阻构成隔离网络；

所述强耦合部分，使用三维电磁场仿真软件对垂直安装基板结构进行仿真，确定水平基板与垂直基板上的传输线的物理尺寸；弱耦合部分，使用平行耦合线结构来实现；

强耦合部分使用垂直安装基板结构，弱耦合部分使用平行耦合线结构；所述水平基板上有一垂直安装的介质基板，水平基板和垂直基板材料均为Rogers4350，厚度分别为0.508mm和0.203mm，垂直基板的两面均蚀刻有传输线，线宽为W₁；水平基板对应的两侧也都蚀刻有宽度为W₂的金属线，两条传输线相互连接在一起；

步骤3、将前述步骤中得到的每一节点的物理尺寸拟合成一条函数曲线，在三维电磁仿真软件中建模仿真优化。

2.根据权利要求1所述的基于垂直安装基板的超宽带功分器的设计方法，其特征在于：垂直安装基板电路结构是一种垂直安装于一块水平介质基板的电路结构，垂直基板的两面均蚀刻有金属传输线，线宽为W₁，由于结构的对称性，使用奇偶模分析其特性，此时奇模阻抗表示为：

其中，v_o是电磁波在奇模传播时的相速度，电容C₁，C₁₂分别是传输线对地电容和传输线之间的耦合电容。

3.根据权利要求1所述的基于垂直安装基板的超宽带功分器的设计方法，其特征在于：偶模激励时，对称面等效为磁壁，此时偶模阻抗表示为

其中，v_e是电磁波在偶模传播时的相速度。

4.根据权利要求1所述的基于垂直安装基板的超宽带功分器的设计方法，其特征在于：所述水平基板上蚀刻有金属结构，并与垂直基板的传输线相连。

5.根据权利要求1所述的基于垂直安装基板的超宽带功分器的设计方法，其特征在于：所述超宽带功分器的所有传输线均采用渐变线结构。

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