CN114927848B - 一种基于矩形微同轴工艺宽带威尔金森功分器及构建方法 - Google Patents
一种基于矩形微同轴工艺宽带威尔金森功分器及构建方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了射频通信技术领域的一种基于矩形微同轴工艺宽带威尔金森功分器及构建方法，包括三个由微同轴线加工得到的两路耦合线型威尔金森等分功分器单元，且每个两路耦合线型威尔金森等分功分器单元的微同轴输出端口均级联一段微同轴耦合线，其中一个所述微同轴耦合线的等分输出端口分别与另外两个两路耦合线型威尔金森等分功分器单元的微同轴输入端口相连接。本发明通过使用矩形微同轴工艺，是三维立体结构，便于器件三维一体化加工和集成，且尺寸小、精度高为微米级，实现宽带等功率分配。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于矩形微同轴工艺宽带威尔金森功分器及构建方法，属于射频通信技术领域。
背景技术
在微波通信系统中，功分器有着重要的应用，其主要功能是将输入信号功率按照特定比例分成的几路同相、反相或者正交信号输出的一种多端口微波无源器件。经典的两路威尔金森功率分配器是由两条四分之一波长传输线和一个隔离电阻组成，其在工作频带能有着较好的性能。然而其只工作在一个频段，带宽相对较窄。减少损耗、增加工作带宽等是射频研发的不懈追求。如何实现宽带低损耗功分器成为近年来的研究热点之一。
随着现代微波和毫米波电路的飞速蓬勃发展，对整个电路系统的性能指标愈加严格，毫米波集成电路正朝着小型化、高集成度、宽频段、低损耗且不受辐射影响等方向发展。随着微机电系统制造技术的进步，各种类型的表面微机械加工技术促生了尺寸符合亚毫米频段的高精度三维矩形微同轴工艺。一方面，它通过在晶圆级的硅衬底上顺序沉积金属的方式来实现器件的加工，因此非常适合与高密集度的集成电路展开互连。另一方面，矩形微同轴线作为一种空气填充的金属传输线，适用于高工作频率，具有低损耗、低的线间串扰和超低色散等优势。因此，矩形微同轴线及其无源器件的研究具有重要的现实意义与应用价值。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于矩形微同轴工艺宽带威尔金森功分器及构建方法，通过使用矩形微同轴工艺，是三维立体结构，便于器件三维一体化加工和集成，且尺寸小、精度高为微米级，实现宽带等功率分配。
为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
第一方面，本发明提供了一种基于矩形微同轴工艺宽带威尔金森功分器，包括三个由微同轴线加工得到的两路耦合线型威尔金森等分功分器单元，且每个两路耦合线型威尔金森等分功分器单元的微同轴输出端口均级联一段微同轴耦合线，其中一个所述微同轴耦合线的等分输出端口分别与另外两个两路耦合线型威尔金森等分功分器单元的微同轴输入端口相连接。
进一步的，所述两路耦合线型威尔金森等分功分器单元包括矩形微同轴外导体和矩形微同轴内导体，且微同轴外导体上间隔性开了矩形释放孔。
进一步的，所述微同轴输入端口采用九层工艺设计，总高度为0.9mm，内导体宽度为0.22mm，高度为0.3mm。
进一步的，所述两路耦合线型威尔金森等分功分器单元的微同轴1/4波长传输线采用九层工艺设计，内导体宽度为0.22mm，高度为0.1mm。
进一步的，所述微同轴耦合线采用九层工艺设计，内导体宽度为0.22mm，高度为0.28mm，耦合线间间隙宽度为0.15mm。
进一步的，所述基于矩形微同轴工艺宽带威尔金森功分器沿x轴对称。
第二方面，本发明提供了一种基于矩形微同轴工艺宽带威尔金森功分器构建方法，用于构建上述的基于矩形微同轴工艺宽带威尔金森功分器，包括：
基于传输线理论，制作宽带耦合线型功分器电路原理图，通过二维电磁仿真软件仿真优化得到参数；
基于宽带耦合线型功分器电路原理图，结合微同轴工艺，构建了四路耦合线型宽带威尔金森功分器，在三维电磁仿真软件中建模仿真优化；
构建宽带耦合线型功分器板上测试结构，微同轴功分器端口处外接微带线用于测试。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
本发明针对传统威尔金森功分器带宽过窄以及多节级联威尔金森功分器设计太过复杂的缺点，利用新型微同轴工艺设计一款耦合线型宽带功分器，与通常采用平面PCB工艺相比，平面传输线在高频段具有较高传输损耗，而微同轴线插损小，在高频优势尤为明显，且信号屏蔽性高；本发明采用耦合线型结构，与传统宽带的威尔金森功分器相比，此结构更为紧凑，且仅需三个隔离电阻。电阻的数量大大减小，尺寸也较小；本发明通过使用矩形微同轴工艺，是三维立体结构，便于器件三维一体化加工和集成，且尺寸小、精度高为微米级，实现宽带等功率分配。
附图说明
图1是本发明实施例一提供的宽带功分器等效电路图；
图2(a)是本发明实施例一提供的插入损耗随频率仿真结果；
图2(b)是本发明实施例一提供的回波损耗随频率仿真结果；
图2(c)是本发明实施例一提供的隔离度随频率仿真结果；
图3是本发明实施例一提供的基于矩形微同轴工艺宽带威尔金森功分器结构的俯视图；
图4(a)是本发明实施例一提供的微同轴传输线结构中端口51截面图；
图4(b)是本发明实施例一提供的微同轴1/4波长传输线61截面图；
图4(c)是本发明实施例一提供的微同轴耦合线81的截面图；
图5(a)是本发明实施例一提供的微同轴功分器的插入损耗随频率仿真结果；
图5(b)是本发明实施例一提供的回波损耗随频率仿真结果；
图5(c)是本发明实施例一提供的隔离度随频率仿真结果；
图6是本发明实施例一提供的功分器板上测试结构图；
图7(a)是本发明实施例一提供的微同轴功分器外接PCB微带传输线的插入损耗随频率仿真结果；
图7(b)是本发明实施例一提供的回波损耗随频率仿真结果；
图7(c)是本发明实施例一提供的隔离度随频率仿真结果；
图8是本发明实施例一提供的PCB微带线插入损耗仿真值示意图；
图9(a)是本发明实施例一提供的微同轴功分器输入输出端口插入损耗的测试及仿真结果对比；
图9(b)是本发明实施例一提供的端口回波损耗实测与仿真结果对比；
图9(c)是本发明实施例一提供的输出端口隔离度的实测与仿真结果对比。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例一：
本发明提出一种基于矩形微同轴工艺宽带威尔金森功分器，具体设计流程如下，
第一步，基于传输线理论，给出宽带耦合线型功分器电路原理图，通过二维电磁仿真软件仿真优化得到参数；
第二步，基于上述功分器原理图，结合微同轴工艺，构建了四路耦合线型宽带威尔金森功分器，在三维电磁仿真软件中建模仿真优化；
第三步，构建功分器板上测试结构，微同轴功分器端口处外接微带线用于测试。
宽带耦合线型功分器等效电路图参照图1，整个结构的基本单元为两路耦合线型威尔金森功分器，通过在每个单元的输出端口级联一段耦合传输线进行扩展和耦合，功分器可以实现双谐振点工作模式，从而拓展工作带宽。然后通过级联方式，构建四路耦合线型宽带威尔金森等分功分器电路，并通过计算仿真得出它们的参数，整体主要组成部分有输入端口11，四个等分输出端口12、13、14和15，端口特性阻抗均为50Ω；隔离电阻31、32和33组成的隔离网络，阻值大小均为70Ω；构成功率分配网络的传输线21、22、23、24、25、26，特性阻抗均为79Ω，电长度均为θ＝90°@12GHz；构成功率分配网络的耦合线41、42和43，它们的偶模阻抗均为63Ω，奇模阻抗均为38Ω，电长度均为θ＝90°@12GHz。整个结构的基本单元为两路耦合线型威尔金森等分功分器(传输线21和22，隔离电阻31以及耦合线41)，通过在每个单元的输出端口级联一段耦合传输线进行扩展和耦合，功分器可以实现双谐振点工作模式，从而拓展工作带宽。与传统威尔金森功分器相比，此结构更为紧凑，且仅需三个隔离电阻。
图2是本发明的等效电路仿真结果，图2(a)是插入损耗随频率仿真结果，从图中可以看出，在6～18GHz频段内，最大插入损耗<0.26dB；图2(b)是回波损耗随频率仿真结果，在6～18GHz频段内，1端口回波损耗>12.8dB，2-5端口回波损耗>31dB；图2(c)是隔离度随频率仿真结果，在6～18GHz频段内，端口间隔离度>19dB。
图3是基于矩形微同轴工艺宽带威尔金森功分器结构的俯视图。根据功分器原理图，结合微同轴工艺，构建了四路耦合线型宽带威尔金森功分器，此功分器沿x轴对称，为结合工艺要求，微同轴外导体上间隔性开了很多矩形释放孔，经仿真分析可知，这些释放孔对功分器性能影响不大。其中，深灰色为矩形微同轴内导体，浅灰色为矩形微同轴外导体，黑色部分为隔离电阻。微同轴线与电路原理图1中的平面传输线一一对应，微同轴输入端口51对应图1中端口11，四个微同轴输出端口52-55分别对应图1中端口12-15；电阻71-73对应图1中31-33，采用0201型号射频电阻；微同轴1/4波长传输线61-66对应图1中21-26；微同轴耦合线81-83对应图1中41-43。
图4给出了所设计的具体的微同轴传输线和微同轴耦合线截面图及参数大小，它们的阻抗值可以通过细微调整微同轴内导体尺寸及耦合线间距来实现，图4(a)是微同轴输入端口51截面图，采用九层工艺设计(总高度为0.9mm)，内导体宽度为0.22mm，高度为0.3mm，微同轴输出端口52-55均采用此尺寸；图4(b)是微同轴1/4波长传输线61截面图，采用九层工艺设计，内导体宽度为0.22mm，高度为0.1mm，微同轴1/4波长传输线62-66均采用此尺寸；图4(c)是微同轴耦合线81的截面图，采用九层工艺设计，内导体宽度为0.22mm，高度为0.28mm，耦合线间间隙宽度为0.15mm，微同轴耦合线81-83均采用此尺寸。
图5是所设计的微同轴功分器的仿真结果。图5(a)是插入损耗随频率仿真结果，从图中可以看出，在6～18GHz频段内，最大插入损耗<0.42dB；图5(b)是回波损耗随频率仿真结果，在6～18GHz频段内，1端口回波损耗>13.5dB，2-5端口回波损耗>17dB；图5(c)是隔离度随频率仿真结果，在6～18GHz频段内，端口间隔离度>16dB。
接着在微同轴功分器端口处设计外接微带线用于测试，图6所示为功分器板上测试结构图，黑色框出部分为功分器主体部分详见图3，微带构建在厚度为0.127mm的Rogers5880(εr＝2.2，tanδ＝0.009)介质板(PCB)上，具体结构参照图6。其中，功分器与微带采用共地设计，为了实现功分器与微带间的信号传输，两者间引进了同轴转微带的转接端口，为了维持输出端口相位幅度的一致性，微带线91长采用5mm，微带线91-95长都为25mm。最后，通过矢网测试后校准掉微带PCB引入的插损后，得到最终实测结果。
图7是所设计的微同轴功分器外接PCB微带传输线的仿真结果。图7(a)是插入损耗随频率仿真结果，从图中可以看出，在6～18GHz频段内，最大插入损耗<0.72dB；图7(b)是回波损耗随频率仿真结果，在6～18GHz频段内，1端口回波损耗>12.5dB，2-5端口回波损耗>17dB；图7(c)是隔离度随频率仿真结果，在6～18GHz频段内，端口间隔离度>15dB。综合图5和图7得出，PCB微带传输线的引入，最大损耗增加0.419dB；而隔离度和回波损耗曲线几乎不变。
微同轴功分器端口外接微带线，引入的微带线的插损，图8是PCB微带线插入损耗仿真值。这五条微带线91、92、93、94和95产生的插损仿真值：Line91插入损耗<0.11dB@18GHz，line92-line95插入损耗<0.34dB@18GHz。
图9是本发明功分器板上测试与仿真结果图。图9(a)是校准掉微带线插入损耗后，微同轴功分器输入输出端口插入损耗的测试及仿真结果对比。仿真结果显示，在6～18GHz频段内，|Si1|(i＝2，3，4，5)＝6.2dB±0.1dB，实现了良好的功率分配。实测结果显示，|Si1|(i＝2，3，4，5)之间的最大波动为0.62dB，最大插入损耗<1.54dB@18GHz；图9(b)是对比了端口回波损耗实测与仿真结果。由于设计的对称性，2-5端口中，本文仅选了端口2和端口3进行了实测对比。仿真结果显示，在6～18GHz频段内，|S11|≥13.5dB，|S22|～|S33|≥17dB，测试结果与仿真结果基本一致；图9(c)是对比了输出端口隔离度的实测与仿真结果。同样的仅选了端口2和端口3进行了实测对比。仿真结果显示，在6～18GHz频段内，输出端口之间的隔离度|S23|≥15dB，测试结果与仿真结果基本一致。
本发明提供一种基于矩形微同轴工艺的四路耦合线型宽带威尔金森等分功分器，整个结构的基本单元为两路耦合线型威尔金森等分功分器，与传统威尔金森功分器相比，此结构更为紧凑，且仅需三个隔离电阻。本发明的所有结构均采用微同轴线，利用九层微同轴工艺进行建模设计。本发明的具体设计步骤如下，首先，基于传输线理论，给出的宽带耦合线型功分器电路原理图，通过二维电磁仿真软件仿真优化得到参数；接着，基于上述功分器原理图，结合微同轴工艺，构建了四路耦合线型宽带威尔金森功分器，在三维电磁仿真软件中建模仿真优化；最后，为了更好地测试，构建功分器板上测试结构。微同轴功分器端口处外接微带线用于测试。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于矩形微同轴工艺宽带威尔金森功分器，其特征是，包括三个由微同轴线加工得到的两路耦合线型威尔金森等分功分器单元，且每个两路耦合线型威尔金森等分功分器单元的微同轴输出端口均级联一段微同轴耦合线，其中一个所述微同轴耦合线的等分输出端口分别与另外两个两路耦合线型威尔金森等分功分器单元的微同轴输入端口相连接。
2.根据权利要求1所述的基于矩形微同轴工艺宽带威尔金森功分器，其特征是，所述两路耦合线型威尔金森等分功分器单元包括矩形微同轴外导体和矩形微同轴内导体，且微同轴外导体上间隔性开了矩形释放孔。
3.根据权利要求1所述的基于矩形微同轴工艺宽带威尔金森功分器，其特征是，所述微同轴输入端口采用九层工艺设计，总高度为0.9mm，内导体宽度为0.22mm，高度为0.3mm。
4.根据权利要求1所述的基于矩形微同轴工艺宽带威尔金森功分器，其特征是，所述两路耦合线型威尔金森等分功分器单元的微同轴1/4波长传输线采用九层工艺设计，内导体宽度为0.22mm，高度为0.1mm。
5.根据权利要求1所述的基于矩形微同轴工艺宽带威尔金森功分器，其特征是，所述微同轴耦合线采用九层工艺设计，内导体宽度为0.22mm，高度为0.28mm，耦合线间间隙宽度为0.15mm。
6.根据权利要求1所述的基于矩形微同轴工艺宽带威尔金森功分器，其特征是，所述基于矩形微同轴工艺宽带威尔金森功分器沿x轴对称。
7.一种基于矩形微同轴工艺宽带威尔金森功分器构建方法，用于构建如权利要求1-6任一所述的基于矩形微同轴工艺宽带威尔金森功分器，包括：
基于传输线理论，制作宽带耦合线型功分器电路原理图，通过二维电磁仿真软件仿真优化得到参数；
基于宽带耦合线型功分器电路原理图，结合微同轴工艺，构建了四路耦合线型宽带威尔金森功分器，在三维电磁仿真软件中建模仿真优化；
构建宽带耦合线型功分器板上测试结构，微同轴功分器端口处外接微带线用于测试。
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| Publication number | Publication date |
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| CN114927848A (zh) | 2022-08-19 |
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