CN115173014A - 一种宽带、混合型一分四功分器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带、混合型一分四功分器，涉及电子信息技术领域，电路采用N节级联直接一分四形式，电路板自上而下依次为：顶层电路、介质层、底层电路；输入电路直接连接位于顶层的两路分支线电路输入端，底层两路分支线电路通过垂直互联电路与顶层的输入电路连接；每一节阻抗变换电路输出均通过一个隔离电阻与公共点连接，顶层和底层公共点由垂直互联电路连接；底层输出电路通过垂直互联电路与顶层电路输出电路连接；N节级联阻抗变换电路采用常规共面波导电路，接地共面波导电路连接输出端口和其临近电路；顶层和底层的四路分支线电路参数相同或接近；本发明电路具有宽带、节数少、总尺寸小、损耗小、隔离度高、端口匹配良好等优点。

Description

一种宽带、混合型一分四功分器

技术领域

本发明涉及电子信息技术领域，特别涉及一种宽带、混合型一分四功分器。

背景技术

功分器是将输入微波信号功率分成多路输出的一种多端口器件。现有微带线、带状线宽带威尔金森一分四功分器产品，结构是50Ω阻抗传输线连接的2级(3个一样)一分二宽带功分器，具有设计简单、幅度、相位一致、阻抗范围合适微带电路等特点。存在问题是：级联后带宽变窄、端口1的匹配变差、频率较低时尺寸大、损耗大、空间辐射、耦合强。前级四分之一波长阻抗变换传输线阻抗较高，微带传输线较细，电路承受功率小、可靠性差、隔离电阻的分布电容对传输线影响大。

目前的宽带一分四功分器电路设计，在工作频率带宽、各端口匹配、传输损耗、占用面积、电路可靠性等方面还存在改进的空间。

发明内容

本发明的目的在于提出一种宽带、混合型一分四功分器，整体级联的宽带、直接一分四功分器设计，可实现一分四功分器可以工作在微波较低频率、占用面积小、宽带、低损耗、良好的带内平坦度、高幅度一致性、高相位一致性、功分和合成承受较大功率。

本发明采用的技术方案为：

一种宽带、混合型一分四功分器，电路采用N节级联直接一分四形式，双层电路板的结构自上而下依次为：顶层电路、介质层、底层电路；

所述顶层电路包括：输入端口和输入电路、两路N节级联的分支线电路、输出电路、四个输出端口和顶层大面积接地电路；所述底层电路包括：连接顶层电路输入电路的垂直互联电路、两路N节级联的分支线电路、输出电路、连接顶层电路中两个输出端的垂直互联电路、底层大面积接地电路。

输入电路直接连接位于顶层电路的两路分支线电路输入端，底层两路分支线电路通过垂直互联电路与位于顶层电路的输入电路连接；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、第四输出端口；所述N节级联的分支线电路的输入阻抗为200欧姆，输出阻抗为50欧姆；每一节阻抗变换电路长度为中心频率的四分之一波长；每一节阻抗变换电路的输出端均通过一个隔离电阻与公共点连接；所述级联的分支线电路为阻抗变换电路；顶层电路和底层电路的公共点由垂直互联电路连接；N节级联阻抗变换器的每一节阻抗值由查表或功分器仿真软件计算得出；N节级联阻抗变换电路采用常规共面波导电路，N为正整数；接地共面波导电路连接输出端口和其相邻电路；顶层电路和底层电路的四路分支线电路参数相同或相近。

进一步地，分支线电路采用N节级联直接一分四形式，采用切比雪夫阻抗匹配传输线电路，分支线电路的输入阻抗为200欧姆，输出阻抗为50欧姆，每一节阻抗变换电路阻抗值由查表或功分器仿真软件计算得出。

进一步地，四路N节级联阻抗变换电路采用常规共面波导电路；连接输出端口和其相邻电路应用接地共面波导电路。

进一步地，顶层电路的输入电路通过一路垂直互联电路与底层电路的两路分支线电路的输入端连接；垂直互联电路的阻抗为分支线输入电路阻抗值，阻抗值为100欧姆。

进一步地，底层电路的两路分支线电路的两个输出电路分别通过两路垂直互联电路与顶层电路的两个输出电路连接，垂直互联电路的阻抗为分支线输出电路阻抗，阻抗值为50欧姆。

进一步地，分支线电路中每一节的阻抗变换电路输出端均通过一个隔离电阻与公共点连接；顶层电路和底层电路的公共点由垂直互联电路连接，垂直互联电路的阻抗为低阻抗；每一节有4个隔离电阻，并且电阻值相等；功分器共有4×N个隔离电阻。

进一步地，顶层电路的两路N节级联的分支线电路，分别连接第二输出端口和第三输出端口；底层电路的两路N节级联的分支线电路，通过垂直互联电路分别连接顶层电路的第一输出端口和第四输出端口。

进一步地，顶层大面积接地电路通过垂直互联电路穿过电路板的介质层和底层大面积接地电路连接；底层大面积接地电路连接金属屏蔽盒，在工作频率范围内，顶层大面积接地电路和底层大面积接地电路中任意点到金属屏蔽盒任意点的电阻值小于0.5欧姆。

本发明的有益效果为：

(1)电路采用N节级联混合型一分四形式，直接采用一分四形式大幅度简化了电路结构，减小了占用面积；电路分为上下两层：顶层电路、介质层、底层电路，提高了空间利用率，减小了占用面积；占用面积比现有微带电路减少67％以上；

(2)共面波导电路特性阻抗覆盖：20～250Ω，满足宽带、混合型一分四功分器需要阻抗50Ω～200Ω变换要求；

(3)当板材确定后，常规共面波导的特性阻抗由信号带线宽度和槽线宽度的比例决定，在条件允许下，设计可增大传输线宽度，传输线导体损耗低，尤其是较高阻抗传输线，传输线较宽，损耗大幅降低；

(4)混合型一分四功分器设计，减少节数，减小尺寸；带宽和各端口反射系数大幅度改善，频率为：1000MHz～3000MHz，图4可见，传输损耗减小，S21、S31、S41、S51＞-6.22dB；图5可见，S11＜-29dB，S22、S33、S44、S55＜-33dB；图6可见，隔离度提升，端口S32、S42、S43、S52＞30dB；

(5)应用常规共面波导传输线空间辐射低和耦合弱，高次模抑制好，实际电路输出端口隔离度提高2dB以上；

(6)共面波导宽频带范围内良好的带内平坦度，在宽频带内特性阻抗及驻波波动小、变化连续平滑等特点，带内起伏下降0.2dB；

(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，降低了馈电端口的复杂性，电路布局和设计更加合理；

(9)电路中传输线较宽，对板材和制版工艺要求降低，可靠性提升；

(10)设计顶层和底层大面积接地，传输电路板的正、反面大面积覆铜，增强了电路板机械强度和电路散热性；

(11)电路板底层金属层挖有沟槽等电路，如图2所示，可以使常规共面波导传输线下面电路不接地；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重要。

综上，本发明提供一种宽带、混合型一分四功分器，整体级联的共面波导传输线低损耗、宽带、混合型一分四功分器设计，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、高幅度一致性、高相位一致性和承受较大功率，最关键是大幅度减小了占用面积，本发明电路具有宽带、节数少、总尺寸小、损耗小、隔离度高、端口匹配良好等优点。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例提供的宽带、混合型一分四功分器电路板顶层电路示意图；

图2为本发明实施例提供的宽带、混合型一分四功分器电路板底层电路示意图；

图3为本发明实施例提供的宽带、混合型一分四功分器仿真电路图；

图4为本发明实施例提供的宽带、混合型一分四功分器插入损耗曲线图；

图5为本发明实施例提供的宽带、混合型一分四功分器端口反射系数曲线图；

图6为本发明实施例提供的宽带、混合型一分四功分器输出端口隔离度曲线图；

图7为本发明实施例提供的宽带、混合型一分四功分器传输相位曲线图。

附图标记：P1-输入端口；P2-第一输出端口；P3-第二输出端口；P4-第三输出端口；P5-第四输出端口；第一节、第二节、第三节、第四节、第五节，共5节传输线电路；R1～R16，16个隔离电阻。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

如图1-7所示，一种宽带、混合型一分四功分器，电路采用4节级联直接一分四形式，直接采用一分四形式大幅度简化了电路结构，减小了占用面积；电路分为上下两层：顶层电路、介质层、底层电路，提高了空间利用率，减小了占用面积；占用面积比现有微带电路减少67％以上；双层电路板的结构自上而下依次为：顶层电路、介质层、底层电路。

所述顶层电路包括：输入端口和输入电路、两路4节级联的分支线电路、输出电路、四个输出端口和顶层大面积接地电路；所述底层电路包括：连接顶层电路输入电路的垂直互联电路、两路4节级联的分支线电路、输出电路、连接顶层电路中两个输出端的垂直互联电路、底层大面积接地电路；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、第四输出端口。

输入电路直接连接位于顶层电路的两路分支线电路输入端，底层两路分支线电路的输入电路通过垂直互联电路与位于顶层电路的输入电路连接；所述4节级联的分支线电路的输入阻抗为200欧姆，输出阻抗为50欧姆；每一节阻抗变换电路长度为中心频率的四分之一波长；每一节阻抗变换电路的输出端均通过一个隔离电阻与公共点连接所述级联的分支线电路为阻抗变换电路；顶层电路和底层电路的公共点由垂直互联电路连接；4节级联阻抗变换器的每一节阻抗值由查表或功分器仿真软件计算得出；4节级联阻抗变换电路采用常规共面波导电路，接地共面波导电路连接输出端口和其临近电路；顶层电路和底层电路的四路分支线电路参数相同或相近。应用常规共面波导传输线空间辐射低和耦合弱，高次模抑制好，实际电路输出端口隔离度提高2dB以上。

分支线电路采用4节级联直接一分四形式，采用切比雪夫阻抗匹配传输线电路，分支线电路的输入阻抗为200欧姆，输出阻抗为50欧姆，每一节阻抗变换电路阻抗值由查表或功分器仿真软件计算得出。四路4节级联阻抗变换电路采用常规共面波导电路；连接输出端口和其相邻电路应用接地共面波导电路，接地共面波导连接各输出端口，降低了馈电端口的复杂性，电路布局和设计更加合理；共面波导电路特性阻抗覆盖：20～250Ω，满足宽带、混合型一分四功分器需要阻抗50Ω～200Ω变换要求，共面波导宽频带范围内良好的带内平坦度，在宽频带内特性阻抗及驻波波动小、变化连续平滑等特点，带内起伏下降0.2dB。

顶层电路的输入电路通过一路垂直互联电路与底层电路的两路分支线电路的输入端连接；垂直互联电路的阻抗为分支线输入电路阻抗值，阻抗值为100欧姆。底层电路的两路分支线电路的两个输出电路分别通过两路垂直互联电路与顶层电路的两个输出电路连接，垂直互联电路的阻抗为分支线输出电路阻抗，阻抗值为50欧姆。

分支线电路中每一节的阻抗变换电路输出端均通过一个隔离电阻与公共点连接；顶层电路和底层电路的公共点由垂直互联电路连接，垂直互联电路的阻抗为低阻抗；每一节有4个隔离电阻，并且电阻值相等；电路中隔离电阻的影响减小，功分器共有4×4个隔离电阻，功分器共有16个隔离电阻。

顶层电路的两路4节级联的分支线电路，分别连接第二输出端口和第三输出端口；底层电路的两路4节级联的分支线电路，通过垂直互联电路分别连接顶层电路的第一输出端口和第四输出端口。顶层大面积接地电路通过垂直互联电路穿过电路板的介质层和底层大面积接地电路连接；底层大面积接地电路连接金属屏蔽盒，在工作频率范围内，顶层大面积接地电路和底层大面积接地电路中任意点到金属屏蔽盒任意点的电阻值小于0.5欧姆。设计顶层大面积接地和底层大面积接地，传输电路板的正、反面大面积覆铜，增强了电路板机械强度和电路散热性。

首先输入节数、中心频率、带宽、起始频率(1GHz和3GHz)、阻抗、等设计参数到功分器设计软件，查询或仿真结果如表1：

表1各节阻抗值和电阻值

	第一节	第二节	第三节	第四节	输出电路
						阻抗值Ω	166.8	123.2	85.5	62.7	52.8
电阻值Ω	82	130	180	360

如图1和图2所示，频率1000MHz～3000MHz的宽带、混合型一分四功分器包括：输入端；4路4节分支线电路、4路输出电路、4个输出端，R1～R16，16个隔离电阻，在电路中还设置有多个垂直互联电路(沉铜孔)，通过垂直互联电路(沉铜孔)连接顶层和底层的电路和电阻。如图2所示，电路板底层金属层挖有沟槽等电路，可以使常规共面波导传输线下面电路不接地；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重要。

在该功分器中，接地共面波导电路连接四个输出端口，降低了馈电网络的复杂性，电路布局和设计更加合理；电路板底层电路上设有沟槽，实现常规共面波导的底层电路不接地，应用共面波导电路可以展宽频带、提高端口匹配和隔离度。

使用的微波基板：玻璃布增强PTFE覆铜板，型号SCGA-265，参数：板材总厚度0.8mm，介电常数为2.65，损耗角正切值为0.002@10GHz、介质厚度为0.765mm，覆铜厚度为0.017mm，导热系数0.27W/mK；热膨胀系数(CTE)41/30/217ppm/℃。当板材确定后，常规共面波导的特性阻抗由信号带线宽度和槽线宽度的比例决定，在条件允许下，设计可增大传输线宽度，传输线导体损耗低，尤其是较高阻抗传输线，传输线较宽，损耗大幅降低。电路中传输线较宽，对板材和制版工艺要求降低，可靠性提升。

电路中所用到的电阻型号为：RG0805A500J1，参数：频率18GHz，尺寸为2mm*1.27mm*0.254mm，功率为5W，基片99.6％氧化铝，εr9.7，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，产品的频率高，承受功率大，可焊性与键合性良好。

将表1阻抗和电阻值、电阻和基板参数代入图3仿真电路图。仿真结果见图4、图5、图6、图7。混合型一分四功分器设计，减少节数，减小尺寸；带宽和各端口反射系数大幅度改善，频率为：1000MHz～3000MHz，图4可见，传输损耗减小，S21、S31、S41、S51＞-6.22dB；图5可见，S11＜-29dB，S22、S33、S44、S55＜-33dB；图6可见，隔离度提升，端口S32、S42、S43、S52＞30dB；本实施例中，该整体级联的宽带、混合型一分四功分器设计，其中特性阻抗大于60Ω的四分之一波长阻抗变换传输线由常规共面波导传输线构成。各个端口电路和较低阻抗电路由接地共面波导构成。由图3导出结果的电路板图为图1和图2，电路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等设计目标。

综上，本发明提供一种宽带、混合型一分四功分器，整体级联的共面波导传输线低损耗、宽带、混合型一分四功分器设计，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、高幅度一致性、高相位一致性和承受较大功率，最关键是大幅度减小了占用面积。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种宽带、混合型一分四功分器，其特征在于，电路采用N节级联直接一分四形式，双层电路板的结构自上而下依次为：顶层电路、介质层、底层电路；

所述顶层电路包括：输入端口和输入电路、两路N节级联的分支线电路、输出电路、四个输出端口和顶层大面积接地电路；

所述底层电路包括：连接顶层电路输入电路的垂直互联电路、两路N节级联的分支线电路、输出电路、连接顶层电路中两个输出端的垂直互联电路、底层大面积接地电路；

输入电路直接连接位于顶层电路的两路分支线电路输入端，底层两路分支线电路通过垂直互联电路与位于顶层电路的输入电路连接；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、第四输出端口；所述N节级联的分支线电路的输入阻抗为200欧姆，输出阻抗为50欧姆；每一节阻抗变换电路长度为中心频率的四分之一波长；每一节阻抗变换电路的输出端均通过一个隔离电阻与公共点连接；顶层电路和底层电路的公共点由垂直互联电路连接；N节级联阻抗变换电路采用常规共面波导电路，N为正整数；接地共面波导电路连接输出端口和其相邻电路；顶层电路和底层电路的四路分支线电路参数相同或相近。

2.根据权利要求1所述的一种宽带、混合型一分四功分器，其特征在于，分支线电路采用N节级联直接一分四形式，采用切比雪夫阻抗匹配传输线电路，分支线电路的输入阻抗为200欧姆，输出阻抗为50欧姆。

3.根据权利要求1所述的一种宽带、混合型一分四功分器，其特征在于，四路N节级联阻抗变换电路采用常规共面波导电路；连接输出端口和其相邻电路应用接地共面波导电路。

4.根据权利要求1所述的一种宽带、混合型一分四功分器，其特征在于，顶层电路的输入电路通过一路垂直互联电路与底层电路的两路分支线电路的输入端连接；垂直互联电路的阻抗为分支线输入电路阻抗值，阻抗值为100欧姆。

5.根据权利要求1所述的一种宽带、混合型一分四功分器，其特征在于，底层电路的两路分支线电路的两个输出电路分别通过两路垂直互联电路与顶层电路的两个输出电路连接，垂直互联电路的阻抗为分支线输出电路阻抗，阻抗值为50欧姆。

6.根据权利要求1所述的一种宽带、混合型一分四功分器，其特征在于，分支线电路中每一节的阻抗变换电路输出端均通过一个隔离电阻与公共点连接；顶层电路和底层电路的公共点由垂直互联电路连接，垂直互联电路的阻抗为低阻抗；每一节有4个隔离电阻，并且电阻值相等；功分器共有4×N个隔离电阻。

7.根据权利要求1所述的一种宽带、混合型一分四功分器，其特征在于，顶层电路的两路N节级联的分支线电路，分别连接第二输出端口和第三输出端口；底层电路的两路N节级联的分支线电路，通过垂直互联电路分别连接顶层电路的第一输出端口和第四输出端口。

8.根据权利要求1所述的一种宽带、混合型一分四功分器，其特征在于，顶层大面积接地电路通过垂直互联电路穿过电路板的介质层和底层大面积接地电路连接；底层大面积接地电路连接金属屏蔽盒，在工作频率范围内，顶层大面积接地电路和底层大面积接地电路中任意点到金属屏蔽盒任意点的电阻值小于0.5欧姆。

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