CN115313007A - 一种超宽带小型化微带功分器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超宽带小型化微带功分器，属于电子信息工程技术领域，包括基板、输入端、第一输出端、第二输出端、阻抗变换器，所述输入端、第一输出端、第二输出端、阻抗变换器均设置在所述基板的顶部，所述输入端与阻抗变换器的一端连接，所述第一输出端、第二输出端分别与所述阻抗变换器的另一端连接；所述第一输出端、第二输出端均包括依次连接的第一弧形微带部、第二弧形微带部。本发明具备小型化、高散热性能及耐功率性能的优良特性，同时具备超低插入损耗及较高合成效率，能够在超宽工作带宽情况下使用，其工作带宽跨越3个倍频程，覆盖6～18GHz全频带，值得被推广使用。

Description

一种超宽带小型化微带功分器

技术领域

本发明涉及电子信息工程技术领域，具体涉及一种超宽带小型化微带功分器。

背景技术

功分器又叫合路器它是一种将一路输入信号能量分成两路或者多路输出相等或者不等能量的器件，同时它还能反过来将多路信号能量合成一路输出。功分器在结构上可以分为有源功分器和无源功分器，而无源功分器中的微带功分器，又可以分为微带分支线定向耦合器、Wilkinson功分器、双线二分器等功分器，微带传输线是覆在介质基片上的单一导体结构的微波传输线，微带与波导相比具有体积小、重量轻、制作成本低等优点，被广泛应用于各个微波工程产品中。

随着通信技术的不断发展，微波电子产品的集成度、稳定性、轻量化要求越来越高，同时微波通讯系统对电子产品的工作频率宽度和输出功率要求也越来越高。虽然微带线有损耗大、功率容量小的缺点，但微带线的结构简单、工作稳定、体积小的优点是不可取代的。微带线的这些缺点同样会反映到功分器中，插损大首先会造成传输功率的损失，同时会带来热量的增加造成工作的不稳定，严重的会造成为微带线的烧毁。传统微带功分器在超宽带功分的情况下体积也会变大，丧失原本小体积的优势。上述问题亟待解决，为此，提出一种超宽带小型化微带功分器。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于：如何解决传统微带功分器存在的会造成传输功率的损失以及在超宽带功分的情况下体积也会变大，丧失原本小体积优势的问题，提供了一种超宽带小型化微带功分器，本微带功分器实现了一种超宽带、小型化、低损耗、高隔离、可通过大功率且具有良好散热的微带功分器。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括：基板、输入端、第一输出端、第二输出端、阻抗变换器，所述输入端、第一输出端、第二输出端、阻抗变换器均设置在所述基板的顶部，所述输入端与阻抗变换器的一端连接，所述第一输出端、第二输出端分别与所述阻抗变换器的另一端连接；所述第一输出端、第二输出端均包括依次连接的第一弧形微带部、第二弧形微带部；

所述阻抗变换器为多节阻抗变换器，所述多节阻抗变换器包括依次连接的第一节阻抗变换线、第二节阻抗变换线、第三节阻抗变换线，所述第一节阻抗变换线与输入端连接，所述第三节阻抗变换线分别与所述第一输出端、第二输出端连接。

更进一步地，所述第一节阻抗变换线、第二节阻抗变换线、第三节阻抗变换线的微带线阻抗分别为89欧姆、69欧姆、56欧姆。

更进一步地，所述阻抗变换器中任意两节相邻微带阻抗变换线之间为第一端点，以所述微带功分器传输方向为水平轴与第一端点对称的两节相邻微带阻抗变换线之间为第二端点，第一端点与第二端点之间均跨设有隔离电阻。

更进一步地，所述隔离电阻为薄膜电阻。

更进一步地，各隔离电阻的阻值沿所述微带功分器传输方向依次增大，分别为100欧姆、200欧姆、400欧姆。

更进一步地，所述第一弧形微带部所对应的圆心位于所述第一输出端与第二输出端之间，所述第二弧形微带部所对应的圆心位于所述第一输出端/第二输出端的外侧。

更进一步地，所述第一输出端的第一弧形微带部、第二弧形微带部与所述第二输出端第一弧形微带部、第二弧形微带部均以所述输入端的微带线的中心线为轴镜像设置。

更进一步地，所述基板为BeO陶瓷基板，所述BeO陶瓷基板沿所述微带功分器传输方向的长度不大于14.3mm，垂直于所述微带功分器传输方向的长度不大于12mm。

更进一步地，所述基板的底部覆铜镀金。

更进一步地，所述输入端、第一输出端、第二输出端的微带线阻抗均为50欧姆。

更进一步地，所述微带功分器的工作频率为6GHz-18GHz。

本发明相比现有技术具有以下优点：具备小型化、高散热性能及耐功率性能的优良特性，同时具备超低插入损耗及较高合成效率，能够在超宽工作带宽情况下使用，其工作带宽跨越3个倍频程，覆盖6～18GHz全频带，值得被推广使用。

附图说明

图1是本发明实施例中超宽带小型化微带功分器的结构示意图；

图2是本发明实施例中超宽带小型化微带功分器的HFSS仿真结果图；

图3是本发明实施例中传统微带功分器的结构示意图；

图4是本发明实施例中传统微带功分器的HFSS仿真结果图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例提供一种技术方案：一种超宽带小型化微带功分器，包括：

微带线的基板100，基板100采用陶瓷基板，其尺寸为12mm*14.3mm；微带功分器输入端200，其微带线阻抗为50欧姆；微带线输出端300，其微带线阻抗为50欧姆，其包括微带转弯结构310和320(即本发明所述的第一弧形微带部、第二弧形微带部)，转弯半径为2.07mm，其半径为带线中心到圆心的距离；微带线输出端400，其微带线阻抗为50欧姆，其包括微带转弯结构410和420(即本发明所述的第一弧形微带部、第二弧形微带部)，转弯半径为2.07mm；输入端和两个输出端之间为多节阶梯阻抗变换器500，其包括第一节阻抗变换线510、其微带线阻抗为89欧姆，第二节阻抗变换线520，其微带线阻抗为69欧姆，第三节阻抗变换线530，其微带线阻抗为56欧姆；多节微带阻抗变换器中任意两个相邻微带阻抗变换器中的四分之一波长微带阻抗变换线之间均跨设有隔离电阻600，隔离电阻600为薄膜电阻。第一节阻抗变换线510之间的隔离电阻610的电阻值100欧姆，第二节阻抗变换线520之间的隔离电阻620的电阻值200欧姆，第三节阻抗变换线530之间的隔离电阻630的电阻值400欧姆。陶瓷基板底部700，其基板底部覆铜镀金。

需要说明的是，圆弧半径的大小是为了适应输出端口的间距和基板1的大小，本实施例中选择圆弧半径为2.07mm，是根据本模型仿真优化所得。为保证两输出端口驻波、幅度和相位一致性，两输出端严格以输入端带线的中心线为轴镜像设置。

在本实施例中，为使微带功分器能够满足具备良好的散热、较小的体积和加工精度的要求，陶瓷基板选用BeO陶瓷基板，陶瓷基板具有优异的热性能、微波性能、力学性能以及可靠性能高等优点被广泛应用，陶瓷基板的陶瓷材料主要有氧化铍、氧化铝、氮化铝和碳化硅等材料。

更具体地，BeO陶瓷基板中的氧化铍(BeO)为纤锌矿型结构，单胞为立方晶系，其热传导能力极高，BeO质量分数为99％的BeO陶瓷，在室温下其热导率可达310W/(m.k),为同等纯度的Al₂O₃陶瓷热传导率的20倍左右，同时也不是常用RT/duriod5880和RO4350B板材所能比的；BeO陶瓷不但具有极高的传热能力，同时还具有较低的介电常数和介电损耗以及较高的绝缘性能和机械性能等特点。

在本实施例中，为了能够有效的降低本微带功分器的插入损耗、提高频率带宽以及提高功分器之间幅度和相位一致性的目的，本发明中的阻抗变换器(多节阶梯阻抗变换器500)采用了多节阻抗变换来实现。在微波电路中，为了解决阻抗不同的元件、器件相互连接而又不使其各自性能受到影响，常用各种形式的阻抗变换器，其中常用的四分之一波长传输线阶梯阻抗变换器在频率较宽时，当频率偏离中心时，其电长度不再是n/2，变换特性也随之恶化。多节阶梯变换器对各阻抗阶梯产生的反射波彼此可以抵消，于是匹配的频带可以展宽，所以在宽带匹配的场合，采用多节阶梯变换器。

在本实施例中，为了能够使超宽带小型化微带功分器两个输出端口有较高的隔离度，同时隔离电阻还可以承受更大的功率，这里我们选用薄膜电阻，薄膜电阻是在陶瓷基板上溅射沉积金属电阻薄膜，其具有阻值精度高、温度系数低、损耗小、噪音低、寄生效应低，具有较好的高频率特性，同时承受耐功率能力更强。为获得较高端口间隔离度，通过多级薄膜电阻调节阻抗匹配的方式实现。

在本实施例中，为了能够使超宽带小型化微带功分器可以适应各个应用。其功分器多节阻抗变换器到输出口采用圆角拐弯的形式，以方便后期调节两输出端口的间距。

在本实施例中，针对传统功分器体积大、插入损耗大、隔离度等问题，本发明从结构上设置其尺寸为12mm*14.3mm，这样可以应用各种模块内部，实现模块化功率芯片的合成。从材质上陶瓷基板优异的热性能，可以承受更大的功率。从阻抗变换器上独特的多节阻抗变换线，使功分器的插入损耗极小。从工作带宽看其工作频率可以覆盖6GHz-18GHz全频段，同时输出端口间具备较高的隔离度，使其与其他器件匹配时各自性能可以得到更好的适配，工作更稳定。

如图2所示，为实施例中超宽带小型化微带功分器的HFSS仿真结果图。

在本实施例中，还对如图3所示的传统微带功分器进行HFSS仿真，得到如图4所示的传统微带功分器的HFSS仿真结果图。

需要说明的是，HFSS为一款三维电磁仿真软件，HFSS提供了精确自适应的场解器、拥有空前的电性能分析能力、能计算任意形状三维无源结构的S参数和全波电磁场，HFSS以频域仿真为主，仿真结果一般比较准确，但因频域仿真为逐频点计算，仿真耗时较长。ADS软件是当前射频和微波电路设计常用的工程软件，ADS仿真手段丰富多样，可实现包括域和频域、数字和模拟、线性和非线性、电磁和数字处理等仿真手段并可以对设计结果进行成品率分析和优化，从而大大提高了复杂电路的设计效率。因此，本发明采用ADS和HFSS仿真软件联合仿真设计。

在本实施例中，传统微带功分器其仅阻抗变换器长度约为20.9mm，而本发明在传输方向尺寸为14.3mm，而阻抗变换器的长度约为7.1mm，仅为整体传输方向长度的二分之一。对比图2与图4可知，本发明的插入损耗和回波损耗均优于图3传统微带功分器。

综上所述，上述实施例的超宽带小型化微带功分器，具备小型化、高散热性能及耐功率性能的优良特性，同时具备超低插入损耗及较高合成效率，能够在超宽工作带宽情况下使用，其工作带宽跨越3个倍频程，覆盖6～18GHz全频带，值得被推广使用。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种超宽带小型化微带功分器，其特征在于，包括：基板、输入端、第一输出端、第二输出端、阻抗变换器，所述输入端、第一输出端、第二输出端、阻抗变换器均设置在所述基板的顶部，所述输入端与阻抗变换器的一端连接，所述第一输出端、第二输出端分别与所述阻抗变换器的另一端连接；所述第一输出端、第二输出端均包括依次连接的第一弧形微带部、第二弧形微带部；

所述阻抗变换器为多节阻抗变换器，所述多节阻抗变换器包括依次连接的第一节阻抗变换线、第二节阻抗变换线、第三节阻抗变换线，所述第一节阻抗变换线与输入端连接，所述第三节阻抗变换线分别与所述第一输出端、第二输出端连接。

2.根据权利要求1所述的一种超宽带小型化微带功分器，其特征在于：所述阻抗变换器中任意两节相邻微带阻抗变换线之间为第一端点，以所述微带功分器传输方向为水平轴与第一端点对称的两节相邻微带阻抗变换线之间为第二端点，第一端点与第二端点之间均跨设有隔离电阻。

3.根据权利要求2所述的一种超宽带小型化微带功分器，其特征在于：所述第一弧形微带部所对应的圆心位于所述第一输出端与第二输出端之间，所述第二弧形微带部所对应的圆心位于所述第一输出端/第二输出端的外侧。

4.根据权利要求3所述的一种超宽带小型化微带功分器，其特征在于：所述第一输出端的第一弧形微带部、第二弧形微带部与所述第二输出端第一弧形微带部、第二弧形微带部均以所述输入端的微带线的中心线为轴镜像设置。

5.根据权利要求2或4所述的一种超宽带小型化微带功分器，其特征在于：所述隔离电阻为薄膜电阻，各隔离电阻的阻值沿所述微带功分器传输方向依次增大，分别为100欧姆、200欧姆、400欧姆。

6.根据权利要求5所述的一种超宽带小型化微带功分器，其特征在于：所述基板为BeO陶瓷基板，所述BeO陶瓷基板沿所述微带功分器传输方向的长度不大于14.3mm，垂直于所述微带功分器传输方向的长度不大于12mm。

7.根据权利要求1所述的一种超宽带小型化微带功分器，其特征在于：所述输入端、第一输出端、第二输出端的微带线阻抗均为50欧姆。

8.根据权利要求1所述的一种超宽带小型化微带功分器，其特征在于：所述第一节阻抗变换线、第二节阻抗变换线、第三节阻抗变换线的微带线阻抗分别为89欧姆、69欧姆、56欧姆。

9.根据权利要求1所述的一种超宽带小型化微带功分器，其特征在于：所述微带功分器的工作频率为6GHz-18GHz。

10.根据权利要求1所述的一种超宽带小型化微带功分器，其特征在于：所述基板的底部覆铜镀金。

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