CN116995392A - 功分器和射频微波系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种功分器和射频微波系统，通过设置功分器的功分支路包括连接在功分支路的输入端和功分支路的输出端之间的低频拓宽模块，低频拓宽模块包括π型电阻式衰减器和第一电容，第一电容连接并联在π型电阻式衰减器的第一端和第二端之间。其中，π型电阻式衰减器的设置，可以通过牺牲低频的插入损耗来提高功分器在低频处的隔离度和回波损耗，从而拓展低频工作带宽。第一电容连接并联在π型电阻式衰减器的第一端和第二端之间，可以使得功分器输入端所输入信号中的高频部分会通过第一电容直接到达对应功分支路的输出端，因此高频部分的信号基本不会衰减，高频部分的插入损耗也基本不会被牺牲掉，进而保证功分器在高频处的电性能。

Description

功分器和射频微波系统

技术领域

本发明实施例涉及通信技术领域，尤其涉及一种功分器和射频微波系统。

背景技术

功分器是射频微波系统的关键部件，对整个系统的各个指标有着重要影响。

功分器通常包括多个支路，支路中包括电阻、电容、电感等电路器件，功分器可以将一路输入信号分成多路相等或不相等的信号，从多个支路输出。

然后，现有功分器很少能覆盖到低频段，比如1GHz一下甚至更低的频段。

发明内容

本发明提供一种功分器和射频微波系统，以实现拓展低频工作带宽，并保证高频处的电性能。

第一方面，本发明实施例提供了一种功分器，包括：输入端、至少两个输出端以及至少两个功分支路；

功分支路的输入端与功分器的输入端电连接，功分支路的输出端与功分器的输出端一一对应电连接；功分支路包括连接在功分支路的输入端和功分支路的输出端之间的低频拓宽模块，低频拓宽模块包括π型电阻式衰减器和第一电容，第一电容连接并联在π型电阻式衰减器的第一端和第二端之间，其中，π型电阻式衰减器的第一端连接低频拓宽模块的输入端，π型电阻式衰减器的第二端连接低频拓宽模块的输出端。

可选的，π型电阻式衰减器包括第一电阻、第二电阻和第三电阻，第一电阻连接在低频拓宽模块的输入端和低频拓宽模块的输出端之间；第二电阻的第一端与第一电阻的第一端电连接，第二电阻的第二端接地；第三电阻的第一端与第一电阻的第二端电连接，第二电阻的第二端接地；

其中，第一电阻的第一端作为π型电阻式衰减器的第一端，第一电阻的第二端作为π型电阻式衰减器的第二端。

可选的，功分支路还包括阻抗变换模块，阻抗变换模块的输入端与功分支路的输入端电连接，阻抗变换模块的输出端与低频拓宽模块的输入端电连接，阻抗变换模块用于进行阻抗变换以提高功分器的工作频带宽度。

可选的，阻抗变换模块包括连接在阻抗变换模块的输入端和输出端之间的至少两级阻抗变换单元，阻抗变换单元包括电感和第二电容，各级阻抗变换单元的电感串联在阻抗变换模块的输入端和输出端之间；第二电容的第一端与对应的电感的第一端连接，第二电容的第二端接地，其中第一级阻抗变换单元的电感的第一端与功分支路的输入端电连接，第一级阻抗变换单元的后级阻抗变换单元的电感的第一端与前一级阻抗变换单元的电感的第二端电连接。

可选的，功分器还包括至少两个隔离电阻，隔离电阻设置于不同功分支路的同级阻抗变换单元的输出端之间，其中阻抗变换单元的输出端连接阻抗变换单元中电感的第二端。

可选的，各功分支路中，第一级阻抗变换单元的等效阻抗至最后一级阻抗变换单元的等效阻抗逐渐减小。

可选的，功分器集成于电路板上。

可选的，功分器采用GaAs工艺制备。

可选的，功分器的长小于或等于1.9毫米，功分器的宽小于或等于1.9毫米，功分器的高小于或等于0.1毫米。

第二方面，本发明实施例还提供了一种射频微波系统，包括第一方面的功分器。

本发明实施例的功分器和射频微波系统，通过设置功分器的功分支路包括连接在功分支路的输入端和功分支路的输出端之间的低频拓宽模块，低频拓宽模块包括π型电阻式衰减器和第一电容，第一电容连接并联在π型电阻式衰减器的第一端和第二端之间。其中，π型电阻式衰减器的设置，可以通过牺牲低频的插入损耗来提高功分器在低频出的隔离度和回波损耗，从而拓展低频工作带宽。第一电容连接并联在π型电阻式衰减器的第一端和第二端之间，可以使得功分器输入端所输入信号中的高频部分会通过第一电容直接到达对应功分支路的输出端，因此高频部分的信号基本不会衰减，高频部分的插入损耗也基本不会被牺牲掉，进而保证功分器在高频处的电性能。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种功分器的电路结构示意图；

图2是本发明实施例提供的另一种功分器的电路结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种功分器芯片的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的功分器的插入损耗的仿真图；

图5是本发明实施例提供的功分器的隔离度的仿真图；

图6是本发明实施例提供的功分器的输入端的回波损耗的仿真图；

图7是本发明实施例提供的功分器的输出端的回波损耗的仿真图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

图1是本发明实施例提供的一种功分器的电路结构示意图，参考图1，该功分器，包括：输入端IN、至少两个输出端OUT以及至少两个功分支路100(图1中示例性示出了功分器包括两个功分支路100的情况)；

功分支路100的输入端与功分器的输入端IN电连接，功分支路100的输出端与功分器的输出端OUT一一对应电连接；功分支路100包括连接在功分支路100的输入端和功分支路100的输出端之间的低频拓宽模块110，低频拓宽模块110包括π型电阻式衰减器和第一电容C1，第一电容C1连接并联在π型电阻式衰减器的第一端和第二端之间，其中，π型电阻式衰减器的第一端连接低频拓宽模块110的输入端，π型电阻式衰减器的第二端连接低频拓宽模块110的输出端。

其中，功分器的指标包括插入损耗、功分器输入端/输出端的回波损耗、输出端之间的隔离度，其中功分器的工作带宽与上述指标相关。本实施例中，设置功分支路100包括低频拓宽模块110，低频拓宽模块110包括π型电阻式衰减器111，可以通过牺牲低频的插入损耗来提高功分器在低频出的隔离度和回波损耗。其中低频至少覆盖到1GHz及1GHz以下的频率，在本发明部分可选实施例中，低频可以包括直流范围。

参考图1，π型电阻式衰减器111包括第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3，第一电阻R1连接在低频拓宽模块110的输入端和低频拓宽模块110的输出端之间；第二电阻R2的第一端与第一电阻R1的第一端电连接，第二电阻R2的第二端接地；第三电阻R3的第一端与第一电阻R1的第二端电连接，第二电阻R2的第二端接地；其中，第一电阻R1的第一端作为π型电阻式衰减器111的第一端，第一电阻R1的第二端作为π型电阻式衰减器111的第二端。

由于π型电阻式衰减器111的设置，会牺牲掉功分器在整个频带内的插入损耗，而高频处带宽无需通过π型电阻式衰减器111来进行拓宽。本实施例中，设置低频拓宽模块110还包括第一电容C1，由于电容具有通交流隔直流，通高频阻低频的属性，则第一电容C1并联在π型电阻式衰减器111的第一端和第二端之间，可以使得功分器输入端IN所输入信号中的高频部分会通过第一电容C1直接到达对应功分支路100的输出端，因此高频部分的信号基本不会衰减，高频部分的插入损耗也基本不会被牺牲掉，进而保证功分器在高频处的电性能。

本实施例的功分器，通过设置功分支路包括连接在功分支路的输入端和功分支路的输出端之间的低频拓宽模块，低频拓宽模块包括π型电阻式衰减器和第一电容，第一电容连接并联在π型电阻式衰减器的第一端和第二端之间。其中，π型电阻式衰减器的设置，可以通过牺牲低频的插入损耗来提高功分器在低频出的隔离度和回波损耗，从而拓展低频工作带宽。第一电容连接并联在π型电阻式衰减器的第一端和第二端之间，可以使得功分器输入端所输入信号中的高频部分会通过第一电容直接到达对应功分支路的输出端，因此高频部分的信号基本不会衰减，高频部分的插入损耗也基本不会被牺牲掉，进而保证功分器在高频处的电性能。

图2是本发明实施例提供的另一种功分器的电路结构示意图，可选的，功分支路100还包括阻抗变换模块120，阻抗变换模块120的输入端与功分支路100的输入端IN电连接，阻抗变换模块120的输出端与低频拓宽模块110的输入端电连接，阻抗变换模块120用于进行阻抗变换以提高功分器的工作频带宽度。

其中阻抗变换模块120可以包括电阻器件和电容器件，阻抗变换模块120具有较低的功分器匹配电路的品质因数，进而提高功分器的工作频带宽度。

继续参考图2，可选的，阻抗变换模块120包括连接在阻抗变换模块120的输入端和输出端之间的至少两级阻抗变换单元121，阻抗变换单元121包括电感L和第二电容C2，各级阻抗变换单元121的电感L串联在阻抗变换模块120的输入端和输出端之间；第二电容C2的第一端与对应的电感L的第一端连接(其中第二电容C2对应的电感L为与第二电容C2属于同一阻抗变换单元121的电感)，第二电容C2的第二端接地，其中第一级阻抗变换单元121的电感L的第一端与功分支路100的输入端IN电连接，第一级阻抗变换单元121的后级阻抗变换单元121的电感L的第一端与前一级阻抗变换单元121的电感L的第二端电连接(例如，第n级阻抗变换单元121的电感L的第一端与第(n-1)级阻抗变换单元121的电感L的第二端电连接，其中n为大于或等于2的整数)。

具体的，阻抗变换单元121的级数越多，即功分器匹配电路的品质因数越低，功分器的工作频带越宽。但是，阻抗变换模块120虽然可以对功分器的中高频工作频带拓宽作用明显，但由于芯片尺寸的限制，对低频的拓宽范围却有限。因此，设置低频拓宽模块110与阻抗变换模块120的输出端连接，进而通过阻抗变换模块120中的多级阻抗变换单元121，实现对功分器整个工作频带的初步拓宽；通过低频拓宽模块110，在保证高频处的电性能的前提下，实现对功分器低频工作频带的进一步拓宽。

参考图2，在本发明一可选实施例中，各阻抗变换模块120均包括5级阻抗变换单元121。具体的，因阻抗变换模块120所包括的阻抗变换单元121的级数越多，阻抗变换模块120所要占用的面积越大。由于功分器存在尺寸限制，本实施例设置阻抗变换模块120包括5级阻抗变换单元121，进而在保证功分器工作频带较宽的前提下，使得阻抗变换模块120所占用面积不会过大，进而使得功分器的尺寸可以满足要求。

其中，第一级阻抗变换单元121的电感L和第二电容C2，需要与功分器的输入端IN进行阻抗匹配设计；第n级阻抗变换单元121的电感L和第二电容C2，需要与第(n-1)级阻抗单元的输出端进行阻抗匹配设计。图2中以功分器包括两个功分支路100，分别记为第一功分支路101和第二功分支路102，其中第一功分支路101所连接的功分器的输出端记为第一输出端OUT1，第二功分支路102所连接的功分器的输出端记为第二输出端OUT2。其中，第一功分支路101的低频拓宽模块110记为第一低频拓宽模块111，第一低频拓宽模块111包括第一π型电阻式衰减器，第一π型电阻式衰减器包括第一电阻一R11、第二电阻一R21、第三电阻一R31，第一低频拓宽模块111包括第一电容一C11。第一功分支路101的阻抗变换模块120记为第一阻抗变换模块121。其中，第二功分支路102的低频拓宽模块110记为第二低频拓宽模块112，第二低频拓宽模块112包括第二π型电阻式衰减器，第二π型电阻式衰减器包括第一电阻二R12、第二电阻二R22、第三电阻二R32，第二低频拓宽模块112包括第一电容二C12。

第二功分支路102的阻抗变换模块120记为第二阻抗变换模块122。

其中，阻抗变换模块中，第一级阻抗变换单元中的第二电容C2记为第二电容一C21，第一级阻抗变换单元中的电感记为第一电感L1；第二级阻抗变换单元中的第二电容C2记为第二电容二C22，第二级阻抗变换单元中的电感记为第二电感L2；第三级阻抗变换单元中的第二电容C2记为第二电容三C22，第三级阻抗变换单元中的电感记为第三电感L3；第四级阻抗变换单元中的第二电容C2记为第二电容四C24，第四级阻抗变换单元中的电感记为第四电感L4；第五级阻抗变换单元中的第二电容C2记为第二电容五C25，第五级阻抗变换单元中的电感记为第五电感L5。

以第一功分支路101为例，示例性的，第一输出端OUT1为标准50Ω阻抗，通过各级阻抗变换单元121的电感L和第二电容C2的设计，使得从第一输出端OUT1往功分器的输入端IN方向的各级阻抗变换单元的等效阻抗逐级增大，分别为54Ω、63Ω、73Ω、83Ω以及94Ω，从而实现将第一输出端OUT1的50Ω阻抗变换至输入端的100Ω阻抗。对于第二功分支路102同理，因此经过上下两路并联后，功分器的输入端IN的阻抗为标准的50欧姆，实现阻抗匹配。其中，第一级阻抗变换单元中的第一电感L1和第二电容一C21需要与功分器输入端IN进行阻抗匹配设计。其中，第n级阻抗变换单元中的第一电感和第二电容一需要与前一级阻抗变换单元的输出端进行阻抗匹配设计，n为大于或等于2的整数。

因阻抗变换模块120包括至少两级阻抗变换单元121，使得阻抗变换模块120在拓宽频带的同时会带来插入损耗增大，尤其在高频部分插入损耗的增大更为明显。而通过设置功分支路100包括连接在阻抗变换模块120的输出端和功分支路100输出端之间的低频拓宽模块110，低频拓宽模块110中π型电阻式衰减器111的设置，会牺牲掉低频信号的部分插入损耗，使得低频部分的插入损耗增大。而低频拓宽模块110中第一电容C1的设置，使得高频信号可以直接通过第一电容C1到达功分支路100的输出端，使得在低频拓宽模块110高频部分基本无插入损耗。因此，低频拓宽模块110的设置，可以平衡低频部分和高频部分的插入损耗，使得功分器输入端的输入信号经过阻抗变换模块120和低频拓宽模块110后，高频部分和低频部分的插入损耗基本一致，进而使得功分器的整个工作频带内的插入损耗均匀平坦。示例性的，功分器输入端IN的输入信号经过阻抗变换模块120后，高频部分的插入损耗为7-8dB，低频部分的插入损耗为3-4dB；经过低频拓宽模块110时，高频部分的插入损耗几乎为0，低频部分的插入损耗为3-4dB；则对于功分器输入端的输入信号经过整个功分支路100到达功分支路100的输出端时，高频部分和低频部分的插入损耗均为7-8dB。

因此，本实施例中，通过设置功分支路100包括阻抗变换模块120和低频拓宽模块110，可以将在阻抗变换模块120中相对于高频部分插入损耗较小的低频部分插入损耗在低频拓宽模块110中牺牲掉，不仅可以是整个工作频带内的插入损耗指标比较平坦，更能提升低频处的隔离度和回波损耗，进而拓宽低频工作带宽。

继续参考图2，功分器还包括至少两个隔离电阻R0，隔离电阻R0设置于不同功分支路100的同级阻抗变换单元121的输出端之间，其中阻抗变换单元121的输出端连接阻抗变换单元121中电感L的第二端。隔离电阻R0的设置，可以保证相邻连接阻抗变换单元121输出端之间的隔离度。其中，参考图2，第一功分支路101和第二功分支路102中同级阻抗变换单元以及同级阻抗变换单元之间的隔离电阻形成Wilkinson结构。第一功分支路101和第二功分支路102中第一级阻抗变换单元的输出端连接第一隔离电阻R01，第一功分支路101和第二功分支路102中第二级阻抗变换单元的输出端连接第二隔离电阻R02，第一功分支路101和第二功分支路102中第三级阻抗变换单元的输出端连接第三隔离电阻R03，第一功分支路101和第二功分支路102中第四级阻抗变换单元的输出端连接第四隔离电阻R04，第一功分支路101和第二功分支路102中第五级阻抗变换单元的输出端连接第五隔离电阻R05。

在上述技术方案的基础上，可选的，功分器集成于电路板上。具体的，可以将功分器电路在电路板上制作，形成功分器芯片。

图3是本发明实施例提供的一种功分器芯片的结构示意图，参考图3，可选的，功分器的长a1小于或等于1.9毫米，功分器的宽b1小于或等于1.9毫米，功分器的高c1小于或等于0.1毫米。

本实施例中，功分器的尺寸较小，进而可以保证功分器可以在更加狭小的空间内摆放，示例性的，将功分器应用于射频微波系统时，在保证功分器具有较宽的工作频带的前提下，有利于保证射频微波系统的小型化、轻量化。

在上述技术方案的基础上，可选的，功分器采用GaAs工艺制备。

具体的，功分器可以采用单片微波集成电路(Monolithic Microwave IntegratedCircuit，MMIC)GaAs工艺制备。传统的功分器电路采用薄膜工艺制作基片，以及微带线制作时，工艺误差大，线宽及线间距等在加工时会存在误差，制作出的功分器的电性能曲线会和设计曲线存在一定差距。基于MMIC GaAs工艺的功分器，工艺精度高，电感电容控制精确，可以精确控制功分器波形，并且工艺一致性好，成品率高，一次性设计成功率高。并且，基于MMIC GaAs工艺的功分器，尺寸较小，更有利于实现射频微波系统的小型化、轻量化。

需要说明的是，本发明上述任意实施例的功分器，可以是0°功分器，其中0°功分器工作频率为DC(直流)～8GHz，输入回波损耗≥10dB，输出回波损耗≥18dB，幅度不平衡度≤0.1dB，相位不平衡度≤0.2°，隔离度≥13dB，插入损耗≤4.8dB；该0°功分器可以基于GaAs工艺制备。

图4是本发明实施例提供的功分器的插入损耗的仿真图，该仿真图可以对应对图2所示功分器的插入损耗的仿真结果，参考图4，其中横坐标表示频率，纵坐标表示插入损耗，第一曲线11表示输入端到第一输出端的插入损耗，第二曲线21表示输入端到第二输出端的插入损耗，在DC～8GHz的频带范围内，功分器整体的插入损耗基本分布在7dB～8dB之间，插入损耗平坦度为±0.5dB，较为平坦。

图5是本发明实施例提供的功分器的隔离度的仿真图，该仿真图可以对应对图2所示功分器的隔离度的仿真结果，参考图5，其中横坐标表示频率，纵坐标表示第一输出端和第二输出端之间的隔离度，1GHz～8GHz的工作频带内具有非常高的隔离度，隔离度≥20dB；同时1GHz以下的隔离度也在13dB以上，能够满足两路输出端之间对隔离度的要求。

图6是本发明实施例提供的功分器的输入端的回波损耗的仿真图，该仿真图可以对应对图2所示功分器的输入端的回波损耗的仿真结果，参考图6，其中横坐标表示频率，纵坐标表示输入端的回波损耗，在DC～8GHz的工作频带内，功分器的输入端驻波匹配良好，回波损耗≥10dB。

图7是本发明实施例提供的功分器的输出端的回波损耗的仿真图，该仿真图可以对应对图2所示功分器的输出端的回波损耗的仿真结果，参考图7，其中横坐标表示频率，纵坐标表示输出端的回波损耗，第三曲线31表示第一输出端的回波损耗，第四曲线41表示第二输出端的回波损耗，在DC～8GHz的工作频带内，功分器的两个输出端均有优良的驻波特性，且两路回波损耗基本一致，回波损耗≥18dB。

本发明实施例还提供了一种射频微波系统，该射频微波系统包括本发明上述任意实施例的功分器，具备本发明上述任意实施例的功分器的有益效果。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种功分器，其特征在于，包括：输入端、至少两个输出端以及至少两个功分支路；

所述功分支路的输入端与所述功分器的输入端电连接，所述功分支路的输出端与所述功分器的输出端一一对应电连接；所述功分支路包括连接在所述功分支路的输入端和所述功分支路的输出端之间的低频拓宽模块，所述低频拓宽模块包括π型电阻式衰减器和第一电容，所述第一电容连接并联在所述π型电阻式衰减器的第一端和第二端之间，其中，所述π型电阻式衰减器的第一端连接所述低频拓宽模块的输入端，所述π型电阻式衰减器的第二端连接所述低频拓宽模块的输出端。

2.根据权利要求1所述的功分器，其特征在于，所述π型电阻式衰减器包括第一电阻、第二电阻和第三电阻，所述第一电阻连接在所述低频拓宽模块的输入端和所述低频拓宽模块的输出端之间；所述第二电阻的第一端与所述第一电阻的第一端电连接，所述第二电阻的第二端接地；所述第三电阻的第一端与所述第一电阻的第二端电连接，所述第二电阻的第二端接地；

其中，所述第一电阻的第一端作为所述π型电阻式衰减器的第一端，所述第一电阻的第二端作为所述π型电阻式衰减器的第二端。

3.根据权利要求1所述的功分器，其特征在于，所述功分支路还包括阻抗变换模块，所述阻抗变换模块的输入端与所述功分支路的输入端电连接，所述阻抗变换模块的输出端与所述低频拓宽模块的输入端电连接，所述阻抗变换模块用于进行阻抗变换以提高所述功分器的工作频带宽度。

4.根据权利要求3所述的功分器，其特征在于，所述阻抗变换模块包括连接在所述阻抗变换模块的输入端和输出端之间的至少两级阻抗变换单元，所述阻抗变换单元包括电感和第二电容，各级所述阻抗变换单元的所述电感串联在所述阻抗变换模块的输入端和输出端之间；所述第二电容的第一端与对应的所述电感的第一端连接，所述第二电容的第二端接地，其中第一级所述阻抗变换单元的所述电感的第一端与所述功分支路的输入端电连接，第一级所述阻抗变换单元的后级所述阻抗变换单元的所述电感的第一端与前一级所述阻抗变换单元的所述电感的第二端电连接。

5.根据权利要求4所述的功分器，其特征在于，所述阻抗变换模块包括连接在所述阻抗变换模块的输入端和输出端之间的五级阻抗变换单元。

6.根据权利要求4所述的功分器，其特征在于，还包括至少两个隔离电阻，所述隔离电阻设置于不同所述功分支路的同级所述阻抗变换单元的输出端之间，其中所述阻抗变换单元的输出端连接所述阻抗变换单元中所述电感的第二端。

7.根据权利要求1所述的功分器，其特征在于，所述功分器集成于电路板上。

8.根据权利要求1所述的功分器，其特征在于，所述功分器采用GaAs工艺制备。

9.根据权利要求1-8任一项所述的功分器，其特征在于，所述功分器的长小于或等于1.9毫米，所述功分器的宽小于或等于1.9毫米，所述功分器的高小于或等于0.1毫米。

10.一种射频微波系统，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的功分器。