CN209312978U - 一种大功分比的微带功分器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种大功分比的微带功分器，包括双面覆铜的PCB基板，所述PCB基板一面上设置有微带功分信号层；微带功分信号层包括输入传输线、第一输出传输线和第二输出传输线，第一输出传输线一端连接有第一阻抗变换器，第二输出传输线一端连接有第二阻抗变换器，输入传输线、第一阻抗变换器和第二阻抗变换器均连接于一个交集点，且在交集点处形成一个T型微带结；本实用新型通过在输入传输线上并联有开路的扇形结短截线，第一阻抗变换器并联有开路的单枝节，第二阻抗变换器采用两级阶梯渐变的微带结构，降低了高阻微带线的阻值，增大了线宽，降低加工工艺的难度和制作成本，减小了实际加工中的工艺难度。
Description
技术领域
本实用新型涉及射频器件技术领域，具体涉及一种大功分比的微带功分器。
背景技术
功分器全称功率分配器，是一种将一路输入信号能量分成两路或多路输出相等或不相等能量的器件，已成为雷达和天线阵列馈电网络必不可少的元器件。随着宽带天线技术的不断发展，对功分器提出了更高的要求，带宽要求更高，功率分配比例更大，尤其是由宽带天线组成相控阵时，更是要同时满足高带宽和高功分比的需求。
目前，微带T型功分器是阵列天线馈电网络中最常见的微带功分器，容易实现各种形式的复杂馈电网络，但是实现大功分比还需要用到高阻抗微带线。高阻抗微带线的线宽非常窄，在现有加工水平下，不仅难以加工，制作成本高，调试难度大，而且不便于小型化，批量生产的一致性较差。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本实用新型解决的技术问题为：在现有加工水平下，如何提高微带功分器的功分比，便于推广应用。
为达到以上目的，本实用新型提供的一种大功分比的微带功分器，包括输入端口、第一输出端口、第二输出端口和双面覆铜的PCB基板，所述PCB基板一面设置为金属接地层，另一面上设置有用于将微波信号分为至少两路微波信号的微带功分信号层；微带功分信号层包括输入传输线、第一输出传输线和第二输出传输线，输入传输线一端与输入端口连接；第一输出传输线一端连接有第一阻抗变换器，另一端与第一输出端口连接；第二输出传输线一端连接有第二阻抗变换器，另一端与第二输出端口连接；输入传输线、第一阻抗变换器和第二阻抗变换器均连接于一个交集点，且在交集点处形成一个T型微带结；
所述输入传输线上并联有开路的扇形结短截线，第一阻抗变换器并联有开路的单枝节，第二阻抗变换器采用两级阶梯渐变的微带结构，用于实现与输入传输线的阻抗匹配，并与第一阻抗变换器协同调节功分比。
在上述技术方案的基础上，所述PCB基板为FR-4双层电路板。
在上述技术方案的基础上，所述PCB基板的介质层厚度1mm，相对介电常数为4.4，介质损耗正切角为0.02。
在上述技术方案的基础上，所述PCB基板上的铜箔厚度为1盎司。
在上述技术方案的基础上，所述微带功分信号层采用线路板干法刻蚀技术设置在PCB基板的板面上。
在上述技术方案的基础上，所述金属接地层涂覆有导电胶，用于与微带功分器的壳体粘接。
在上述技术方案的基础上，所述扇形结短截线的扇形结半径为9mm，圆心角为40°。
在上述技术方案的基础上，所述扇形结短截线在输入传输线的接入点至交集点的距离为λ/4。
在上述技术方案的基础上，所述输入传输线、第一输出传输线和第二输出传输线均50欧姆无耗传输线。
在上述技术方案的基础上，所述第一阻抗变换器和第二阻抗变换器的中心线共线。
与现有技术相比，本实用新型的优点在于：
1)通过在输入传输线上并联扇形结短截线，与矩形短截线相比，扇形结短截线具有渐变结构，不仅能提升功分器的非频变性能，进一步拓展输入端口的驻波比带宽，而且还能通过调节扇形结的半径尺寸，来调整微带功分器的工作频段；
2)利用高阻抗线与单枝节等效替换，在第一阻抗变换器并联开路的单枝节，一方面实现第一输出端口的高阻抗特性，增加第一阻抗变换器的阻带带宽，大大降低加工工艺的难度和制作成本，便于批量生产；另一方面对二次谐波起到抑制的作用，有效提升输出端口间的隔离度指标；
3)第二阻抗变换器采用两级阶梯渐变微带结构，实现与输入传输线的阻抗匹配，并与第一输出传输线协同调节功分比，进而在保证宽带的同时，提高了微带功分器的功分比。
附图说明
图1为本实用新型的主视结构示意图。
图2为本实用新型的俯视结构示意图。
图3为高阻抗线与单枝节等效替换网络的示意图。
图中：1-微带功分信号层，2-PCB基板，3-金属接地层，4-第二输出传输线，5-扇形结短截线，6-输入传输线，7-输入端口，8-第一阻抗变换器，9-第一输出传输线，10-第二输出端口，11-第二阻抗变换器，12-单枝节，13-第一输出端口。
具体实施方式
本实用新型中扇形结短截线和单枝节均为现有技术，以下结合附图对本实用新型的实施例作进一步详细说明。
实施例1：一种大功分比的微带功分器，参见图1所示，包括输入端口7、第一输出端口13、第二输出端口10和双面覆铜的PCB基板2，PCB基板2一面设置为金属接地层3，PCB基板2另一面上设置有微带功分信号层1，微带功分信号层1用于将微波信号分为至少两路微波信号。
参见图2所示，微带功分信号层1包括输入传输线6、第一输出传输线9和第二输出传输线4，输入传输线6一端与输入端口7连接，作为微波信号的输入端；第一输出传输线9一端连接有第一阻抗变换器8，第一输出传输线9另一端与第一输出端口13连接，作为微波信号的一个输出端；第二输出传输线4一端连接有第二阻抗变换器11，第二输出传输线4另一端与第二输出端口10连接，作为微波信号的一个输出端；输入传输线6、第一阻抗变换器8和第二阻抗变换器11均连接于一个交集点，且在交集点处形成一个T型微带结。
参见图2所示，所述输入传输线6上并联有开路的扇形结短截线5，利用扇形结短截线5的渐变结构，提升功分器的非频变性能，进而提升输入端口7驻波比带宽；第一阻抗变换器8并联有开路的单枝节12，用于实现第一输出端口13的高阻抗特性的同时，增加第一阻抗变换器8的阻带带宽，并对二次谐波起到抑制的作用，有效提升输出端口间的隔离度指标；第二阻抗变换器11采用两级阶梯渐变的微带结构，形成一个二级联阻抗变换单元，使得特性阻抗沿电磁信号的传播方向逐级递减，阻抗变化趋势更为平滑，减小电磁波在第二输出传输线4中传播时的反射，拓展了工作频带的带宽，用于实现与输入传输线6的阻抗匹配，并与第一阻抗变换器8协同调节功分比。
本实用新型实施例中，通过在输入传输线6上并联扇形结短截线5，与矩形短截线相比，扇形结短截线5具有渐变结构，能提升功分器的非频变性能，进一步拓展输入端口7的驻波比带宽。与此同时，还能通过调节扇形结的半径尺寸，来调整微带功分器的工作频段；例如：增大扇形结的半径尺寸，微带功分器的工作频段向低频方向偏移。
在此基础上，利用高阻抗线与单枝节12等效替换，在第一阻抗变换器8并联开路的单枝节12，实现第一输出端口13的高阻抗特性，并增加第一阻抗变换器8的阻带带宽，大大降低加工工艺的难度和制作成本，便于批量生产；第二阻抗变换器11采用两级阶梯渐变微带结构，实现与输入传输线6的阻抗匹配，并与第一输出传输线9协同调节功分比，进而在保证宽带的同时，提高了微带功分器的功分比。
实施例2：在实施例1的基础上，参见图1所示，所述PCB基板2为FR-4双层电路板，FR-4是一种商品化的环氧玻璃布层压板，能以微带电路形式加工实现，电路结构简洁，只需较少调试即可。
实施例3：在实施例2的基础上，参见图1所示，所述PCB基板2的介质层厚度1mm，相对介电常数为4.4，介质损耗正切角为0.02。采用上述参数的PCB基板2具有良好的机械性能和电气性能，使功分器实现单元组合化，提高功分器的质量和可靠性。
实施例4：在实施例1的基础上，参见图1所示，所述PCB基板2上的铜箔厚度为1盎司。在PCB基板2上形成一层薄的、连续的电子级铜箔，当铜箔的厚度为1盎司，既便于刻蚀后形成功分器的电路图样，又降低金属铜的消耗，降低成本。
实施例5：在实施例4的基础上，所述微带功分信号层1采用线路板干法刻蚀技术设置在PCB基板2的板面上。干法刻蚀是用等离子体进行薄膜刻蚀的技术，通过活性离子对衬底的物理轰击和化学反应双重作用刻蚀，同时兼有各向异性和选择性好的优点，有利于精确控制在1盎司的铜箔上刻蚀传输线的阻带带宽。
实施例6：在实施例1的基础上，所述金属接地层3涂覆有导电胶，用于与微带功分器的壳体粘接。金属接地层3通过导电胶与微带功分器的壳体粘接，用于与设备接地；不仅结构简单，易于设计和制作，还有利于将微带功分器集成在微波电路系统和天线阵馈电系统中。
实施例7：在实施例1的基础上，所述扇形结短截线5的扇形结半径为9mm，圆心角为40°。通过调节扇形结的半径尺寸，可调整微带功分器的工作频段，本实施例采用扇形结半径为9mm、圆心角为40°的扇形结短截线5，来调节微带功分器的工作频率为1700MHz，以满足阵列天线工作频率的需要。
实施例8：在实施例1的基础上，参见图2所示，所述扇形结短截线5在输入传输线6的接入点至交集点的距离为λ/4，λ为微带功分器的工作波长。在本实施例中，扇形结短截线5并联在输入传输线6上，并且接入点与交集点的距离为工作波长的四分之一，能最大限度地拓展输入端口7的驻波比带宽。
实施例9：在实施例1-8任一实施例的基础上，参见图2所示，所述输入传输线6、第一输出传输线9和第二输出传输线4均50欧姆无耗传输线。本实施例采用一种均匀、无耗传输线，其特性阻抗为50欧姆，能显著减少微波信号在传输过程中的能量损失。
实施例10：在实施例1-8任一实施例的基础上，参见图2所示，所述第一阻抗变换器8和第二阻抗变换器11的中心线共线，易于平面化实现，可使用PCB工艺，便于大批量生产。
实施例11：在实施例3的基础上，所述扇形结短截线5的扇形结半径为9mm，圆心角为40°，微带功分器的工作频率为1700MHz，输入传输线6、第一输出传输线9和第二输出传输线4均为50欧姆无耗传输线，并且微带线宽均为1.89mm。
鉴于现有的微带功分器，当第一输出端口13与第二输出端口10的功率比为1:17时，即第二输出端口10的信号幅值为第一输出端口13的信号幅值的17倍。根据微带线传输阻抗匹配计算，第二阻抗变换器11的阻带带宽为1.82mm，则第一阻抗变换器8的阻带带宽为0.02mm，现有加工技术，很难加工宽度为0.02mm的微带线。
但在本实施例中，第一阻抗变换器8并联有开路的单枝节12，第二阻抗变换器11采用两级阶梯渐变的微带结构；参见图3所示，根据微波网络理论，单枝节12网络的矩阵可以表示为：
根据两电路等效条件：Zxtan2θxtanθz＝2Zz，Zxtanθx＝Zw；在本实施例中高阻抗微带线的阻抗为212欧姆，长度为18.1mm，因此匹配段的电角度θw＝90°，令θx＝θy,Zx＝Zy。推算出第二阻抗变换器11的阻带带宽为1.82mm，第一阻抗变换器8的阻带带宽为0.72mm，单枝节12的线长为31.7mm，单枝节12的带宽为0.49mm。由此可见，采用本实施例的技术方案，第一阻抗变换器8的阻带带宽为0.72mm，也能实现微带功分器大功分比，大大降低加工工艺的难度和制作成本，便于批量生产。
按照上述优化设计参数，对本实用新型的实物在微波暗室进行测试，测试结果如下：
1、在700～2700MHz频段内，端口驻波比＜1.5，驻波比带宽达到51％；
2、输出端口幅度满足设计要求，频段内幅度波动±0.3dB，频带内端口相位值与设计预定值偏差±1.4°；
3、第一输出端口13与第二输出端口10之间端口隔离度S21＜-20dB；
4、整个微带功分网络最窄匹配段线宽0.49mm，端口差损＜0.5dB。
由以上测试结果可以看出，本实施例的微带功分器兼具频带宽、差损小、输出端口间隔离度高、易加工等优点，能有效解决现有的大功分比微带功分器中，带宽窄、输出端口间隔离度差和高阻抗线过细加工困难的问题。
本实用新型不仅局限于上述最佳实施方式，任何人在本实用新型的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本实用新型相同或相近似的技术方案，均在其保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (10)
1.一种大功分比的微带功分器，包括输入端口(7)、第一输出端口(13)、第二输出端口(10)和双面覆铜的PCB基板(2)，其特征在于：所述PCB基板(2)一面设置为金属接地层(3)，另一面上设置有用于将微波信号分为至少两路微波信号的微带功分信号层(1)；微带功分信号层(1)包括输入传输线(6)、第一输出传输线(9)和第二输出传输线(4)，输入传输线(6)一端与输入端口(7)连接；第一输出传输线(9)一端连接有第一阻抗变换器(8)，另一端与第一输出端口(13)连接；第二输出传输线(4)一端连接有第二阻抗变换器(11)，另一端与第二输出端口(10)连接；输入传输线(6)、第一阻抗变换器(8)和第二阻抗变换器(11)均连接于一个交集点，且在交集点处形成一个T型微带结；输入传输线(6)上并联有开路的扇形结短截线(5)，第一阻抗变换器(8)并联有开路的单枝节(12)，第二阻抗变换器(11)采用两级阶梯渐变的微带结构。
2.如权利要求1所述的一种大功分比的微带功分器，其特征在于：所述PCB基板(2)为FR-4双层电路板。
3.如权利要求2所述的一种大功分比的微带功分器，其特征在于：所述PCB基板(2)的介质层厚度1mm，相对介电常数为4.4，介质损耗正切角为0.02。
4.如权利要求1所述的一种大功分比的微带功分器，其特征在于：所述PCB基板(2)上的铜箔厚度为1盎司。
5.如权利要求4所述的一种大功分比的微带功分器，其特征在于：所述微带功分信号层(1)采用线路板干法刻蚀技术设置在PCB基板(2)的板面上。
6.如权利要求1所述的一种大功分比的微带功分器，其特征在于：所述金属接地层(3)涂覆有导电胶，用于与微带功分器的壳体粘接。
7.如权利要求1所述的一种大功分比的微带功分器，其特征在于：所述扇形结短截线(5)的扇形结半径为9mm，圆心角为40°。
8.如权利要求1所述的一种大功分比的微带功分器，其特征在于：所述扇形结短截线(5)在输入传输线(6)的接入点至交集点的距离为λ/4。
9.如权利要求1-8任一项所述的一种大功分比的微带功分器，其特征在于：所述输入传输线(6)、第一输出传输线(9)和第二输出传输线(4)均50欧姆无耗传输线。
10.如权利要求1-8任一项所述的一种大功分比的微带功分器，其特征在于：所述第一阻抗变换器(8)和第二阻抗变换器(11)的中心线共线。
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