CN215184486U - 一种小型化宽频段四等分微带功分器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种小型化宽频段四等分微带功分器，包括壳体（1）、信号输入端（2）、第一功分器（301）、第二功分器（302）、第三功分器（303）、第一信号输出端（401）、第二信号输出端（402）、第三信号输出端（403）、第四信号输出端（404）、涡流（5）和伴地孔(6)。本实用新型在威尔金森功分器的基础上，使用了五支节蛇形走线展宽频谱段，使频段范围扩展至DC‑6G；各个支节自身耦合距离不超过其线宽长度，最小耦合距离仅其线宽的一半，仍能保证功分器的性能；更改功分器的结构设计和调节各个功分器中支节的特性阻抗等措施，使得器件在满足性能要求的同时，尺寸尽量做到了足够小。通过添加涡流来屏蔽信号在板子内层的传播，提高了功分器的隔离度。

Description

一种小型化宽频段四等分微带功分器

技术领域

本实用新型涉及微带功分器领域，尤其涉及一种小型化宽频段四等分微带功分器。

背景技术

功分器是无线通信领域的常用设备，是一种将一路输入信号能量分成两路或多路相等或不相等能量的器件。现代移动通信天线中，功分器在天线反馈电网络里起着重要的作用。随着无线通信技术的发展和通信设备覆盖以及部署场景多样化的快速发展，功分器作为一种重要的无源器件，得到了日益广泛的研究和应用。其中带宽化、小型化是研究的热点。

功分器的主要设计要求是要满足端口驻波系数小，功分器的带内波动小，端口隔离度高，传输损耗低以及相位一致性好，且易于批量生产的电路形式简单的功分器。传统的威尔金森功分器在小型化实用中并不合适。

功分器的隔离度是评价功分器的一个重要指标，传统的功分器的板级隔离度提升措施比较少，或者提升效果不明显。

实用新型内容

为实现上述目的，本实用新型提出一种小型化宽频段四等分微带功分器，包括：

壳体、信号输入端、第一功分器、第二功分器、第三功分器、第一信号输出端、第二信号输出端、第三信号输出端、第四信号输出端、涡流和伴地孔；所述信号输入端安装于所述壳体内腔左侧；所述第一信号输出端、第二信号输出端、第三信号输出端和第四信号输出端与所述壳体内腔右侧连接；所述第一功分器的输入端与信号输入端连接，输出端与第二功分器和第三功分器的输入端连接；第二功分器的信号输出端与第一信号输出端和第二信号输出端连接；第三功分器的输出端与第三信号输出端和第四信号输出端连接；涡流在第二功分器和第三功分器之间排列成U型结构，在第一信号输出端和第二信号输出端之间有两个涡流，在第三信号输出端和第四信号输出端之间有两个涡流；伴地孔位于每个涡流周围；每颗涡流附近伴有3颗伴地孔。

第一功分器、第二功分器和第三功分器均采用多支节蛇形结构输出功率分配信号；所述第一功分器、第二功分器和第三功分器的输入输出微带线特性阻抗为Z₀；第一功分器、第二功分器和第三功分器支节的传输线长度为波长的四分之一，第一功分器、第二功分器和第三功分器的传输线特性阻抗随着信号传输方向逐渐变低。

本实用新型的有益效果：

1.采用涡流的方式提升板级隔离度；

2.根据信号波长选择合适的涡流尺寸和间隔距离，针对性的屏蔽6G以下的信号在板内传播，提升整体隔离度；

3.减小各支节走线长度；压缩各支节之间的耦合距离；压缩每个支节自身的耦合以减小功分器的尺寸；

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型中每个功分器的结构示意图。

其中：1-壳体；2-信号输入端；301-第一功分器；302-第二功分器；303- 第三功分器；401-第一信号输出端；402-第二信号输出端；403-第三信号输出端；404-第四信号输出端；5-涡流；6-伴地孔。

具体实施方式

本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

参照图1，图1为本实用新型实施例方案涉及的一种小型化宽频带四等分微带功分器结构示意图。

如图1所示，提出一种小型化宽频带四等分微带功分器，包括壳体1、信号输入端2、第一功分器301、第二功分器302、第三功分器303、第一信号输出端401、第二信号输出端402、第三信号输出端403、第四信号输出端404、涡流5和伴地孔6；所述信号输入端安装于所述壳体1内腔左侧；所述第一信号输出端401、第二信号输出端402、第三信号输出端403和第四信号输出端 404分别与所述壳体1内腔右侧连接；所述第一功分器301的输入端与信号输入端2连接，输出端分别与第二功分器302和第三功分器303的输入端连接；所述第二功分器302的输出端分别与第一信号输出端401和第二信号输出端 402连接；所述第三功分器303的输出端分别与第三信号输出端403和第四信号输出端404连接；涡流5在第二功分器302和第三功分器303之间排列成U 型结构，在第一信号输出端401和第二信号输出端402之间有两个涡流5，在第三信号输出端404和第四信号输出端404之间有两个涡流5；伴地孔6位于每个涡流5周围；在每个涡流5的周围有3颗伴地孔6在周围排列。

所述主伴地孔5为U型结构。

所述涡流5为无铜皮覆盖的矩形结构。

所述涡流5相邻两个间的距离为2.65mm。(涡流矩形中心到中心的距离)

所述第一功分器301、第二功分器302和第三功分器303均采用五支节蛇形结构。

所述第一功分器301、第二功分器302和第三功分器303中的各个支节的传输线长度小于波长的四分之一。

涡流由尺寸为30mil×30mil的正方形孔构成。

由于最高的工作频率为6GHz，功分器板材为RO4003C，其介电常数为3.55，根据波长的计算公式

其中wavelength(m)表示波长单位为米；Frequency表示频率单位为兆赫兹；E_R为介电常数。

计算得到对应涡流的波长为26.5mm。

为了有效的屏蔽最高到6G的射频信号，令涡流间隔尺寸为波长的十分之一，因此涡流间隔(中心到中心距离)为2.65mm。

涡流位置处于板子的TOP层和bottom层，并且在每个涡流的附近添加地孔。添加涡流后，功分器整体隔离度有6-7dB的提升。

第一功分器301、第二功分器302和第三功分器303均采用五支节蛇形结构输出其功率分配信号。三个功分器的输入与输出微带线特性阻抗为Z₀且各支节的传输线长度小于波长的四分之一，三个功分器的传输特性阻抗随着信号传输方向逐渐降低。

参照图2，图2为本实用新型中每个功分器的结构示意图。

在本实施例中的小型化宽频段四等分微带功分器由三个树杈结构排列的带宽功分器组成。三个功分器均利用威尔金森功分器原理，使输入与输出微带线的特性阻抗为Z₀，端口间的传输线长度小于波长的四分之一，特性阻抗为

从而满足阻抗与阻抗变换匹配；同传统的威尔金森功分器一样引用隔离电阻，达到输出端口之间相互隔离。

如果信号在端口2发生了反射，其中一部分的信号通过电阻到达3端口，另一部分则反射回1端口再度分配，由于阻抗变换线长度为90度，两路反射信号到达3端口时的电长度相差有180°，信号幅度相等，相位相反，彼此抵消，这样就能实现输出端口之间相互隔离。

为了加宽工作频带，本设计采用了多节的功分器，增加了节数。增加波长的四分之一线段和相应的隔离电阻，如果阻抗匹配，各接阻抗产生的反射波就会彼此抵消，这样就能使得匹配的频带得到加宽。

在本实施例中，在威尔金森功分器拓扑结构的基础上，采用五支节蛇形走线展宽频谱，使得频谱段扩展至DC-6G；减小了支节长度，让支节长度小于波长的四分之一，缩小了各个支节间的距离，减小器件的尺寸；通过调节各支节的特性阻抗，抵消各支节产生的反射波并提高微带隔离度，使得耦合器既满足尺寸足够小又能满足一定的性能。通过ADS，HFSS等仿真手段，建立对应的参数模型保证功分器尺寸和性能的最优解。

在优选的实施过程中，为了展宽频谱且兼顾低损耗的特点，选择了节数 n＝5，通过五节微带变换实现DC-6GHz频带覆盖，中心频率为3.6GHz。相对带宽为1.3。根据λ/4阻抗变换器和微带电路理论，得到每节微带线特性阻抗为：

Z₁＝97.845Ω，Z₂＝87.79Ω，Z₃＝70.71Ω，Z₄＝56.955Ω，Z₅＝51.1Ω。

由此可计算出每节微带线的宽度为：

w₁＝0.35mm，w₂＝0.47mm，w₃＝0.79mm，w₄＝1.21mm，w₅＝1.46mm

选用罗杰斯的RO4003C板材作为介质基板，根据介电常数等参数，每节微带线长度L＝λ/4＝10.5mm。由奇偶模分析法得到一组隔离电阻初始值。根据这些初步参数进行仿真优化，减小各支节长度，并尽可能缩小各支节耦合距离，包括各支节之间的耦合距离和每个支节自身的耦合距离，再通过调节各支节的特性阻抗等达到性能和尺寸的平衡，最终每个支节自身的耦合距离都不超过其线宽长度，最小耦合距离只有其线宽的二分之一。

需要说明的是，在本实施例中，通过ADS，momentum对基础拓扑进行初步优化；通过HFSS参数化建模保证设计尺寸最小和性能优良；通过容差分析确保批量生产的可靠性。

仿真和实测数据如表1所示，满足宽带功分器的性能指标，具有较高的隔离度和较低的插入损耗，带内波动较小。

S21

S31

S41

S51

ripple

仿真

-6.4dB

-6.7dB

-6.7dB

-6.4dB

0.7dB

实测

-6.4dB

-6.4dB

-6.4dB

-6.3dB

0.4dB

S11

S22

S33

S44

S55

仿真

-12dB

-17dB

-19dB

-18dB

-19dB

实测

-16dB

-16dB

-19dB

-17dB

-20dB

S23

S24

S25

S34

S35

S45

仿真

-27dB

-25dB

-27dB

-27dB

-27dB

-25dB

实测

-30dB

-27dB

-30dB

-29dB

-28dB

-27dB

表1 仿真和测试数据对比

最终拓扑结构的基本单元，微带电路长度为22.3mm，最宽处仅为9.2mm，将拓扑结构做到了最小，有力支持了宽带四等分功分器的小型化。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种小型化宽频段四等分微带功分器，其特征在于，包括壳体（1）、

信号输入端（2）、第一功分器（301）、第二功分器（302）、第三功分器（303）、第一信号输出端（401）、第二信号输出端（402）、第三信号输出端（403）、第四信号输出端（404）、涡流（5）和伴地孔（6）；所述信号输入端（2）安装于所述壳体（1）内腔左侧；所述第一信号输出端（401）、第二信号输出端（402）、第三信号输出端（403）和第四信号输出端（404）分别与所述壳体（1）内腔右侧连接；所述第一功分器（301）的输入端与信号输入端（2）连接，输出端与第二功分器（302）和第三功分器（303）的输入端连接；所述第二功分器（302）的信号输出端分别与第一信号输出端（401）和第二信号输出端（402）连接；所述第三功分器（303）的输出端分别与第三信号输出端（403）和第四信号输出端（404）连接；涡流（5）在第二功分器（302）和第三功分器（303）之间排列成U型结构，在第一信号输出端（401）和第二信号输出端（402）之间有两个涡流（5），在第三信号输出端（403）和第四信号输出端（404）之间有两个涡流（5）；伴地孔（6）位于每个涡流（5）周围。

2.如权利要求1所述的小型化宽频段四等分微带功分器，其特征在于，所述第一功分器（301）、第二功分器（302）和第三功分器（303）中的各个支节的传输线长度小于四分之一波长。

3.如权利要求1所述的小型化宽频段四等分微带功分器，其特征在于，所述第一功分器（301）、第二功分器（302）和第三功分器（303）均采用五支节蛇形结构输出其功率分配信号。

4.如权利要求3所述的小型化宽频段四等分微带功分器，其特征在于，所述第一功分器（301）、第二功分器（302）和第三功分器（303）中各支节的最大耦合距离不超过其线宽，最小耦合距离只有线宽的二分之一。

5.如权利要求1所述的小型化宽频段四等分微带功分器，其特征在于，所述涡流（5）周围均伴有3颗伴地孔（6）。

6.如权利要求1所述的小型化宽频段四等分微带功分器，其特征在于，所述涡流（5）为边长相等的矩形。

7.如权利要求6所述的小型化宽频段四等分微带功分器，其特征在于，所述涡流（5）尺寸的边长范围为20mil-40mil。

8.如权利要求6所述的小型化宽频段四等分微带功分器，其特征在于，所述相邻的两个涡流（5）其中心到中心的距离为2.65mm。

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