CN217135461U

CN217135461U - 一种小型化宽带功分器电路

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Publication number: CN217135461U
Application number: CN202220589941.3U
Authority: CN
Inventors: 任栋; 李南; 陆建华
Original assignee: Nanjing Suirui Technology Co ltd
Current assignee: Nanjing Suirui Technology Co ltd
Priority date: 2022-03-17
Filing date: 2022-03-17
Publication date: 2022-08-05
Anticipated expiration: 2032-03-17

Abstract

一种小型化宽带功分器电路，包括，第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、第六电容、第一电感、第二电感、第三电感、第四电感、第一阻抗，以及第二阻抗，其中，所述第一电容、所述第二电容、所述第一电感、所述第二电感的一端与第一接口相连接；所述第一电感的另一端与所述第三电容、所述第三电感、所述第二阻抗的一端相连接；所述第二电感的另一端与所述第四电容的一端、所述第四电感的一端、所述第二阻抗的另一端相连接；所述第三电感的另一端、所述第五电容、所述第一阻抗的一端与第二接口相连接；所述第四电感的另一端、所述第六电容的一端、所述第一阻抗的另一端与第三接口相连接；所述第一至第六电容的另一端接地。

Description

一种小型化宽带功分器电路

技术领域

本实用新型涉及电路技术领域，尤其涉及一种小型化宽带功分器。

背景技术

功率分配器(power divider)，是在射频微波电路中的一个三端口器件，其主要工能是将一路一定功率的输入信号分成两路或者多路输出相等或不相等功率信号。相反地，功率分配器也可以将两个输入信号合成一路输出，也称为合路器(combiner)。功分器的技术参数主要有工作带宽、插入损耗、回波损耗和端口隔离度，幅相平衡性等。随着对通信系统的要求越来越高，对功分器的提出了宽频带、小型化易于集成的要求。

传统的宽带功分器一般采用多级四分之一波长传输线单元级联的方式进行带宽的展宽，但由于传输线的尺寸较大，当采用芯片实现时，极大地占用片上面积，增加了设计成本，不符合小型化设计需求，图1为传统多级四分之一波长传输线级联宽带功分器示意图，图2为传输线等效的集总C-L-C结构的宽带功分器示意图，其中等效公式：

其中

为传输线特征阻抗，ω为角频率，ω＝2πf，为工作频率。

传统多级四分之一波长传输线级联宽带功分器，不易于片上集成；采用传输线等效的集总C-L-C结构的宽带功分器通过将传输线用集总LC元件替代，进一步减小了功分器尺寸，但当进行宽带应用时，为了保证端口驻波、带内插损平坦度、隔离度等指标要求，级联的级数需要根据带宽的增加而增加，进而电感的数量也随之增加，导致片上设计时所占用的版图面积也随之增加。

实用新型内容

为了解决现有技术存在的不足，本实用新型的目的在于提供一种小型化宽带功分器电路，通过将电感水平级联方式设置为电感垂直耦合的方式，使得传统的多组水平级联电感减小到一组电感大小，大大减小了级联功分器的实际面积，实现小型化。

为了实现上述目的，本实用新型的小型化宽带功分器电路，

包括，第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、第六电容、第一电感、第二电感、第三电感、第四电感、第一阻抗，以及第二阻抗，其中，

所述第一电容、所述第二电容、所述第一电感、所述第二电感的一端与第一接口相连接；

所述第一电感的另一端与所述第三电容、所述第三电感、所述第二阻抗的一端相连接；

所述第二电感的另一端与所述第四电容的一端、所述第四电感的一端、所述第二阻抗的另一端相连接；

所述第三电感的另一端、所述第五电容、所述第一阻抗的一端与第二接口相连接；

所述第四电感的另一端、所述第六电容的一端、所述第一阻抗的另一端与第三接口相连接；

所述第一至第六电容的另一端接地。

进一步地，还包括，第一金属线圈层、第二金属线圈层和金属走线层。

进一步地，所述第一电感、所述第二电感设置在所述第一金属线圈层或所述第二金属线圈层；所述第三电感、所述第四电感设置在所述第二金属线圈层或所述第一金属线圈层。

进一步地，所述第一电感与所述第三电感、所述第二电感与所述第四电感分别形成级联电感线圈垂直耦合结构。

进一步地，所述第一电感、所述第三电感，所述第二电感、所述第四电感互为正耦合绕线方式。

更进一步地，所述第一电感、所述第二电感、所述第三电感、所述第四电感的线圈圈数为N，N为正整数。

本实用新型的小型化宽带功分器电路，在传统级联结构基础上，采用级联电感垂直耦合结构，一方面正耦合方式使实际电感自感值小于所需的等效电感值，另一方面电感的垂直方向布局使得水平方向的布局面积大大缩小，实际版图等效的面积约为一级功分器的版图面积大小；需要指出的是只要有足够的金属层实现级联垂直耦合电感，该结构不限于级联级数，并且适合各种工艺。

本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，并与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。

在附图中：

图1为传统多级四分之一波长传输线级联宽带功分器示意图；

图2为传输线等效的集总C-L-C结构的宽带功分器示意图；

图3为根据本实用新型的小型化宽带功分器电路原理图；

图4为根据本实用新型的小型化宽带功分器电路版图；

图5为根据本实用新型实施例的小型化宽带功分器电路的插入损耗S(2,1)、S(3,1)的幅度曲线图；

图6为根据本实用新型的小型化宽带功分器电路的插入损耗S(2,1)、S(3,1)的相位曲线图；

图7为根据本实用新型的小型化宽带功分器电路的插入损耗S(1,1)、S(2,2)、S(3,3)曲线图；

图8为根据本实用新型的小型化宽带功分器电路的插入损耗S(2,3)曲线图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

图3为根据本实用新型的小型化宽带功分器电路原理图，如图3所示，本实用新型的小型化宽带功分器电路，包括第一电容C₁、第二电容C₂、第三电容C₃、第四电容C₄、第五电容C₅、第六电容C₆、第一电感L₁、第二电感L₂、第三电感L₃、第四电感L₄、第一隔离阻抗R₁，以及第二隔离阻抗R₂，其中，

第一电容C₁的一端、第二电容C₂的一端、第一电感L₁的一端、第二电感L₂的一端，以及接口Port1相连接；

第一电容C₁的另一端、第二电容C₂的另一端接地；

第一电感L₁的另一端、第三电容C₃的一端、第三电感L₃的一端、第二隔离阻抗R₂的一端相连接；

第三电容C₃的另一端接地；

第二电感L₂的另一端、第四电容C₄的一端、第四电感L₄的一端、第二隔离阻抗R₂的另一端相连接；

第四电容C₄的另一端接地；

第三电感L₃的另一端、第五电容C₅的一端、第一隔离阻抗R₁的一端，以及接口Port2相连接；

第五电容C₅的另一端接地；

第四电感L₄的另一端、第六电容C₆的一端、第一隔离阻抗R₁的另一端，以及接口Port3相连接；

第六电容C₆的另一端接地。

图4为根据本实用新型的小型化宽带功分器电路版图，如图4所示，本实用新型的小型化宽带功分器电路版图，还包括，第一金属线圈层metal1、第二金属线圈层metal2和金属走线层metal3，其中，

第一电感L₁、第二电感L₂设置在第一金属线圈层metal1，第三电感L₃、第四电感L₄设置在第二金属线圈层metal2。

第一金属线圈层metal1、第二金属线圈层metal2和金属走线层metal3，设置顺序，按照工艺实际情况而定，一般使用工艺的厚金属层。

第一金属线圈层metal1的第一电感L₁与第二金属线圈层metal2的第三电感L₃形成级联垂直耦合结构；

第一金属线圈层metal1的第二电感L₂与第二金属线圈层metal2的第四电感L₄形成级联垂直耦合结构。

本实用新型的小型化宽带功分器电路版图结构中，第一级和第二级耦合电感线圈前后相连，在连接点并接到地的调谐电容C₃、C₄；第一级功分两路线圈之间，以及第二级功分两路线圈之间分别串联电阻网络R₂、R₁，以提高两路之间的隔离度。

本实用新型实施例中，第一电感L₁、第三电感L₃，第二电感L₂、第四电感L₄的电感线圈绕线方式互为正耦合绕线方式，其中线圈电感自感值、互感、耦合系数的关系有：

L_1,0＝L_A-M

L_2,0＝L_B-M，

其中k为耦合系数，M为互感，L_A、L_B为等效电感值，L_1,0＝L₁＝L₂、L_2,0＝L₃＝L₄为实际自感值，由关系可知，通过正耦合方式，实际电感值减小了。并且可通过耦合系数k的调整来实现不同的自感值从而优化实际的版图面积。

在耦合系数的取值方面，一方面可通过对耦合系数k的调整来实现不同的电感自感值从而优化实际版图面积；另一方面k值的增大有利于工作带宽的扩展，但k值越大，相应互耦电感之间的寄生电容也随之增大，这会进一步导致频带内谐振频率的变化，影响工作频率。

具体示例：

图3所示的小型化宽带功分器电路为采用硅基工艺设计的工作于12GHz～26.5GHz(相对带宽75.3％)的小型化宽带功分器电路，图4所示为相应的版图结构。第一电感L₁、第二电感L₂设置在第一金属线圈层或所述第二金属线圈层；第三电感L₃、第四电感L₄设置在第二金属线圈层或第一金属线圈层，第一电感和第二电感一端分别并接到地电容C₁、C₂；第一电感和第三电感、第二电感和第四电感分别共享并接到地的调谐电容C₃、C₄；第三电感和第四电感另一端分别并接到地电容C₅、C₆，隔离阻抗R₁、R₂分别连接第三电感和第四电感、第一电感和第二电感。

根据Seymohr B.Cohn提出的功分器多级级联参数计算公式，通过计算和初步原理图仿真，得到图2中的各参数如表1所示。

表1

L<sub>1</sub>(pH)	L<sub>2</sub>(pH)	C<sub>1</sub>(fF)	C<sub>2</sub>(fF)	R<sub>1</sub>(Ω)	R<sub>2</sub>(Ω)
						515	800	30	65	170	110

进一步地，在图2基础上，将电感L₁和L₂之间引入耦合系数k，如图3所示。其中耦合系数k值增大有利于工作带宽的扩展，但k值越大，相应互耦电感之间的寄生电容也增大，这会进一步导致频带内谐振频率的变化，影响工作频率。因此在k值的选取上需要综合实际版图布局和设计带宽，合理设计该值。本示例中各参数最终优化结果如表2所示。

表2

L<sub>1</sub>/L<sub>2</sub>(pH)	L<sub>3</sub>/L<sub>4</sub>(pH)	C<sub>1</sub>/C<sub>2</sub>(fF)	C<sub>3</sub>/C<sub>4</sub>(fF)	C<sub>5</sub>/C<sub>6</sub>(fF)	R<sub>1</sub>(Ω)	R<sub>2</sub>(Ω)	k
								750	500	20	300	50	300	60	0.4

进一步地，根据最终的电感自感值和合理优化的耦合系数k，将图3中的第一电感L₁和第三电感L₃、第二电感L₂和第四电感L₄布局成正耦合绕线方式，进一步地，第一电感、第二电感、第三电感、第四电感的线圈需要绕成N圈，N为正整数，使得两级之间的隔离阻抗R₁和R₂分别布置于第一电感和第二电感、第三电感和第四电感之间，两级之间的调谐电容分别布置于第一电感和第三电感、第二电感和第四电感内部，最终的版图布局如图4所示。

按照如上方法设计的小型化宽带功分器的尺寸为400um*200um，实际版图大小在原有宽度的基础上，长度上约减小为两级功分器的1/2，尺寸约缩小为原有的一半。

图5为根据本实用新型实施例的小型化宽带功分器电路的插入损耗S(2,1)、S(3,1)的幅度曲线图，如图5所示，S(2,1)，S(3,1)为功分器的插入损耗幅度曲线，可以看到在12GHz～26.5GHz频段内，插入损耗小于1dB，带内波动为±0.15dB。

图6为根据本实用新型的小型化宽带功分器电路的插入损耗S(2,1)、S(3,1)的相位曲线图，如图6所示，S(2,1)，S(3,1)为功分器的插入损耗相位曲线。

图7为根据本实用新型的小型化宽带功分器电路的插入损耗S(1,1)、S(2,2)、S(3,3)曲线图，如图7所示，S(1,1)为图1的port1的回波损耗曲线，S(2,2)、S(3,3)分别为port2、port3的回波损耗曲线。

图8为根据本实用新型的小型化宽带功分器电路的插入损耗S(2,3)曲线图，如图8所示，S(2,3)为隔离度曲线，从图中可以看出，本实用新型的小型化宽带功分器电路的隔离度能够满足全频段小于-18.5dB。

本领域普通技术人员可以理解：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种小型化宽带功分器电路，其特征在于，包括，第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、第六电容、第一电感、第二电感、第三电感、第四电感、第一阻抗，以及第二阻抗，其中，

所述第一至第六电容的另一端接地。

2.根据权利要求1所述的小型化宽带功分器电路，其特征在于，还包括，第一金属线圈层、第二金属线圈层和金属走线层。

3.根据权利要求2所述的小型化宽带功分器电路，其特征在于，所述第一电感、所述第二电感设置在所述第一金属线圈层或所述第二金属线圈层；所述第三电感、所述第四电感设置在所述第二金属线圈层或所述第一金属线圈层。

4.根据权利要求3所述的小型化宽带功分器电路，其特征在于，所述第一电感与所述第三电感、所述第二电感与所述第四电感分别形成级联电感线圈垂直耦合结构。

5.根据权利要求3所述的小型化宽带功分器电路，其特征在于，所述第一电感、所述第三电感，所述第二电感、所述第四电感互为正耦合绕线方式。

6.根据权利要求3所述的小型化宽带功分器电路，其特征在于，所述第一电感、所述第二电感、所述第三电感、所述第四电感的线圈圈数为N，N为正整数。