CN104617366B - 基于电容补偿技术的准平面高隔离四路功分器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于电容补偿技术的准平面四路高隔离功分器。输入共面波导通过层间的共面波导‑微带线电磁耦合结构，实现电磁信号到输出微带线耦合及阻抗匹配。通过层间相位补偿电容，实现不同层间两路输出信号的相位补偿，隔离电阻安装于具有公共点作用的金属化通孔上，实现各输出端口优良的隔离特性和输出驻波。本发明具有高隔离度、低插损、良好的输入/输出驻波比、宽带、小体积、各路输出端口信号幅度/相位一致性好等优点。本发明主要用于微波毫米波功率合成放大***、相控阵天线馈电网络等，在通信、雷达、测控等微波毫米波***中有广阔的应用前景。

Description

基于电容补偿技术的准平面高隔离四路功分器

技术领域

本发明涉及一种基于电容补偿技术、双层基板层间耦合结构的准平面高隔离四路功分器。

背景技术

功分器是大功率合成放大器和相控阵天线馈电***的关键部件，直接决定了***性能指标的好坏。随着军用与民用通信***的快速发展，对于宽带、高效大功率放大器的需求以及相控阵天线中对宽带、高隔离、平面化、低插损特性的馈电网络的需要与日俱增。这就需要宽带、高效、低损耗、平面型、高隔离特性的多路功分器/合成器。传统的多路功分器主要采用三维立体电路实现(如多路波导腔体功分器)，体积大、成本高、不易集成；同时它在实现N路功率分配的同时往往难以实现输出端口间良好的隔离特性。另一方面，传统的二进制型功分器，虽然可以实现较好的隔离特性，但存在尺寸较大和损耗较高的问题。因此，平面型、宽带、低损耗、高隔离特性多路功分器/合成器的实现对于现代通信***的发展具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种准平面高隔离四路功分器，它具有高隔离度、低插损、良好的输入/输出驻波比、宽带、小体积以及易于与有源器件集成等优良特性。各路输出端口信号幅度/相位一致性好，适用于小型化多路功率合成***或阵列天线中的功分馈电网络。

为了实现上述目的，本发明提出了一种基于电容补偿技术、采用双层基板耦合结构的功分器。其具体技术方案如下：

准平面四路高隔离功分器，包括上下两层介质基板、输入共面波导端口、四路输出微带端口、共面波导-微带层间电磁耦合结构、层间相位补偿电容、隔离电阻、中间接地金属层、空气通孔和金属化通孔。其特征在于，所述准平面双层四路功分器，由两层介质基板及位于两层基板上方、中间和下方的三层金属层构成，上层金属层包括矩形微带贴片和两根微带线，中间层金属层为接地金属层、共面波导馈线和矩形贴片，下层金属层包括矩形微带贴片和两根微带线。共面波导-微带层间电磁耦合结构位于矩形微带贴片处，由位于上下层的矩形微带贴片和中间层的矩形贴片构成，层间相位补偿电容位于该电磁耦合结构中心，通过在中心处上下层基板打空气通孔来放置电容，电容的一端连接上层矩形微带贴片，另一端连接下层矩形微带贴片。隔离电阻距离共面波导-微带层间电磁耦合结构为四分之一波导波长，同层两个隔离电阻相接，并通过跨越中间接地金属层的金属化通孔将上下共4个隔离电阻连接在一起。跨越中间接地金属层的金属化通孔不与中间接地金属层相接。

所述基于电容补偿技术的高隔离功分器从耦合结构到输出端口处为对称结构，每层各有两路输出端口，每路输出端口的信号幅度/相位相等。采用两层介质基板和三层金属层，通过PCB板加工技术，实现电路结构。

本发明所提出的基于电容补偿技术的准平面高隔离四路功分器工作原理如下：

射频信号从位于中间接地金属层的共面波导端口馈入，传输到共面波导-微带线电磁耦合结构处，通过宽边耦合，分别将信号耦合到上下两层金属层的矩形微带贴片上，每层微带贴片再分别通过两根微带线输出，实现四路等幅、同相的信号输出。隔离电阻安装于各路输出微带线距耦合结构四分之一波导波长处，四个隔离电阻的一端分别安装于各输出微带线上，另一端安装于金属化通孔上。此时，位于同层的两路输出微带线满足实现高隔离度的二分之一波导波长的电长度的要求(即信号从其中一路输出微带线隔离电阻处，经过微带线和矩形微带贴片到达另一路输出微带线的隔离电阻处的电长度)；位于不同层间输出微带线的隔离电长度通过补偿电容作用，使因层间耦合电容引起的等效电长度变短的作用得到改善，满足其等效电长度为二分之一波导波长的要求，从而实现上下层输出端口间良好的隔离。最终实现各路输出端口间高隔离和良好的输出驻波。由于电路结构的对称性，可保证各路输出信号良好的幅度和相位一致性。本发明专利提供的技术可满足各种不同的应用需求，比如多路功率合成与相控阵馈电网络等，具有极大的应用优势。

本发明所提出的基于电容补偿技术的准平面高隔离四路功分器，不仅体积小、成本低、结构紧凑，而且具有高的输出端口隔离、各路信号幅度和相位一致性好、宽带、输出驻波好等优势。本发明主要用于微波功率合成***、阵列天线等，在通信、雷达、测控等微波***中有广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明提出的准平面高隔离四路功分器结构示意图；

图2是层间相位补偿电容和隔离电阻的安装示意图；

图3是图1的S参数仿真曲线；

附图中标号对应名称为：

(1)介质基板，(2)输入共面波导端口，(3)四路输出微带端口，(4)共面波导-微带层间电磁耦合结构，(5)层间相位补偿电容，(6)隔离电阻，(7)中间接地金属层，(8)空气通孔，(9)金属化通孔。

具体实施方式

下面通过举例来说明本发明的优点。

例1:如图1所示，本发明提出的基于电容补偿技术的准平面四路高隔离功分器，其包含以下几个部分。分别是：两层介质基板，输入共面波导端口，四路输出微带端口，共面波导-微带层间电磁耦合结构，层间相位补偿电容，隔离电阻，中间接地金属层，空气通孔和金属化通孔。

输入端口通过共面波导-微带线电磁耦合结构实现输入信号到四路输出微带线的耦合及阻抗匹配。该结构可同时耦合出四路信号，最大限度的减少信号的传输损耗。通过层间相位补偿电容，实现不同层间两路输出信号的相位补偿，隔离电阻安装于金属化通孔上，以实现各输出端口优良的隔离特性。

图3(a)是例1的频率响应曲线，由图可知在1.6GHz-2.2GHz范围内输入端口的回波损耗为20dB左右，带内***损耗小于0.1dB(不包含四路功分器的6dB理论插损)。

图3(b)是例1的输出端端口隔离特性，由图可看出，输出端口的隔离度在1.4GHz-2.4GHz范围内大于20dB，在1.7GHz-2.2GHz范围内大于25dB，实现了输出端口高隔离度特性。

图3(c)是例1的输出端端口回波损耗，由图可看出，输出端口回波损耗在1GHz-3GHz范围内大于20dB。

图3(d)是例1的输出端端口相位特性曲线，由图可知整个频带范围内输出端口相位一致性很好。

Claims (6)

1.基于电容补偿技术的准平面高隔离四路功分器，包括上下两层介质基板(1)、输入共面波导端口(2)、四路输出微带端口(3)、共面波导-微带层间电磁耦合结构(4)、层间相位补偿电容(5)、隔离电阻(6)、中间接地金属层(7)、空气通孔(8)和金属化通孔(9)；其特征在于，所述功分器由两层介质基板(1)及位于两层基板上方、中间和下方的三层金属层构成，上层金属层包括矩形微带贴片和两根微带线，中间层金属层为接地金属层、共面波导馈线和矩形贴片，下层金属层包括矩形微带贴片和两根微带线，共面波导-微带层间电磁耦合结构(4)位于矩形微带贴片处，由位于上下层的矩形微带贴片和中间层的矩形贴片构成，层间相位补偿电容(5)位于该电磁耦合结构中心，通过在中心处上下层基板打空气通孔(8)来放置电容，电容的一端连接上层矩形微带贴片，另一端连接下层矩形微带贴片；所述功分器采用共面波导-微带线电磁耦合结构以及电容补偿技术，以实现输出端口的高隔离特性和优良的输出驻波。

2.根据权利要求1所述的基于电容补偿技术的准平面高隔离四路功分器，采用两层介质基板，通过PCB基板加工技术，得到需要的输入共面波导端口(2)、四路输出微带端口(3)、共面波导-微带层间电磁耦合结构(4)和中间接地金属层(7)。

3.根据权利要求1所述的基于电容补偿技术的准平面高隔离四路功分器，采用共面波导-微带层间电磁耦合结构(4)，可实现电磁信号从输入共面波导端口(2)到四路输出微带端口(3)的宽带耦合和良好的阻抗匹配，所述功分器为对称结构，能够实现各输出端口良好的幅度及相位一致性。

4.根据权利要求1所述的基于电容补偿技术的准平面高隔离四路功分器，采用层间相位补偿电容(5)，对位于不同层间输出微带线的隔离电长度具有补偿作用，使因层间耦合电容引起的等效电长度变短的作用得到改善，实现其等效电长度为二分之一波导波长的要求，从而使其隔离频带与工作频带相一致。

5.根据权利要求1所述的基于电容补偿技术的准平面高隔离四路功分器，隔离电阻(6)安装于各路输出微带线距共面波导-微带层间电磁耦合结构(4) 四分之一波导波长处，四个隔离电阻(6)的一端分别安装于各输出微带线上，另一端安装于金属化通孔(9)上。

6.根据权利要求1所述的基于电容补偿技术的准平面高隔离四路功分器，所述功分器的输入/输出端口进行交换，将变成功率合成器，准平面高隔离四路功率合成器的结构和设计与上述功分器完全一样。