CN105098309A - 一种反相功分器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了反相功分器，克服现有技术中的功分器存在的相位差特性对频率的变化非常敏感、带宽较窄等缺陷。该反相功分器包括：输入端口、两个输出端口、顶层介质板和底层介质板、平行铺设在顶层介质板和底层介质板的外表面上的四节双面平行带线，夹持在顶层介质板与底层介质板部分区域之间的金属板，各自的第一端经第二过孔电连接且与金属板电接触、各自的第二端分别与第四节双面平行带线中的两根微带线电连接的第一隔离电阻和第二隔离电阻。本发明的反相功分器采用三层结构，实现了与频率无关的180°稳定的相位差，降低了对频率的敏感性。

Description

一种反相功分器

技术领域

本发明涉及一种射频无源器件，尤其是涉及一种反相功分器。

背景技术

在无线通信***中，差分信号因为其良好的抗噪声能力和较高的信号噪声比，被广泛的应用在传输与接收部分。功分器，又称功率分配器，是当今无线通信***中不可或缺的重要部件。根据功分器两输出端口相位的不同，可分为同相功分器(相位差为0°)和反相功分器(相位差为180°)两种。反相功分器作为产生差分信号的主要无源器件，可广泛应用于平衡混频器、差分放大器、推挽式功放和天线馈电网络。

传统上，大部分的反相功分器都会采用180°的电长度使得两输出端口获得180°的相位差。但该类型的反相功分器的相位差特性对频率的变化非常敏感，导致其带宽较窄且难以实现双频功能。

在双面平行带线中***公共金属接地板能够得到稳定的相位差，同时获得较宽的带宽，受到了当今通信***的青睐。但是在目前的研究中，该类反相功分器存在诸多缺点，如结构过于复杂、所需隔离电阻过多、需要额外的阻抗匹配单元等。

此外，目前通信***工作于多频段射频器件的需求增大，而关于双频反相功分器的研究比较少，且性能不佳，有必要对双频反相功分器加以革新改进。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种反相功分器，克服现有技术中的功分器所需隔离电阻过多以及需要额外的阻抗匹配单元等缺陷。

本发明提供了一种反相功分器，包括：输入端口、第一输出端口及第二输出端口；顶层介质板和底层介质板；平行铺设在所述顶层介质板和底层介质板的外表面上且依次串联的四节双面平行带线，所述输入端口与第一节双面平行带线电连接，所述第一、第二输出端口与第二节双面平行带线和第三节双面平行带线的连接部位电连接；夹持在所述顶层介质板与所述底层介质板部分区域之间的金属板，所述部分区域包括：所述顶层介质板铺设第二、第三及第四节双面平行带线的部分与所述底层介质板铺设所述第二、第三及第四节双面平行带线的部分之间的第一区域、对应于所述第一输出端口到所述连接部位的第二区域以及对应于所述第二输出端口到所述连接部位的第三区域；穿过所述顶层介质板、金属板及底层介质板的第一过孔及第二过孔，所述第四节双面平行带线中的两根微带线经所述第一过孔相连接且与所述金属板绝缘；各自的第一端经所述第二过孔电连接且与所述金属板电接触、各自的第二端分别与所述第四节双面平行带线中的两根微带线电连接的第一隔离电阻和第二隔离电阻。

优选地，所述第二节双面平行带线与所述第三节双面平行带线以锐角连接，所述第三节双面平行带线与所述第四节双面平行带线以钝角连接。

优选地，所述第二节双面平行带线与所述第四节双面平行带线平行。

优选地，所述输入端口通过双面平行带线与所述第一节双面平行带线电连接。

优选地，所述第一输出端口和第二输出端口分别通过第一输出端口线和第二输出端口线与所述连接部位电连接。

优选地，所述第一输出端口线从所述第一输出端口到所述连接部位的走向，与所述第二输出端口线从所述第二输出端口到所述连接部位的走向不一致。

优选地，所述第一输出端口线从所述第一输出端口到所述连接部位的走向，与所述第二输出端口线从所述第二输出端口到所述连接部位的走向平行且方向相反。

优选地，所述第一输出端口设置在所述顶层介质板的外表面上，所述第二输出端口设置在所述底层介质板的外表面上。

优选地，所述底层介质板和所述顶层介质板面积相等。

优选地，所述第一隔离电阻与所述第二隔离电阻的阻值相等。

与现有技术的功分器存在的相位差特性对频率的变化非常敏感、带宽较窄且难以实现双频功能、结构过于复杂、所需隔离电阻过多、需要额外的阻抗匹配单元、性能不佳等诸多缺陷相比，本发明的反相功分器采用三层结构，顶层介质板、底层介质板以及位于中间层的金属板，实现了与频率无关的180°稳定的相位差，降低了对频率的敏感性。

本发明的反相功分器，通过使用四节双面平行带线实现了输入端到两输出端的双频匹配。

本发明的反相功分器，输入端口线及第一节双面平行带线中间没有设置金属板，顶层介质板和底层介质板之间的金属板对于两输出端口及第二、第三以及第四节双面平行带线来讲可等效为接地板，同时可使第二、第三以及第四节双面平行带线等效为两组背对背式的普通微带线，扩宽了频带宽度。

本发明的反相功分器改变了现有反相功分器存在的相位差特性对频率的变化非常敏感、带宽较窄且难以实现双频功能的缺陷，结构简单、减少了隔离电阻的数量，不需要额外使用阻抗匹配单元，提高了反相功分器的性能。

本发明的反相功分器，仅使用两个隔离电阻即实现了两输出端口之间的隔离，没有使用大量的隔离电阻，也不需要设置阻抗匹配单元，从而节约了硬件成本，缩小了设备体积。

本发明的反相功分器在保证良好双频性能的同时，兼具结构简洁，制作容易的特点，具有较高的推广价值。

附图说明

图1为本发明实施例的反相功分器的三维结构示意图。

图2(a)为本发明实施例的反相功分器中的顶层介质板上的双面平行带线的位置结构示意图。

图2(b)为本发明实施例的反相功分器中的金属板的结构示意图。

图2(c)为本发明实施例的反相功分器中的底层介质板上的双面平行带线的位置结构示意图。

图3(a)为本发明实施例的反相功分器的奇模激励下的等效电路图。

图3(b)为本发明实施例的反相功分器的偶模激励下的等效电路图。

图4(a)为本发明实施例的反相功分器仿真实例的S参数的幅度信息。

图4(b)为本发明实施例的反相功分器仿真实例的S参数的相位信息。

其中，1-顶层介质板；2-底层介质板；3-输入端口；4-输入端口线；5-第一节双面平行带线；6-第二节双面平行带线；7-第三节双面平行带线；8-金属板；91-第一隔离电阻；92-第二隔离电阻；10-第四节双面平行带线；111-第一输出端口线；112-第二输出端口线；121-第一输出端口；122-第二输出端口；13-第一过孔；14-第二过孔。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。须知，这些说明只是示例性的，而并非要限制本发明的发明范围。并且在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免混淆本发明的概念。

如图1、图2(a)、图2(b)及图2(c)所示，本发明实施例的一种反相功分器主要包括有顶层介质板1、底层介质板2、金属板8、输入端口3、输入端口线4、第一输出端口121、第二输出端口122、第一输出端口线111、第二输出端口线112以及隔离电阻等。

串联的四节双面平行带线平行铺设在顶层介质板1和底层介质板2的外表面上。输入端口3通过双面平行带线与第一节双面平行带线5电连接。第一输出端口121与第二输出端口122，分别通过第一输出端口线111和第二输出端口线112，与第二节双面平行带线和第三节双面平行带线的连接部位电连接。第一输出端口线111和第二输出端口线112为微带线。第一输出端口121与第一输出端口线111设置在顶层介质板1的外表面上，第二输出端口122与第二输出端口线112设置在底层介质板2的外表面上。

顶层介质板1与底层介质板2的部分区域之间夹持设置有金属板8。顶层介质板1与底层介质板2的该部分区域，主要包括有：顶层介质板1铺设第二、第三及第四节双面平行带线的部分与底层介质板2铺设第二、第三及第四节双面平行带线的部分之间的第一区域，顶层介质板1与底层介质板2之间对应于第一输出端口121到前述连接部位的第二区域，以及顶层介质板1与底层介质板2之间对应于第二输出端口122到前述连接部位的第三区域。

底层介质板2和顶层介质板1背对背地相对设置且面积相等。

顶层介质板1与底层介质板2之间对应于第一输出端口121到前述连接部位的第二区域，也即顶层介质板1设置第一输出端口线111的部分与底层介质板2对应部分之间的区域。顶层介质板1与底层介质板2之间对应于第二输出端口122到前述连接部位的第三区域，也即底层介质板2设置第二输出端口线112的部分与顶层介质板1对应部分的区域。

对应于顶层介质板1铺设第一节双面平行带线的部分与底层介质板2铺设第一节双面平行带线的部分之间的区域内，没有设置金属板8。对应于顶层介质板1和底层介质板2铺设连接输入端口3到第一节双面平行带线5的双面平行带线的部分之间的区域内，也没有设置金属板8。

如图1所示，金属板8在对应于顶层介质板1铺设第一节双面平行带线的部分与底层介质板2铺设第一节双面平行带线的部分之间的区域内，以及对应于顶层介质板1和底层介质板2铺设连接输入端口3到第一节双面平行带线5的双面平行带线的部分之间的区域内，形成缺口。

第一过孔13及第二过孔14均穿过顶层介质板1、金属板8及底层介质板2，第四节双面平行带线10中的两根微带线经第一过孔13相连接且与金属板8绝缘。第一隔离电阻91和第二隔离电阻92各自的第一端经第二过孔14电连接，且与金属板8电接触。两个隔离电阻各自的第二端分别与第四节双面平行带线10中的两根微带线电连接。如图1所示，第一隔离电阻91设置在顶层介质板1上，第二隔离电阻92设置在底层介质板2上。

如图1所示，顶层介质板1与底层介质板2之间，除开在第一节双面平行带线5以及连接第一节双面平行带线与输入端口3之间的双面平行带线的部位，均夹持着金属板8。也即，夹持在顶层介质板1与底层介质板2之间的金属板8，在对应于第一节双面平行带线5以及连接第一节双面平行带线与输入端口3之间的双面平行带线的部位为缺口。

输入端口3用于接收从外部输入的信号。输入端口线4为双面平行带线，其特征阻抗为R_S，长度为L_S，宽度均为W_S。输入端口线4上下平行放置，其中一根位于顶层介质板1上，另一根位于底层介质板2上。

如图1所示，输入端口线4、第一节双面平行带线5与第二节双面平行带线6直线连接，三者处在一条直线上。第二节双面平行带线6和第三节双面平行带线7以锐角连接，第三节双面平行带线7和第四节双面平行带线10以钝角连接。而且，第二节双面平行带线7与第四节双面平行带线10平行设置。

位于顶层介质板1上的第一输出端口线111，从第一输出端口121到第二节双面平行带线6和第三节双面平行带线7的连接部位的走向，位于底层介质板2上的第二输出端口线112，从第二输出端口122到第二节双面平行带线6和第三节双面平行带线7的连接部位的走向不一致。如图1所示，第一输出端口线111与第二输出端口122平行设置，但二者从输出端口到前述连接部位的方向刚好相反。

第一节双面平行带线5特征阻抗为Z₁，角度值为θ，长度均为L₁，宽度均为W₁。第二节双面平行带线6特征阻抗为Z₂，角度值为θ，长度均为L₂，宽度均为W₂。第三节双面平行带线7特征阻抗为Z₃，角度值为θ，长度均为L₃，宽度均为W₃。第四节双面平行带线10特征阻抗为Z₄，角度值为θ，长度均为L₄，宽度均为W₄。

金属板8位于顶层介质板1和底层介质板2中间，该金属板8在两个输入端口线4及第一节双面平行带线5区域形成一缺口。该金属板8对于两个输出端口及第二、三、四节双面平行带线来讲可等效为接地板，同时可使第二、三、四节双面平行带线等效为两组背对背式的普通微带线。

两个隔离电阻上下平行放置，分别位于顶层介质板1和底层介质板2上，通第一过孔13、第二过孔14相连，该两个隔离电阻的阻值相等，隔离电阻通过第一过孔13均和金属板8电接触。

两个输出端口分别位于顶层介质板1和底层介质板2的相反两侧。

在本发明的实施例中，如图3(a)所示，奇模激励时，该电路结构顶层和底层的信号幅度相等，相位反相，经过2个电阻的电流可以相互抵消，因此奇模等效电路中的电阻可以忽略。此外，奇模激励时，输入端口3中高度为h的双面平行带线可以等效为2条高度为h/2的背靠背的微带线。

在相同的线宽下，双面平行带线在高度为h时的特征阻抗约等于等宽厚度为h/2的微带线的特征阻抗的两倍，因此奇模激励下输入端口3的特征阻抗等效为R_S/2。同理，第一节双面平行带线5，同样等效为2条高度为h/2的背靠背的微带线，其特征阻抗等效为Z₁/2。

在本发明的实施例中，如图3(b)所示，偶模激励时，该电路结构顶层和底层的信号幅度与相位均相等，此时位于双节微带线两侧的电阻为顶层和底层的两路信号，而输入端口3及第一节双面平行带线5在顶层和底层的电压相等，因此二者可等效为开路。

根据奇模和偶模激励时的等效电路进行分析，所述反相功分器中传输线的各参数应当满足以下表达式：

$\mathrm{\θ}=\frac{\mathrm{\π}}{1+f_2/f_1}$ 式(1)

$Z_1=2\sqrt{\frac{R_s(2R_L-R_s)}{8{\tan }^2\mathrm{\θ}}+\sqrt{{\[\frac{R_s(2R_L-R_s)}{8{\tan }^2\mathrm{\θ}}\]}^2+\frac{1}{8}{R}_s^3{R}_L}}$ 式(2)

$Z_2=\frac{R_s{R}_L}{Z_1}$ 式(3)

$Z_4=-\frac{Z_2{R}_L^2}{(1-{\tan }^2\mathrm{\θ})(Z_2^2+R_L^2{\tan }^2\mathrm{\θ})}$ 式(4)

$Z_3=Z_4{\tan }^2\mathrm{\θ}$ 式(5)

$R_0=\frac{Z_4^2(Z_2^2+R_L^2{\tan }^2\mathrm{\θ}){\tan }^2\mathrm{\θ}}{Z_2^2{R}_L}$ 式(6)

其中，f₁、f₂为反相功分器的两个工作频率，R_S为输入端口3的特征阻抗，R_L为第一输出端口121和第二输出端口122的特征阻抗，Z₁为第一节双面平行带线5的特征阻抗，Z₂为第二节双面平行带线6的特征阻抗，Z₃为第三节双面平行带线7的特征阻抗，Z₄为第四节双面平行带线10的特征阻抗，θ为四节双面平行带线的相位，R₀为两个隔离电阻的阻值。

其中，双面平行带线的相位θ根据反相功分器的两个工作频率f₁、f₂来确定，第一节双面平行带线5的特征阻抗Z₁根据双面平行带线的相位θ、输入端口线4的特征阻抗为R_S和输出端口的特征阻抗R_L来确定，第二节双面平行带线6的特征阻抗Z₂根据输入端口线4的特征阻抗为R_S、输出端口的特征阻抗R_L以及第一节双面平行带线5的特征阻抗Z₁来确定，第三节双面平行带线7的特征阻抗Z₃根据第二节双面平行带线6的特征阻抗Z₂、输出端口的特征阻抗R_L以及双面平行带线的相位θ来确定，隔离电阻的阻值R₀根据第三节双面平行带线7的特征阻抗Z₃、第二节双面平行带线6的特征阻抗Z₂、输出端口的特征阻抗R_L和双面平行带线的相位θ来确定。

以下简要说明本发明实施例的仿真实验。

本发明优选实例的两工作频点分别为f₁＝1吉赫兹(GHz)和f₂＝2.6GHz，输入端口3的特征阻抗为R_S＝60欧姆(Ω)，输出端口12的特征阻抗均为R_L＝80Ω。

通过表达式(1)-(6)计算得出电路的各个参数为θ＝90°，Z₁＝91.43欧姆(Ω)，Z₂＝52.5Ω，Z₃＝95.85Ω，Z₄＝67.49Ω，R₀＝347.53Ω。仿真实例采取FR4板材，介电常数为4.4，两层介质板的总厚度h为0.8*2＝1.6毫米(mm)，通过传输线计算软件得出具体的维度数值。

结合图2(a)和图2(c)所示，输入端口线4宽度WT₁＝3.28mm，长度LT₁可根据需要自定；两根输出端口线各维度相等，宽度均为WT₂＝0.61mm，长度LT₂可根据需要自定。第一节双面平行带线5的宽度W₁＝1.76mm，长度L₁＝22.64mm；第二节双面平行带线6的宽度W₂＝1.4mm，长度L₂＝22.88mm；第三节双面平行带线7的宽度W₃＝0.39mm，长度L₃＝23.89mm；第四节双面平行带线10的宽度W₄＝0.88mm，长度L₄＝23.31mm。

为达到最佳的效果，通过HFSS(一种仿真软件)进行仿真优化，最终得到的各参数值为所：W₁＝1.76mm，L₁＝22.67mm，W₂＝1.4mm，L₂＝22.9mm，W₃＝0.3mm，L₃＝23.91mm，W₄＝0.88mm，L₄＝23.34mm，WT₁＝3.278mm，LT₁＝40mm，WT₂＝0.61mm，LT₂＝50mm。

图4(a)和图4(b)示出了本发明实施例的反相功分器的HFSS仿真结果，其中4(a)为发明实施例的S参数图的幅度值；图4(b)显示了本发明实施例的两输出端口的相位差。

如图4(a)所示，反相功分器在较宽的双频段内能实现良好的匹配和隔离，且在工作带宽内***损耗小于0.8分贝(dB)。

如图4(b)所示，两输出端口的相位差在工作双频带内为180°±5°，相位差稳定，波动幅度不大，能够实现本发明的设计目的。在本设计中由于过孔的存在，导致结构不完全对称，相位差在非工作频段出现了一定的波动。

如上所述，本发明实施例提出的反相功分器，通过使用三层结构实现了与频率无关的180°相位差；通过使用四节双面平行带线实现输入端到两输出端的双频匹配；仅使用两个隔离电阻即可实现两输出端口之间的隔离；与此同时，相比于现有技术金属板中间区域较大缺口的状况，本发明巧妙地布局保持了金属板的相对完整性。因此，本发明的反相功分器在保证良好双频性能的同时，兼具结构简洁，制作容易的特点，具有较高的推广价值。

Claims (10)

1.一种反相功分器，其特征在于，包括：

输入端口、第一输出端口及第二输出端口；

顶层介质板和底层介质板；

平行铺设在所述顶层介质板和底层介质板的外表面上且依次串联的四节双面平行带线，所述输入端口与第一节双面平行带线电连接，所述第一、第二输出端口与第二节双面平行带线和第三节双面平行带线的连接部位电连接；

夹持在所述顶层介质板与所述底层介质板部分区域之间的金属板，所述部分区域包括：所述顶层介质板铺设第二、第三及第四节双面平行带线的部分与所述底层介质板铺设所述第二、第三及第四节双面平行带线的部分之间的第一区域、对应于所述第一输出端口到所述连接部位的第二区域以及对应于所述第二输出端口到所述连接部位的第三区域；

穿过所述顶层介质板、金属板及底层介质板的第一过孔及第二过孔，所述第四节双面平行带线中的两根微带线经所述第一过孔相连接且与所述金属板绝缘；

各自的第一端经所述第二过孔电连接且与所述金属板电接触、各自的第二端分别与所述第四节双面平行带线中的两根微带线电连接的第一隔离电阻和第二隔离电阻。

2.根据权利要求1所述的反相功分器，其特征在于，所述第二节双面平行带线与所述第三节双面平行带线以锐角连接，所述第三节双面平行带线与所述第四节双面平行带线以钝角连接。

3.根据权利要求2所述的反相功分器，其特征在于，所述第二节双面平行带线与所述第四节双面平行带线平行。

4.根据权利要求1所述的反相功分器，其特征在于，所述输入端口通过双面平行带线与所述第一节双面平行带线电连接。

5.根据权利要求1或4所述的反相功分器，其特征在于，所述第一输出端口和第二输出端口分别通过第一输出端口线和第二输出端口线与所述连接部位电连接。

6.根据权利要求5所述的反相功分器，其特征在于，所述第一输出端口线从所述第一输出端口到所述连接部位的走向，与所述第二输出端口线从所述第二输出端口到所述连接部位的走向不一致。

7.根据权利要求6所述的反相功分器，其特征在于，所述第一输出端口线从所述第一输出端口到所述连接部位的走向，与所述第二输出端口线从所述第二输出端口到所述连接部位的走向平行且方向相反。

8.根据权利要求1所述的反相功分器，其特征在于，所述第一输出端口设置在所述顶层介质板的外表面上，所述第二输出端口设置在所述底层介质板的外表面上。

9.根据权利要求1所述的反相功分器，其特征在于，所述底层介质板和所述顶层介质板面积相等。

10.根据权利要求1所述的反相功分器，其特征在于，所述第一隔离电阻与所述第二隔离电阻的阻值相等。