CN105591183A - 基于平行耦合结构的反相不等分功分器 - Google Patents

基于平行耦合结构的反相不等分功分器 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于平行耦合结构的反相不等分功分器，包括下表面设有金属接地板的矩形介质基板，在介质基板的上表面设有输入端口馈线、第一输出端口馈线和第二输出端口馈线，在输入端口馈线与第一输出端口馈线之间设有第一平行耦合结构和第一1/4波长传输线，在输入端口馈线与第二输出端口馈线之间设有第二平行耦合结构和第二1/4波长传输线，在第一输出端口馈线与第二输出端口馈线之间还设有第三1/4波长传输线、第四1/4波长传输线和电阻，电阻通过介质基板上的金属通孔与介质基板下表面的接地板相接。本发明的反相不等分功分器，结构简单、损耗低、隔离度高、相位偏差小。

Description

基于平行耦合结构的反相不等分功分器
技术领域
本发明涉及微波无源器件技术领域，特别是一种同时具备结构简单、损耗低、隔离度高、相位偏差小的基于平行耦合结构的反相不等分功分器。
背景技术
功分器，又称功率分配器，在无线通信***的馈电网络中发挥着十分重要的作用。近年来，对功分器的研究不断深入，尤其是对同相等功分的研究较多，而对天线阵波束赋形有着重要作用的不等分反相功分器的研究相对较少。不等功分馈电可以有效抑制天线过大的副瓣电平，差分信号具有良好的抗噪声能力和较高的信号噪声比。传统的射频前端电路采用不等分功分器与反相电路结合的方法，使得前端设备体积增大，同时增大了功率损耗。为了减小射频前端电路的尺寸，业界考虑采用反相不等分功分器。
文献1(J.X.Chen,Z.H.BaoandQ.Xue,"Analysisanddesignofout-of-phasepowerdividerwitharbitrarydivisionratio,"inIETMicrowaves,Antennas&Propagation,vol.4,no.9,pp.1370-1376,September2010.)中提出利用平行带状线馈电的背靠背微带线，从而获得反相特性，利用两微带线的阻抗不同，确定两输出端口的功率分配比。该功分器在一定频率范围内具有较好的频率响应，但是其相位差仅在一个频点处为180°，且其结构为双层结构，设计较为复杂。
文献2(F.F.FanandZ.H.Yan,"Out-of-phaseunequalpowerdividerbasedonparalleldual-linesstructure,"MicrowaveandMillimeterWaveTechnology(ICMMT),2012InternationalConferenceon,Shenzhen,2012,pp.1-3.)采用一个特殊的平行双线结构实现了一个反相不等分功分器，虽然该功分器采用的是简单的单层介质结构，但是文中并没有给出两输出端口的隔离度。
文献3(A.Mestezky,H.MatznerandE.Levine,"N-wayunequalpowerdividerwithbalancedexcitation,"AntennasandPropagation(EuCAP),20137thEuropeanConferenceon,Gothenburg,2013,pp.1816-1819.)中提出了一种基于径向波传播方式的多路反相不等分功分器，该功分器在一定频率范围内具有较好的功分特性，但是其尺寸较大，不利于模块集成。
总之，现有技术存在的问题是：反相不等分功分器无法兼顾结构简单、损耗低、隔离度高、尺寸小和良好的端口匹配特性，不利于在现代无线通信***的推广应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于平行耦合结构的反相不等分功分器，同时具备结构简单、损耗低、隔离度高和相位偏差小的特性。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于平行耦合结构的反相不等分功分器，其包括下表面设有金属接地板的矩形介质基板，在所述介质基板的上表面设有输入端口馈线、第一输出端口馈线和第二输出端口馈线，在所述输入端口馈线与第一输出端口馈线之间设有第一平行耦合结构和第一1/4波长传输线，所述第一平行耦合结构一端与输入端口馈线相连，另一端通过第一1/4波长传输线与第一输出端口馈线相连，在所述输入端口馈线与第二输出端口馈线之间设有第二平行耦合结构和第二1/4波长传输线，所述第二平行耦合结构的一端通过第一平行耦合结构与输入端口馈线相连，另一端通过第二1/4波长传输线与第二输出端口馈线相连，在所述第一输出端口馈线与第二输出端口馈线之间还设有第三1/4波长传输线、第四1/4波长传输线和电阻，所述第三1/4波长传输线一端与第一输出端口馈线相连，另一端与电阻的一端相连，所述第四1/4波长传输线一端与第二输出端口馈线相连，另一端与所述电阻与第三1/4波长传输线相连的同一端相连，所述电阻的另一端通过介质基板上的金属通孔与介质基板下表面的接地板相接。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
(1)本发明的结构简单，可在单片PCB板上实现，便于加工集成，生产成本低。
(2)本发明利用两段耦合线奇偶模阻抗分别不同，实现两输出端口功率不等幅分配的特性，具有良好的功率分配比的控制能力。
(3)本发明利用主传输线的驻波分布特性，实现两输出端口的反相特性。
(4)本发明采用隔离电阻接地的方式，输出端口获得了较高的隔离度。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1是本发明基于平行耦合结构的反相不等分功分器的立体结构示意图。
图2是本发明基于平行耦合结构的反相不等分功分器的俯视图。
图3是实施例1的结构尺寸示意图。
图4是实施例1的S参数仿真图。
图5是实施例1的两个输出端口反射系数的仿真图。
图6是实施例1的两个输出端口相位差及幅度差的仿真图。
图中，输入端口馈线1，第一平行耦合结构2，第二平行耦合结构3，第一四分之一波长传输线4，第二四分之一波长传输线5，第一输出端口馈线6，第二输出端口馈线7，第三四分之一波长传输线8，第四四分之一波长传输线9，金属通孔10，电阻11，介质基板12，接地板13；
第一耦合微带线21，第二耦合微带线22，第三耦合微带线31，第四耦合微带线32；
贴片101，金属柱102。
具体实施方式
如图1、图2所示，本发明基于平行耦合结构的反相不等分功分器，其包括下表面设有金属接地板13的矩形介质基板12，在所述介质基板12的上表面设有输入端口馈线1、第一输出端口馈线6和第二输出端口馈线7，在所述输入端口馈线1与第一输出端口馈线6之间设有第一平行耦合结构2和第一1/4波长传输线4，所述第一平行耦合结构2一端与输入端口馈线1相连，另一端通过第一1/4波长传输线4与第一输出端口馈线6相连，在所述输入端口馈线1与第二输出端口馈线7之间设有第二平行耦合结构3和第二1/4波长传输线5，所述第二平行耦合结构3的一端通过第一平行耦合结构2与输入端口馈线1相连，另一端通过第二1/4波长传输线5与第二输出端口馈线7相连，在所述第一输出端口馈线6与第二输出端口馈线7之间还设有第三1/4波长传输线8、第四1/4波长传输线9和电阻11，所述第三1/4波长传输线8一端与第一输出端口馈线6相连，另一端与电阻11的一端相连，所述第四1/4波长传输线9一端与第二输出端口馈线7相连，另一端与所述电阻11与第三1/4波长传输线8相连的同一端相连，所述电阻11的另一端通过介质基板12上的金属通孔10与介质基板12下表面的接地板13相接。
在上述结构中，信号经输入端口馈线1进入，经过第一平行耦合结构，分别向第一1/4波长传输线4和第二平行耦合结构3传输，由第一1/4波长传输线4传输的信号最终由第一输出端口馈线6输出，由第二平行耦合结构3传输的信号，最终经第二1/4波长传输线5由第二输出端口馈线7输出。
作为一种优选，所述输入端口馈线1与介质基板12的宽边垂直，其输入端设在介质基板12的一个宽边上，所述第一输出端口馈线6和第二输出端口馈线7均与介质基板12的窄边垂直，其输出端分别设在介质基板12的两个窄边上。
作为一种优选，所述第一平行耦合结构2包括相互平行的第一耦合微带线21和第二耦合微带线22，所述第二平行耦合结构3包括相互平行的第三耦合微带线31和第四耦合微带线32，所述第一耦合微带线21与介质基板12的宽边平行，所述第三耦合微带线31沿同一直线串接在第一耦合微带线21的一端，所述第一耦合微带线21的另一端与输入端口馈线1垂直相连；
所述第一1/4波长传输线4与介质基板12的窄边平行，其一端与第二耦合微带线22垂直相连，另一端与第一输出端口馈线6垂直相连；
所述第二1/4波长传输线5与介质基板12的窄边平行，其一端与第四耦合微带线32垂直相连，另一端与第二输出端口馈线7垂直相连。
作为前述实施例的优选方案，所述第三1/4波长传输线8为L型直角折线，其与第一输出端口馈线6相连一端所在边与介质基板12窄边平行，其与电阻11相连一端所在边与介质基板12宽边平行；
与第三1/4波长传输线8对称，所述第四1/4波长传输线9为L型直角折线，其与第二输出端口馈线7相连一端所在边与介质基板12窄边平行，其与电阻11相连一端所在边与介质基板12宽边平行。
上述结构的信号传输过程为：
信号经输入端口馈线1进入，一路信号经过第一平行耦合结构2耦合到第一1/4波长传输线6由第以输出端口馈线输出，另一路信号经过第一平行耦合结构2、第二平行耦合结构3以及第二1/4波长传输线7，由第二输出端口馈线7输出，由于第一平行耦合结构2与第二平行耦合结构3的宽度及耦合间隙不同，由第一输出端口馈线6和第二输出端口馈线7输出信号的幅度大小不同，由于两路信号传输路径不同，输出信号相位相差180°。
作为优选，所述金属通孔10通过贴片101与金属柱102连接到金属接地板13。
由于两输出宽口通过1/4波长传输线8、9接电阻11至金属地板13，反射信号被电阻11吸收，从而获得较高的隔离度。
所述输入端口馈线1、输出端口馈线6和7的外形尺寸相同，所述第一1/4波长传输线4、第二1/4波长传输线5的宽度相同，所述第三1/4波长传输线8、第四1/4波长传输线9的外形尺寸相同。如此便保证了功率分配比受耦合线的线宽及耦合间隙控制。
本发明基于平行耦合结构的反相不等分功分器中，第一平行耦合结构4和第二平行耦合结构5的长度决定了中心频率，两部分平行耦合结构的宽度及耦合间距分别确定两部分耦合结构的奇偶模阻抗值，从而确定了两端输出功率的分配比率，选择合适的宽度和间距能够获得相应的功率分配比率。此外，信号由输入端口馈线进入，经过两部分平行耦合结构，移相180°后，经过第二1/4波长传输线移相90°后由第二输出端口馈出，而由第一输出端口馈出的信号，只经过第一1/4波长传输线移相90°。从而，功分器发热反相及不等分特性得以实现。最后，第一二三四四分之一波长传输线4，5，8，9的宽度对阻抗匹配影响较大，选择合适的宽度可以得到较好的阻抗匹配。
本发明在制造上通过印制电路板制造工艺对电路基板正面及背面的金属面进行加工腐蚀，从而形成所需的金属图案，结构简单，可在单片PCB板上实现，便于加工集成，生产成本低。同时，利用两部分耦合线奇偶模阻抗的不同和主传输线的电场分布特性，具有灵活的幅度分配比和较好的反相特性。由于本发明的不等分功分器相位偏差小、分配比率准、***损耗小，适用于现代无线通信***。
下面结合实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
基于平行耦合结构的反相不等分功分器的结构如图1所示，俯视图如图2所示，有关尺寸规格如图3所示。所采用的介质基板6相对介电常数为10.2，厚度为0.635mm，损耗角正切为0.0023。结合图3，功分器的各尺寸参数如下：Wp＝0.6mm，W1＝0.9mm，W2＝0.2mm，W3＝1.4mm，W4＝0.2mm，Wr＝0.7mm，L1＝11.7mm，L2＝11.7mm，L3＝11.1mm，L4＝11.85mm，L5＝2.6mm，Lr＝0.8mm，s1＝0.3mm，s2＝0.2mm。不等分反相功分器不包括50欧姆微带线导带的总面积为16×26.6mm2，对应的导波长尺寸为0.34λg×0.56λg，其中λg为通带中心频率对应的导波波长。
本实例功分器是在电磁仿真软件HFSS.13.0中建模仿真的。图4是本实例中功分器的S参数仿真图，本实例实现的是功分比为3:1的反相功分器，从图中可以看出，该反相功分器的通带中心频率为2.32GHz，工作频率范围为2.16-2.41GHz，在该频率范围内，回波损耗好于17.3dB，隔离好于16.9dB，在中心频率2.32GHz处，S21＝-1.73dB，S31＝-6.28dB，额外***损耗0.48dB。
图5是本实例中功分器的两个输出端口反射系数，从图中可以看出，该实例功分器在中心频率2.35GHz处，输出端口反射系数在11.2dB。
图6是本实例中功分器的两个输出端口的相位差和幅度差，从图中可以看出，该实例功分器在工作频率范围内的输出端口相位差在180±5度以内，其幅度差为4.64dB。
综上所述，本发明基于平行耦合结构的反相不等分功分器，根据两部分耦合结构不同的奇偶模阻抗，确定两输出端口的功率分配比，结合终端开路的SIR主传输线的场分布特性和Gysel功分器的隔离网络，实现了一种结构简单、损耗低、隔离度高、相位偏差小的功分比为3:1的反相不等分功分器，该反相不等分功分器器非常适用于现代无线通信***。

Claims (6)

1.一种基于平行耦合结构的反相不等分功分器，其特征在于：包括下表面设有金属接地板(13)的矩形介质基板(12)，在所述介质基板(12)的上表面设有输入端口馈线(1)、第一输出端口馈线(6)和第二输出端口馈线(7)，在所述输入端口馈线(1)与第一输出端口馈线(6)之间设有第一平行耦合结构(2)和第一1/4波长传输线(4)，所述第一平行耦合结构(2)一端与输入端口馈线(1)相连，另一端通过第一1/4波长传输线(4)与第一输出端口馈线(6)相连，在所述输入端口馈线(1)与第二输出端口馈线(7)之间设有第二平行耦合结构(3)和第二1/4波长传输线(5)，所述第二平行耦合结构(3)的一端通过第一平行耦合结构(2)与输入端口馈线(1)相连，另一端通过第二1/4波长传输线(5)与第二输出端口馈线(7)相连，在所述第一输出端口馈线(6)与第二输出端口馈线(7)之间还设有第三1/4波长传输线(8)、第四1/4波长传输线(9)和电阻(11)，所述第三1/4波长传输线(8)一端与第一输出端口馈线(6)相连，另一端与电阻(11)的一端相连，所述第四1/4波长传输线(9)一端与第二输出端口馈线(7)相连，另一端与所述电阻(11)与第三1/4波长传输线(8)相连的同一端相连，所述电阻(11)的另一端通过介质基板(12)上的金属通孔(10)与介质基板(12)下表面的接地板(13)相接。
2.根据权利要求1所述的反相不等分功分器，其特征在于：
所述输入端口馈线(1)与介质基板(12)的宽边垂直，其输入端设在介质基板(12)的一个宽边上，所述第一输出端口馈线(6)和第二输出端口馈线(7)均与介质基板(12)的窄边垂直，其输出端分别设在介质基板(12)的两个窄边上。
3.根据权利要求2所述的反相不等分功分器，其特征在于：
所述第一平行耦合结构(2)包括相互平行的第一耦合微带线(21)和第二耦合微带线(22)，所述第二平行耦合结构(3)包括相互平行的第三耦合微带线(31)和第四耦合微带线(32)，所述第一耦合微带线(21)与介质基板(12)的宽边平行，所述第三耦合微带线(31)沿同一直线串接在第一耦合微带线(21)的一端，所述第一耦合微带线(21)的另一端与输入端口馈线(1)垂直相连；
所述第一1/4波长传输线(4)与介质基板(12)的窄边平行，其一端与第二耦合微带线(22)垂直相连，另一端与第一输出端口馈线(6)垂直相连；
所述第二1/4波长传输线(5)与介质基板(12)的窄边平行，其一端与第四耦合微带线(32)垂直相连，另一端与第二输出端口馈线(7)垂直相连。
4.根据权利要求1至3之一所述的反相不等分功分器，其特征在于：
所述第三1/4波长传输线(8)为L型直角折线，其与第一输出端口馈线(6)相连一端所在边与介质基板(12)窄边平行，其与电阻(11)相连一端所在边与介质基板(12)宽边平行，
所述第四1/4波长传输线(9)为L型直角折线，其与第二输出端口馈线(7)相连一端所在边与介质基板(12)窄边平行，其与电阻(11)相连一端所在边与介质基板(12)宽边平行。
5.根据权利要求4所述的反相不等分功分器，其特征在于：
所述金属通孔(10)通过贴片(101)与金属柱(102)连接到金属接地板(13)。
6.根据权利要求1至3之一所述的反相不等分功分器，其特征在于：所述输入端口馈线(1)、输出端口馈线(6)和(7)的外形尺寸相同，所述第一1/4波长传输线(4)、第二1/4波长传输线(5)的宽度相同，所述第三1/4波长传输线(8)、第四1/4波长传输线(9)的外形尺寸相同。
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