CN112290184B - 一种具有滤波特性的宽带功合器 - Google Patents

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Abstract

本申请属于射频微波技术领域，具体涉及一种具有滤波特性的宽带功合器。该宽带功合器包括第一微带线，其一端与第一端口连接，另一端连接两个并排的功分模块的起始端，任一功分模块的末端通过一滤波模块连接一第二微带线，任一第二微带线与一个第二端口连接，当第一端口作为输入端时，两个第二端口为输出端，其中，滤波模块包括短路耦合线与传输线，传输线包括与功分模块连接的第一端，以及与第二微带线连接的第二端，短路耦合线包括两条分别自所述传输线两端起始，并相向延伸至交叉区域的微带结构。本发明可替代微波电路***中功合器与滤波器级联的情形，去掉连接功合器后端滤波器的使用，降低了电路的插损，减小了电路的体积并节约了成本。

Description

一种具有滤波特性的宽带功合器
技术领域
本申请属于射频微波技术领域，特别涉及一种具有滤波特性的宽带功合器。
背景技术
滤波器和功分器是射频和微波通信***中重要的元器件，滤波器是一种二端口网络，它具有频率选择特性，即在通带内信号能无衰减地传输，在阻带内信号完全不能传输。功率分配器是一种多端口无源微波器件，其功能是将输入信号功率按一定的比例分配到各个输出端口。功率分配器也可以逆向使用作为功率合成器，通过功率合成器能够将各路微波信号叠加，得到所需的输出功率。
现有的微带功合器多采用Wilkinson形式，如图1所示，在等分的情况下，其每个输出端口可以得到大小相等、相位相同的输出信号。现代微波固态电路除了要求功合器在结构上尺寸能够减小，在功能上插损能够降低，还要求其能够实现更宽的带宽，即在较宽的频带内达到所要求的性能，这也是功合器未来发展的趋势。
在功率分配/合成网络中，为了改善***的选择性抑制谐波，需要额外增加滤波器，以此来消除由非线性器件引起的噪声、干扰以及谐波，但是这样将会増大***的整体尺寸，而且也会増加电路的损耗，对电路设计的成本也不利。通过将功合器与滤波器进行一体化设计，来实现有频率选择性能的功率合成器，从而避免在功率分配/合成时输入或输出端口存在不必要的谐波，而且还能够降低整个***的尺寸和损耗。因此具有滤波性能的功合器在功率分配/合成网络口中有着重要的应用，如若将两种器件集成于一体，一方面能够降低电路总插损，另一方面也能使电路***小型化，还能降低成本。
发明内容
针对固态功率放大模块中功合器输出端需额外级联滤波器以抑制谐波这一情况，增加的器件将会造成***链路面积增大，插损增大。因此本发明设计一种具有滤波特性的宽带Wilkinson功合器，其能够集功率合成及滤波两种功能于一体，减小了***链路面积，实现了电路的小型化，同时功合器具有宽带特性，能够应用于宽带功合***中。
本申请具有滤波特性的宽带功合器，主要包括：
第一微带线，其一端与第一端口连接，另一端连接两个并排的功分模块的起始端，任一所述功分模块的末端通过一滤波模块连接一第二微带线，任一所述第二微带线与一个第二端口连接，当所述第一端口作为输入端时，两个所述第二端口为输出端，反之亦然，其中，所述滤波模块包括短路耦合线与传输线，所述传输线包括与所述功分模块连接的第一端，以及与所述第二微带线连接的第二端，所述短路耦合线包括两条分别自所述传输线两端起始，并相向延伸至交叉区域的微带结构。
优选的是，所述传输线与所述短路耦合线构成一大致呈四边形的机构。
优选的是，所述功分模块自起始端至末端逐渐变宽，并按渐变线函数过度。
优选的是，所述渐变线函数为：
w(y)＝(b-a)-(b-a)sin2(πy/2l)
其中，a，b分别为渐变线起始端与末端宽度，l为渐变线长度。
优选的是，渐变线长度为λ/4。
优选的是，短路耦合线长度为λ/4，平行的传输线长度为3λ/4。
优选的是，传输线的微带线转弯处进行折角处理。
优选的是，两个所述功分模块的末端之间设置有隔离电阻。
本发明可替代微波电路***中功合器与滤波器级联的情形，去掉连接功合器后端滤波器的使用，降低了电路的插损，减小了电路的体积并节约了成本。
附图说明
图1是现有的Wilkinson功合器模型图。
图2是本申请具有滤波特性的宽带功合器的一优选实施例的功合器模型图。
图3是本申请图2所示实施例的具有滤波特性的宽带Wilkinson功合器原理图。
图4是本申请图2所示实施例的Wilkinson功合器应用示意图。
其中，1-第一微带线，2-功分模块，3-滤波模块，31-短路耦合线，32-传输线，4-第二微带线，5-隔离电阻。
具体实施方式
为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施方式进行详细说明。
本申请提供了一种具有滤波特性的宽带功合器，如图2-图3所示，主要包括：
第一微带线1，其一端与第一端口连接，另一端连接两个并排的功分模块2的起始端，任一所述功分模块的末端通过一个滤波模块3连接一个第二微带线4，任一所述第二微带线与一个第二端口连接，当所述第一端口作为输入端时，两个所述第二端口为输出端，实现功分，反之当所述第一端口作为输出端时，两个所述第二端口为输入端，实现功合，其中，所述滤波模块3包括短路耦合线31与传输线32，所述传输线32包括与所述功分模块连接的第一端，以及与所述第二微带线连接的第二端，所述短路耦合线31包括两条分别自所述传输线两端起始，并相向延伸至交叉区域的微带结构。
在一些可选实施方式中，如图2所示，所述传输线32与所述短路耦合线31构成一个大致呈四边形的机构，其中短路耦合线31包括两条平行线，构成四边形结构的一条边，传输线32构成四边形结构的另外三条边。
在一些可选实施方式中，所述功分模块2自起始端至末端逐渐变宽，并按渐变线函数过度，所述渐变线函数为：
w(y)＝(b-a)-(b-a)sin2(πy/2l)
其中，a，b分别为渐变线起始端与末端宽度，l为渐变线长度。
在一些可选实施方式中，渐变线长度为λ/4，其中，λ为电长度，电长度是用来描述电磁波波形变化频繁程度的物理量，例如物理长度为1m的传输线，对于波长分别为10cm和1cm的两个电磁波，电长度分别为10和100，也就是说：在一米的传输线上波长为10cm的波变化了10个周期，而波长为1cm的波变化了100个周期。
在一些可选实施方式中，短路耦合线31长度为λ/4，末端金属化孔接地。平行的传输线32长度为3λ/4。短路耦合线31与传输线32的两段连接处连接50Ω微带线输出。
在一些可选实施方式中，包括传输线32在内的电路中所有微带线转弯处均进行折角处理。
在一些可选实施方式中，两个所述功分模块2的末端之间设置有隔离电阻5。隔离电阻设计在渐变线的末端，功合器当功率分配使用时，可选用普通的100Ω贴片电阻，如需进行功率合成，则需选用100Ω大功率电阻，其耐功率值为单个端口输入功率的一半。通过优化渐变线和改进的平行耦合线的宽度和长度，以及隔离电阻的位置，达到最佳仿真效果。此外，微带介质基板选用Rogers5880，基板厚度20mil。图3为本申请的电路原理图，R为电阻，Z代表微带线等效阻抗。
本申请由50Ω微带线作为输入端，通过一段渐变线结构过渡到改进的平行耦合线端，以减小不连续性，改善输入端口的回波损耗。
本发明具有以下优点：
对于电路***来说，将功合器与滤波器集成，实现功率分配/合成及滤波双重功能，如图4所示为在功率分配/合成网络中的应用。本发明可替代微波电路***中功合器与滤波器级联的情形，去掉连接功合器后端滤波器的使用，降低了电路的插损，减小了电路的体积并节约了成本。
在功合器性能方面，与传统的Wilkinson功合器相比(如图1所示)，采用渐变过渡并加载改进的平行耦合线的形式(如图2所示)，有明显的滤波特性，且带宽明显提高，仿真结果表明。在5.7GHz～11.6GHz频率范围内，输入回波损耗与隔离度均大于15dB，插损小于0.5dB，绝对带宽为5.9GHz，相对带宽为68.2％，绝对带宽和相对带宽分别比传统的Wilkinson功合器提高1GHz和11.6％。低频段带外衰减在0～2.65GHz频率范围内均大于15dB，高频段带外衰减在13.35GHz～18GHz频率范围内均大于15dB。
本发明通用性强、结构简单、易于加工实现及批量生产，能广泛应用于C、X波段的宽带功率合成网络及其它微波电路当中。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种具有滤波特性的宽带功合器，其特征在于，包括：
第一微带线(1)，其一端与第一端口连接，另一端连接两个并排的功分模块(2)的起始端，任一所述功分模块的末端通过一滤波模块(3)连接一第二微带线(4)，任一所述第二微带线与一个第二端口连接，当所述第一端口作为输入端时，两个所述第二端口为输出端，反之亦然，其中，所述滤波模块(3)包括短路耦合线(31)与传输线(32)，所述传输线(32)包括与所述功分模块连接的第一端，以及与所述第二微带线连接的第二端，所述短路耦合线(31)包括两条分别自所述传输线两端起始，并相向延伸，形成两条相互平行的微带结构；
其中，所述传输线(32)与所述短路耦合线(31)构成一呈四边形的机构，短路耦合线(31)长度为λ/4，平行的传输线(32)长度为3λ/4，λ为电磁波的波长，两个所述功分模块(2)的末端之间设置有隔离电阻(5)。
2.如权利要求1所述的具有滤波特性的宽带功合器，其特征在于，所述功分模块(2)自起始端至末端逐渐变宽，并按渐变线函数过度。
3.如权利要求2所述的具有滤波特性的宽带功合器，其特征在于，所述渐变线函数为：
w(y)＝(b-a)-(b-a)sin2(πy/2l)
其中，a，b分别为渐变线起始端与末端宽度，l为渐变线长度。
4.如权利要求3所述的具有滤波特性的宽带功合器，其特征在于，渐变线长度为λ/4，其中，λ为电磁波的波长。
5.如权利要求1所述的具有滤波特性的宽带功合器，其特征在于，传输线(32)自所述第一端至所述第二端延伸的微带线经两次折弯形成三个微带段，且微带线的折弯处进行折角处理。
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