CN114497952A - 一种具有高次谐波抑制特性的功率分配器及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种具有高次谐波抑制特性的功率分配器及其设计方法，功率分配器包括：微带线层，用于电路中信号传输；功率分配线路，包括级联结构和隔离传输线组，功率分配线路布设于微带线层上，级联结构包括沿信号传输方向设立的横向传输线组和多条纵向开路线组，横向传输线组用于提供功率分配和信号传输，纵向开路线组用于提供高次谐波抑制特性，隔离传输线组设于横向传输线组之间；隔离电阻，设于隔离传输线组上，用于提供微带线层的输出端口之间的隔离特性。本发明可解决辐射损耗问题和小型化问题，以及为具有高次谐波抑制功率分配器的设计提供理论依据和指导。
Description
技术领域
本发明属于功率分配器技术领域，具体涉及一种具有高次谐波抑制特性的功率分配器及其设计方法。
背景技术
随着通信技术的发展，尤其是5G通信技术的发展，人们对通信***的需求越来越多，无论对于民用通信***或军用雷达***，对***的稳定性和准确性的要求也日益提高。功率分配器是一种可以将一路信号分成两路或多路的器件，在通信***、雷达天线***和射频前端***中有着广泛的应用。功率分配器性能的优劣，极大程度地影响着整个通信***的稳定性和信号传输的质量。而随着通信***的工作频段的增多、频谱资源的分配紧张导致了通信***中的串扰增加，对功率分配器的要求也越来越高，对带外信号抑制，尤其是高次谐波抑制的需求也越来越高。
现有技术中，功率分配器主要分为微带结构和波导结构。其中微带结构的功率分配器的优势在于：电路结构简单，体积小，成本低，性能稳定。对于现有微带结构的具有高次谐波抑制的功率分配器主要通过缺陷地结构(DGS)来实现。但缺陷地结构会产生较大的辐射损耗，尤其在高频波段，不利于集成在复杂的通信***中和高频的工作环境中。
如公开号为CN105098303A的专利公开了一种具有双频带滤波功能的功率分配器，包括上层微带结构、隔离电阻、中间介质基板和底层金属地板；上层微带结构包括四个谐振器、三条馈电线和一个隔离电阻。上层微带结构排布成上下对称的两个带通滤波电路。既能够实现中心频率可调的双通带滤波的特性，同时也具备功率分配比为1：1的功率分配器特性；谐振器采用在四分之一波长短路线谐振器上加载一个枝节，通过对各枝节长度的调节实现了中心频率独立可控的双频带通滤波特性。但通过调节枝节长度难以同时满足集成度与带通特性，对功率分配器高次谐波抑制的要求有待继续研究。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有高次谐波抑制特性的功率分配器及其设计方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
本发明提供了如下的技术方案：
本申请提出一种具有高次谐波抑制特性的功率分配器，包括：
微带线层，用于电路中信号传输；
功率分配线路，包括级联结构和隔离传输线组，功率分配线路布设于微带线层上，级联结构包括沿信号传输方向设立的横向传输线组和多条纵向开路线组，横向传输线组用于提供功率分配和信号传输，纵向开路线组用于提供高次谐波抑制特性，隔离传输线组设于横向传输线组之间；
隔离电阻，设于隔离传输线组上，用于提供微带线层的输出端口之间的隔离特性。
优先地，还包括基板和接地金属层，微带线层和接地金属层分别设于基板相对侧，且接地金属层采用铜层。
优先地，所述级联结构还包括第一输入端口、第二输出端口和第三输出端口，级联结构包括相对设立的第一路三段Π结构和第二路三段Π结构，第一路三段Π结构和第二路三段Π结构一端连接第一输入端口，且另一端分别连接第二输出端口和第三输出端口。
优先地，所述横向传输线组包括第四微带线和第十二微带线且呈侧向U型，第四微带线两端分别连接第一输入端口和第二输出端口，第十二微带线两端分别连接第一输入端口和第三输出端口。
优先地，所述纵向开路线组包括第一微带线组和第二微带线组，第一微带线组垂直设于第四微带线上，第二微带线组垂直设于第十二微带线上，且第一微带线组和第二微带线组的电长度不同，用于通过不同电长度控制带外抑制，打破功率分配器的周期，在不同频率产生传输零点。
优先地，所述隔离传输线组包括第八隔离传输线和第十六隔离传输线，第八隔离传输线垂直设于第四微带线靠近第二输出端口一端，第十六隔离传输线垂直设于第十二微带线靠近第三输出端口一端，且第八隔离传输线和第十六隔离传输线之间留有间距，隔离电阻设于第八隔离传输线和第十六隔离传输线之间。
基于上述的一种具有高次谐波抑制特性的功率分配器，本申请还提出一种基于上述具有高次谐波抑制特性的功率分配器的设计方法，包括以下步骤：
S1.将横向传输线组、纵向开路线组、隔离传输线组的所有特征阻抗和电阻归一化，并将第一输入端口、第二输出端口和第三输出端口的特征阻抗归一化至常量M；
S2.级联结构在中心频率等效微一段传输线，级联结构的特征阻抗Ztot和电长度为θtot在中心频率处等效，即两者ABCD矩阵在中心频率处相等，特征阻抗和电长度的关联表达式如下：
其中，
ZT和θT分别为第四微带线和第十二微带线的特征阻抗和电长度，ZS1、ZS2、ZS3和ZS4分别为第一微带线组和第二微带线组中四段纵向开路线的特征阻抗，θS1、θS2、θS3和θS4分别为第一微带线组和第二微带线组中四段纵向开路线的电长度，S11代表第一输入端口的反射系数；S21代表第一输入端口到第二输出端口的传输系数；S22代表第二输出端口的反射系数；S32代表第二输出端口到第三输出端口的传输系数，其中，S11和S21用于衡量器件的传输特性；S22和S32用于衡量器件的隔离特性；
S3.对功率分配线路进行奇偶模等效分析，使功率分配线路在中心频率处实现匹配，且匹配关系为：Zinetot＝1&Zinotot＝0，
其中，
Zino1＝jZtottanθ，
Zinetot为偶模等效电路的特征阻抗，Zine1为偶模等效电路中级联结构的等效特征阻抗；Zinotot为奇模等效电路的特征阻抗，Zino1为奇模等效电路中级联结构的等效特征阻抗；Ziso和θiso分别为隔离传输线组的特征阻抗和电长度，Riso为隔离电阻的阻值；
S4.选择级联结构中纵向开路线组的电长度及隔离传输线组的电长度，以调控带外零点。
本发明的有益效果是：
1.通过两路三段Π结构、横向传输线组和纵向开路线组实现功率分配器在中心频率的传输特性，且纵向开路线组抑制信号的高次谐波，实现宽阻带和较好的阻带抑制度，且相较于缺陷地结构，辐射损耗更小，同时实现器件小型化；
2.靠近两个输出端口的两路三段Π结构之间通过隔离电阻连接，在通带内实现较高的隔离特性；
3.通过选择符合匹配关系的微带线电长度，可设计出任意中心频率、任意高次谐波抑制范围的功率分配器。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明的功率分配线路电路示意图；
图2是本发明的三段Π结构和隔离传输线的等效示意图；
图3是本发明的偶模等效电路电路图；
图4是本发明的奇模等效电路电路图；
图5是本发明的电路仿真结果参数S11和S21示意图；
图6是本发明的电路仿真结果参数S22和S32示意图；；
图7是本发明的功率分配电路布局图；
图8是本发明的实施例中功率分配器测试结果参数S11和S21示意图；
图9是本发明的实施例中功率分配器测试结果参数S22和S32示意图。
具体实施方式
如图1和图6所示，本申请提出一种具有高次谐波抑制特性的功率分配器，包括：
微带线层，用于电路中信号传输。
功率分配线路，包括级联结构和隔离传输线组，功率分配线路布设于微带线层上，级联结构包括沿信号传输方向设立的横向传输线组和多条纵向开路线组，横向传输线组用于提供功率分配和信号传输，纵向开路线组用于提供高次谐波抑制特性，隔离传输线组设于横向传输线组之间。
如图1、图2和图7所示，级联结构还包括第一输入端口1、第二输出端口2和第三输出端口3，级联结构包括相对设立的第一路三段Π结构和第二路三段Π结构，第一路三段Π结构和第二路三段Π结构一端连接第一输入端口1，且另一端分别连接第二输出端口2和第三输出端口3。
如图7所示，横向传输线组包括第四微带线4和第十二微带线12且呈侧向U型，第四微带线4两端分别连接第一输入端口1和第二输出端口2，第十二微带线12两端分别连接第一输入端口1和第三输出端口3。
如图7所示，纵向开路线组包括第一微带线组和第二微带线组，第一微带线组垂直设于第四微带线4上，第二微带线组垂直设于第十二微带线12上，且第一微带线组和第二微带线组的电长度不同，用于通过不同电长度控制带外抑制，打破功率分配器的周期，在不同频率产生传输零点。
如图7所示，第一路三段Π结构包括第四微带线4、第五微带线5、第六微带线6、第七微带线7和第十微带线10，第四微带线4作为横向传输线，其余作为纵向开路线。第二路三段Π结构包括第十二微带线12、第十五微带线15、第十四微带线14、第十三微带线13和第十一微带线11，第四微带线4作为横向传输线，其余作为纵向开路线，且对称位置的微带线的特征阻抗和电长度均相同。
如图7所示，隔离传输线组包括第八隔离传输线8和第十六隔离传输线16，第八隔离传输线8垂直设于第四微带线4靠近第二输出端口2一端，第十六隔离传输线16垂直设于第十二微带线12靠近第三输出端口3一端，且第八隔离传输线8和第十六隔离传输线16之间留有间距。
隔离电阻9，设于隔离传输线组上，用于提供微带线层的输出端口之间的隔离特性。隔离电阻9设于第八隔离传输线8和第十六隔离传输线16之间。
还包括基板和接地金属层，微带线层和接地金属层分别设于基板相对侧，且接地金属层采用铜层。
基于上述的一种具有高次谐波抑制特性的功率分配器，本申请还提出一种基于上述具有高次谐波抑制特性的功率分配器的设计方法，包括以下步骤：
S1.将横向传输线组、纵向开路线组、隔离传输线组的所有特征阻抗和电阻归一化，并将第一输入端口1、第二输出端口2和第三输出端口3的特征阻抗归一化至常量M，M＝1Ω；
S2.级联结构在中心频率等效为一段传输线，级联结构的特征阻抗Ztot和电长度为θtot在中心频率处等效，即两者ABCD矩阵在中心频率处相等，特征阻抗和电长度的关联表达式如下：
其中，
ZT和qT分别为第四微带线4和第十二微带线12的特征阻抗和电长度，ZS1、ZS2、ZS3和ZS4分别为第一微带线组和第二微带线组中四段纵向开路线的特征阻抗，即依次为第十微带线10、第五微带线5、第六微带线6和第七微带线7的特征阻抗，或依次为第十一微带线11、第十三微带线13、第十四微带线14和第十五微带线15的特征阻抗；θS1、θS2、θS3和θS4分别为第一微带线组和第二微带线组中四段纵向开路线的电长度，即依次为第十微带线10、第五微带线5、第六微带线6和第七微带线7的电长度，或依次为第十一微带线11、第十三微带线13、第十四微带线14和第十五微带线15的电长度；S11代表第一输入端口1的反射系数；S21代表第一输入端口1到第二输出端口2的传输系数；S22代表第二输出端口2的反射系数；S32代表第二输出端口2到第三输出端口3的传输系数，其中，S11和S21用于衡量器件的传输特性；S22和S32用于衡量器件的隔离特性；
如图3-4所示，S3.对功率分配线路进行奇偶模等效分析，使功率分配线路在中心频率处实现匹配，且匹配关系为：Zinetot＝1&Zinotot＝0，
其中，
Zino1＝jZtottanθ，
Zinetot为偶模等效电路的特征阻抗，Zine1为偶模等效电路中级联结构的等效特征阻抗；Zinotot为奇模等效电路的特征阻抗，Zino1为奇模等效电路中级联结构的等效特征阻抗；Ziso和θiso分别为隔离传输线组的特征阻抗和电长度，Riso为隔离电阻9的阻值；
S4.选择级联结构中纵向开路线组的电长度及隔离传输线组的电长度，以调控带外零点。
本实施例中各特征阻抗和电长度取值如表1所示，隔离电阻9归一化取值为1.3334Ω，在纵向开路线组电长度的选择上，采用了7°、10°、17°、25°四种电长度，保证了产生带外零点的同时，将整个电路的周期提高，提供良好的高次谐波抑制特性。仿真结果如图5-6所示，在中心频率1GHz处，本申请的功率分配器有着良好的功率分配特性和隔离特性；在3GHz–10GHz的频率范围内，S21有6个传输零点，且S21的幅值低于-20dB，可以实现良好的高次谐波抑制特性。
表1各特征阻抗和电长度取值
| 特征阻抗(W) | 电长度(°) |
| Z<sub>T</sub>＝2.1701 | θ<sub>T</sub>＝20 |
| Z<sub>iso</sub>＝1.1547 | θ<sub>iso</sub>＝30 |
| Z<sub>S1</sub>＝0.5248 | θ<sub>S1</sub>＝7 |
| Z<sub>S2</sub>＝0.3768 | θ<sub>S2</sub>＝10 |
| Z<sub>S3</sub>＝0.6534 | θ<sub>S3</sub>＝17 |
| Z<sub>S4</sub>＝1.9931 | θ<sub>S4</sub>＝25 |
同时，本申请对功率分配器进行了制备和测试。采用罗杰斯电路板，介电常数为2.2，厚度为0.787mm，功率分配线路布局图7所示，其测试结果如图8-9所示。如图8-9所示，本实例提出的方法可以设计具有良好带外高次谐波抑制特性的功率分配器，且制备的功率分配器在通带内有良好的传输特性和隔离度，带外对高次谐波的抑制的频率可达10倍的中心频率，并且带外抑制度达到了-25dB。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所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。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种具有高次谐波抑制特性的功率分配器，其特征在于：包括：
微带线层，用于电路中信号传输；
功率分配线路，包括级联结构和隔离传输线组，功率分配线路布设于微带线层上，级联结构包括沿信号传输方向设立的横向传输线组和多条纵向开路线组，横向传输线组用于提供功率分配和信号传输，纵向开路线组用于提供高次谐波抑制特性，隔离传输线组设于横向传输线组之间；
隔离电阻，设于隔离传输线组上，用于提供微带线层的输出端口之间的隔离特性。
2.根据权利要求1所述的具有高次谐波抑制特性的功率分配器，其特征在于：还包括基板和接地金属层，微带线层和接地金属层分别设于基板相对侧，且接地金属层采用铜层。
3.根据权利要求1或2所述的具有高次谐波抑制特性的功率分配器，其特征在于：所述级联结构还包括第一输入端口、第二输出端口和第三输出端口，级联结构包括相对设立的第一路三段Π结构和第二路三段Π结构，第一路三段Π结构和第二路三段Π结构一端连接第一输入端口，且另一端分别连接第二输出端口和第三输出端口。
4.根据权利要求3所述的具有高次谐波抑制特性的功率分配器，其特征在于：所述横向传输线组包括第四微带线和第十二微带线且呈侧向U型，第四微带线两端分别连接第一输入端口和第二输出端口，第十二微带线两端分别连接第一输入端口和第三输出端口。
5.根据权利要求4所述的具有高次谐波抑制特性的功率分配器，其特征在于：所述纵向开路线组包括第一微带线组和第二微带线组，第一微带线组垂直设于第四微带线上，第二微带线组垂直设于第十二微带线上，且第一微带线组和第二微带线组的电长度不同，用于通过不同电长度控制带外抑制，打破功率分配器的周期，在不同频率产生传输零点。
6.根据权利要求5所述的具有高次谐波抑制特性的功率分配器，其特征在于：所述隔离传输线组包括第八隔离传输线和第十六隔离传输线，第八隔离传输线垂直设于第四微带线靠近第二输出端口一端，第十六隔离传输线垂直设于第十二微带线靠近第三输出端口一端，且第八隔离传输线和第十六隔离传输线之间留有间距，隔离电阻设于第八隔离传输线和第十六隔离传输线之间。
7.一种使用如权利要求1-6中任一项所述的具有高次谐波抑制特性的功率分配器的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1.将横向传输线组、纵向开路线组、隔离传输线组的所有特征阻抗和电阻归一化，并将第一输入端口、第二输出端口和第三输出端口的特征阻抗归一化至常量M；
S2.级联结构在中心频率等效微一段传输线，级联结构的特征阻抗Ztot和电长度为θtot在中心频率处等效，即两者ABCD矩阵在中心频率处相等，特征阻抗和电长度的关联表达式如下：
其中，
ZT和θT分别为第四微带线和第十二微带线的特征阻抗和电长度，ZS1、ZS2、ZS3和ZS4分别为第一微带线组和第二微带线组中四段纵向开路线的特征阻抗，θS1、θS2、θS3和θS4分别为第一微带线组和第二微带线组中四段纵向开路线的电长度，S11代表第一输入端口的反射系数；S21代表第一输入端口到第二输出端口的传输系数；S22代表第二输出端口的反射系数；S32代表第二输出端口到第三输出端口的传输系数，其中，S11和S21用于衡量器件的传输特性；S22和S32用于衡量器件的隔离特性；
S3.对功率分配线路进行奇偶模等效分析，使功率分配线路在中心频率处实现匹配，且匹配关系为：Zinetot＝1&Zinotot＝0，
其中，
Zino1＝jZtottanθ，
Zinetot为偶模等效电路的特征阻抗，Zine1为偶模等效电路中级联结构的等效特征阻抗；Zinotot为奇模等效电路的特征阻抗，Zino1为奇模等效电路中级联结构的等效特征阻抗；Ziso和θiso分别为隔离传输线组的特征阻抗和电长度，Riso为隔离电阻的阻值；
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- 2021-12-31 CN CN202111681354.3A patent/CN114497952B/zh active Active
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114497952B (zh) | 2023-05-16 |
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