CN215816342U - 低插损小型化高频率比的毫米波双频段功分器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及无源设备领域，为低插损小型化高频率比的毫米波双频段功分器及设计方法，其中毫米波双频段功分器包括介质片以及设置在介质片上的若干个一分二微带结构；所述若干个一分二微带结构连接形成多级功率分配单元，位于首级功率分配单元的一分二微带结构的输入端为毫米波双频段功分器的输入端口，位于末级功率分配单元的多个一分二微带结构的输出端为毫米波双频段功分器的多个输出端口；相邻两级的两个一分二微带结构之间通过第二传输微带线连接。本实用新型可实现高频率比的双频段工作，并且插损较低、各端口隔离度较高、尺寸较小。

Description

低插损小型化高频率比的毫米波双频段功分器

技术领域

本实用新型涉及无源设备领域，具体涉及低插损小型化高频率比的毫米波双频段功分器。

背景技术

目前，功率分配器广泛应用于微波通信、卫星通信、测试仪器仪表等***中，主要作用是将工作频段的微波功率分配给不同路数的下级级联设备，从而实现功率的分配或合成。功率分配器简称为功分器，用于将一个输入信号按照一定比例分配给两个或多个输出端口，以实现信号功率的分配。市面上较多单频、宽频和低频率比双频功分器，但是缺乏高频率比毫米波双频一分多功分器。

可工作于毫米波频段的功分器，一般采用波导或者微带线的技术手段，采用波导的方式，它的结构复杂，同时体积很大，并不利于实际应用。而采用微带线的技术手段，现有结构的***损耗很大，也就是说在功率分配的同时，很多能量在经过功分器的时候被各种原因损耗了，分配到各端口的能量更少了。

能够工作于毫米波频段的功分器，必须有极为细致的结构，在保证毫米波频段的功分器性能的同时，还要保障双频段中的低频段的性能，这是现有技术难以克服的地方。

发明内容

为解决现有技术所存在的技术问题，本实用新型提供低插损小型化高频率比的毫米波双频段功分器及其设计方法，可以实现高频率比的双频段工作，并且插损较低、各端口隔离度较高、尺寸较小。

本实用新型一个实施例中的低插损小型化高频率比的毫米波双频段功分器，包括介质片以及设置在介质片上的若干个一分二微带结构；所述若干个一分二微带结构连接形成多级功率分配单元，位于首级功率分配单元的一分二微带结构的输入端为毫米波双频段功分器的输入端口，位于末级功率分配单元的多个一分二微带结构的输出端为毫米波双频段功分器的多个输出端口；相邻两级的两个一分二微带结构之间通过第二传输微带线连接。

在一个优选的实施例中，一分二微带结构包括第一传输微带线、阻抗变换微带线及隔离电阻，其中第一传输微带线位于一分二微带结构的输入端，隔离电阻跨接于阻抗变换微带线末端，一分二微带结构的输出端从阻抗变换微带线末端引出。

在一个优选的实施例中，末级功率分配单元与毫米波双频段功分器的输出端口之间也通过第二传输微带线连接。

本实用新型与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本实用新型只采用了双节阻抗变换微带线就实现了高频率比的毫米波双频一分八功分器。

2、本实用新型每一处一分二微带结构中，双节阻抗变换微带线起双频段阻抗匹配作用，能在两个频段产出谐振点，而设置在双节阻抗变换微带线上的两片贴片电阻起隔离作用，保持输出的两个端口有一定的隔离度，减少相互耦合。

3、本实用新型功分器通过结构和长度设计的优化后实现了整体小型化，缩短了微带线长度，而且除了用于隔离的贴片电阻，没有添加其他损耗元器件，所以功分器的双频插损都较低。

附图说明

图1是本实用新型实施例中的一分八功分器整体结构示意图；

图2是本实用新型实施例中的一分二微带结构示意图；

图3是本实用新型实施例中的一分八功分器微带线和贴片电阻分布图；

图4是本实用新型实施例中的一分八功分器等效电路图；

图5是本实用新型实施例中以一分二为例双频威尔金森功分器等效电路图；

图6是本实用新型实施例中的偶模分析电路图；

图7是本实用新型实施例中的奇模分析电路图；

图8是本实用新型实施例中的双频一分八功分器4.9GHz回波损耗S11测试图；

图9是本实用新型实施例中的双频一分八功分器26GHz回波损耗S11测试图；

图10是本实用新型实施例中的双频一分八功分器4.9GHz回波损耗S22-S99测试图；

图11是本实用新型实施例中的双频一分八功分器26GHz回波损耗S22-S99测试图；

图12是本实用新型实施例中的双频一分八功分器4.9GHz***损耗S21-S91测试图；

图13是本实用新型实施例中的双频一分八功分器26GHz***损耗S21-S91测试图；

图14是本实用新型实施例中的双频一分八功分器4.9GHz输出端口之间隔离度测试图；

图15是本实用新型实施例中的双频一分八功分器26GHz输出端口之间隔离度图测试图；

图16是本实用新型实施例中的双频一分八功分器4.9GHz输出端口的相位测试图；

图17是本实用新型实施例中的双频一分八功分器26GHz输出端口的相位测试图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例，对本实用新型技术方案做进一步详细描述，显然所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例，本实用新型的实施方式并不限于此。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型主要用于无线电技术领域,它可以应用于5G移动通讯Sub-6GHz和毫米波的双频频段的射频通信***，特别是在众多端口的大规模阵列天线中，能够充当多端口功率分配器。

实施例

本实施例提供了一种有双节阻抗变换微带线和两个隔离电阻的双频低***损耗小型化一分八功分器，通过合理设计微带线的长度与宽度、结构、贴片电阻的大小，可以实现高频率比的双频段工作，其插损较低、各端口隔离度较高、整体尺寸较小。

如图1-3所示，本实施例的毫米波双频段功分器包括介质片1、铜片4、多个母连接器2以及设置在介质片1上的若干个一分二微带结构3。所述若干个一分二微带结构3连接形成多级功率分配单元，位于首级功率分配单元的一分二微带结构的输入端为本实施例毫米波双频段功分器的输入端口，位于末级功率分配单元的多个一分二微带结构的输出端为本实施例毫米波双频段功分器的多个输出端口。所述多个母连接器2分别设置在本实施例毫米波双频段功分器的输入端口及多个输出端口。铜片4是一层1盎司厚度的铜片，紧贴介质片1下面。该铜片4作为整体1分8双频功分器的接地面，并与2.92mm母连接器的外层金属焊接在一起。每个一分二微带结构3的结构均相同，均包括第一传输微带线301、阻抗变换微带线302及贴片电阻303，其中第一传输微带线301位于一分二微带结构的输入端，贴片电阻303位于阻抗变换微带线302末端上面，一分二微带结构的输出端从阻抗变换微带线302末端引出。相邻两级的两个一分二微带结构3之间通过第二传输微带线连接，末级功率分配单元与毫米波双频段功分器的输出端口之间也通过第二传输微带线连接。在本实施例中，毫米波双频段功分器设有三级功率分配单元，所形成的一分八功分器在整体上以对称轴316为对称结构，一级一分二微带结构包括一个一分二微带结构，二级一分二微带结构包括两个一分二微带结构，三级一分二微带结构包括四个一分二微带结构，第一级功率分配单元与第二级功率分配单元的一分二微带结构之间通过第二传输微带线304-305连接，第二级功率分配单元与第三级功率分配单元之间通过第二传输微带线306-307连接，第三级功率分配单元与毫米波双频段功分器的输出端口之间通过第二传输微带线308-315连接。

在本实施例中，第一传输微带线301、第二传输微带线304-315、阻抗变换微带线302均采用覆铜微带线来实现，传输微带线与阻抗变换微带线都属于铜质微带线，只是特性阻抗不一样。一分二微带结构3的阻抗变换微带线302为双节阻抗变换微带线，双节阻抗变换微带线用于双频段阻抗匹配，能在两个频段产出谐振点；每节阻抗变换微带线上都贴有贴片电阻，贴片电阻起到隔离作用，跨接在双节阻抗变换微带线的末端，保持输出的两个端口有一定的隔离度，减少相互耦合，两个贴片电阻可采用不同阻值的电阻，优选0402贴片电阻。母连接器优选为2.92mm母连接器，三级功率分配单元共有一个输入端口和8个输出端口，因而本实施例设有9个母连接器。

本实施例中，由于一分八功分器的八个通道必须保证一定的隔离度，在每组一分二微带结构中的上下两段两节阻抗变换微带线的末端焊接用于隔离的贴片电阻R1和R2，横跨在上下两段双节阻抗变换微带线的上面，一共需要焊接7组贴片电阻R1和R2。

本实施例一分八的功率分配原理如下：第一传输微带线301通过双节阻抗变换微带线302和两片0402贴片电阻303，把能量均分,到第二传输微带线304和305，第二传输微带线304又通过双节阻抗变换微带线和两片0402贴片电阻，把自身功率平分到第二传输微带线306和307，同理第二传输微带线306和307也分别均分自身功率到第二传输微带线308-311。此时，从第二传输微带线304开始看，整体效果表现为1分4功率分配。本实施例的一分八功分器是以对称轴316为对称结构的，上下两部分完全对称。因此，第二传输微带线305也可以像第二传输微带线304一样，进行1分4功率分配。最终整体表现为，总能量从第一传输微带线301进入，从第二传输微带线308-315流出，第二传输微带线308-315的每一个输出口有1/8总能量。每一处一分二微带结构中，双节阻抗变换微带线起双频段阻抗匹配作用，能在两个频段产出谐振点，而两片0402贴片电阻起隔离作用，保持输出的两个端口有一定的隔离度，减少相互耦合。

一分八功分器等效电路如图4所示，通过传输线基本理论和奇偶模的分析方法，可计算出阻抗Z₁、Z₂、微带线长度l₁、l₂和阻值R1、R2的大小：

1、S参量分析

对于一分八功分器，我们要求其S参量满足：

S₁₁＝S₂₂＝S₃₃＝S₄₄＝S₅₅＝S₆₆＝S₇₇＝S₈₈＝S₉₉＝0

S₂₁＝S₃₁＝S₄₁＝S₅₁＝S₆₁＝S₇₁＝S₈₁＝S₉₁

S_ij＝0，i、j≠1，i≠j

S₁₁至S₉₉，即S_ij＝0，i＝j，表示9个端口阻抗匹配，能量传输没有反射。S₂₁至S₉₁，即S_i1，i≠1，代表能量传输从1端口入射到每个输出端口的***损耗，由于互易性，因此各数值相等。S_ij＝0，i、j≠1，i≠j中，S_ij代表i和j两个输出端口之间的隔离度，此处数值为零，代表这两个端口之间完全隔离，没有耦合。

2、等效电路分析

如图4所示是一分八功分器的等效电路图。一分八功分器，是以一分二功分器为理论基础进行设计的。为方便设计和理解，以在一分二功分器进行双频段功分器理论设计。

以一分二威尔金斯功分器为例，本实施例采用双节阻抗变换微带线和两个隔离贴片电阻的结构，构建双频威尔金森功分器，如图5所示。

其中Z₀是50Ω特性阻抗，Z和l分别是阻抗变换微带线的阻抗和长度，其中下标1和2分别代表第一节阻抗变换微带线和第二节阻抗变换微带线，频率f₁、f₂分别代表双频功分器的工作频率(f₂＞f₁)。对威尔金森功分器进行奇模偶模分析。

偶模分析：

如图6所示是一分二功分器的偶模分析：

令Z_П ^ev＝Z₀，即可求得含有β、l₁、l₂变量的Z₁和Z₂。其中

变量β是传播常数，与工作频率f有关。l₁、l₂的取值与工作的频率f₁和f₂有关。u为频率比，是f₁与f₂之间的比值。

β₁l₁±β₂l₁＝nπ

β₁l₂±β₂l₂＝mπ

其中n、m是任意正整数。

这里，本实施例为针对4.9GHz和26GHz的双频段功分器，因此这里u≈5.3。

奇模分析：

如图7所示是一分二功分器的奇模分析：

Z_I ^od＝jZ₁tan(βl₁)

令Z_Ⅳ ^od＝Z₀，同时由偶模分析已知β、l₁、l₂、Z₁和Z₂，最终可以求得R₁和R₂。

3、低***损耗和小型化分析

其次，为实现低成本毫米波性能，这里必须设计减少整体一分八的微带线长度，因此，根据公式：

我们令Z₁小于Z₂由此必定有：

为了使式子成立，必定有tan(βl₁)与tan(βl₂)同时数值比较小。

再根据式子：

β₁l₁±β₂l₁＝nπ

β₁l₂±β₂l₂＝mπ

这两个式子中取正号：

β₁l₁+β₂l₁＝nπ

β₁l₂+β₂l₂＝mπ

其中，β₁、β₂分别为双频功分器的第一个工作频率的传播常数、第二个工作频率的传播常数，传播常数根据想要获得的双频功分器的两个工作频率来确定。通过这样的方式，即可以得到较小的第一节阻抗变换微带线长度l₁和第二节阻抗变换微带线长度l₂，微带线的长度可以大大减少，这能够大大减少功分器的***损耗，同时也减小了功分器的尺寸。通过计算并且考虑压缩尺寸带来的耦合因素影响，最终可以得到如下设计参数：

l₁＝4.6mm，l₂＝5.9mm，Z₁＝65Ω，Z₂＝80Ω，Z₀＝50Ω，R₁＝130Ω和R₂＝70Ω。

其中，Z₁是第一节阻抗变换微带线的阻抗，Z₂是第二节阻抗变换微带线的阻抗，R₁、R₂分别是两个隔离电阻的阻值。

再通过ADS(自动化设备规范)软件，进行毫米波双频段功分器结构设计，并且调整和优化微带线的长度与宽度、贴片电阻的大小。同时合理设计双节阻抗的微带线分布，这样可以大大减小功分器的尺寸，达到小型化的结果。在决定双频工作的两节阻抗匹配电路，采用压缩紧凑的方式，把两节阻抗匹配的长度W6压缩为6.2mm。这样，就可以达到双频低***损耗和小型化的一分八功分器。

另外，本实施例还合理设计介质片厚度。由于微带线传输阻抗与板材的关系，这里采用厚度较薄，但该板子无需另外制造金属外壳进行封装，便可以直接使用的0.5mm厚度、相对介电常数为2.55的国产高频板材F4B。这样可以既使微带线宽度较小，***损耗较小，也可以使板子有一定的厚度，便于直接应用。确定介质片厚度和种类以后，根据计算出来的第一节阻抗变换微带线阻抗Z₁＝65Ω，第二节阻抗变换微带线阻抗Z₂＝80Ω进行微带线阻抗计算分析，得到第一节阻抗变换微带线、第二节阻抗变换微带线的微带线宽度，可以得到Z₁＝65Ω微带线宽度W2为0.74mm，Z₂＝80Ω微带线宽度W3为0.5mm；同时Z₀＝50Ω微带线宽度W1对应为1.17mm。

除了减小微带线的长度，本实施例优化功分器的结构分布，在决定双频工作的两节阻抗匹配电路，采用压缩紧凑的方式，把两节阻抗匹配的长度W6压缩为6.2mm。

优选地，在一分八功分器中，如图2所示，W1＝1.17mm、W2＝0.74mm、W3＝0.5mm、W4＝0.6mm、W5＝13.6mm、W6＝6.2mm、l₁＝4.6mm，l₂＝5.9mm、R1＝130Ω和R2＝70Ω。接着按照图4所示的一分八等效电路图，把多个一分二结构衔接起来，就可以达到双频低***损耗和小型化的一分八功分器。

同时，为了得到较高的端口隔离度，本实用新型在每一处一分二微带结构中，加入两片贴片电阻，在整个一分八功分器中，共14片贴片电阻的方式，提高端口之间的隔离度。这里，双节阻抗匹配电路之间的微带线要求间距较小，这样再搭配0402这款长度仅仅1mm的贴片电阻，可以解决由于毫米波引发的分布参数效应。这样就可以控制端口具有较高的隔离度，提升双频功分器的性能。

对本实施例微波毫米波双频段一分八功分器的性能测试结果如图8-17所示，该一分八功分器能够在4.9GHz频段(带宽1090MHz)，S11＜-20dB，输出端口回波损耗＜-15dB，输出端口之间的隔离度＞19.3dB，***损耗为-9.25dB至-9.29dB之间。8个输出端口之间幅值差异＜0.04dB，相位差异＜0.5度；在26GHz频段(带宽390MHz)，S11＜-15dB，输出端口回波损耗＜-16dB，输出端口之间的隔离度＞20dB，***损耗为-12至-12.8dB之间。8个输出端口之间幅值差异＜0.8dB，相位差异＜3.8度。

本实施例一分八功分器对结构和长度进行优化设计后，实现了整体小型化，其横向尺寸为30.3×108.8mm，厚度为0.5mm；由于小型化技术缩短了微带线长度，而且除了隔离贴片电阻，没有添加其他损耗元器件，所以双频插损都较低，4.9GHz频段的***损耗为9.25-9.29dB，毫米波频段的***损耗只有12-12.8dB。

由上可知，基于相同的发明构思，本实施例毫米波双频段功分器的设计方法包括以下步骤：

在一分二功分器基础上，采用双节阻抗变换微带线和两个隔离电阻的结构，构建双频一分二功分器作为一分二微带结构，并进一步得到若干个一分二微带结构；

将多个一分二微带结构连接形成多级功率分配单元；

通过对一分二功分器进行偶模、奇模分析及低***损耗和小型化分析，计算双节阻抗变换微带线中第一节阻抗变换微带线和第二节阻抗变换微带线的阻抗及长度，减少整体毫米波双频段功分器的微带线长度和减小整体毫米波双频段功分器的尺寸；第一节阻抗变换微带线和第二节阻抗变换微带线的阻抗及长度计算关系如下：

β₁l₁+β₂l₁＝nπ

β₁l₂+β₂l₂＝mπ

l₁、l₂分别是第一节阻抗变换微带线和第二节阻抗变换微带线的长度；β₁、β₂分别为双频功分器的第一个工作频率的传播常数、第二个工作频率的传播常数；n、m是任意正整数；

进行毫米波双频段功分器结构设计，调整和优化微带线的长度与宽度、隔离电阻的大小，设计双节阻抗变换微带线的微带线分布；

确定介质片的厚度和种类，根据计算出来的第一节阻抗变换微带线阻抗、第二节阻抗变换微带线阻抗进行微带线阻抗的计算分析，得到第一节阻抗变换微带线、第二节阻抗变换微带线的微带线宽度。

除了本实施例提及的方式外，还能做如下变换：0402贴片电阻可以改用其他型号的贴片电阻甚至薄膜电阻，连接器也可以采用其他型号的连接器。同时介质片也可以更换板材种类，整体板子的尺寸也可以调整。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.低插损小型化高频率比的毫米波双频段功分器，其特征在于，包括介质片以及设置在介质片上的若干个一分二微带结构；所述若干个一分二微带结构连接形成多级功率分配单元，位于首级功率分配单元的一分二微带结构的输入端为毫米波双频段功分器的输入端口，位于末级功率分配单元的多个一分二微带结构的输出端为毫米波双频段功分器的多个输出端口；相邻两级的两个一分二微带结构之间通过第二传输微带线连接。

2.根据权利要求1所述的毫米波双频段功分器，其特征在于，一分二微带结构包括第一传输微带线、阻抗变换微带线及隔离电阻，其中第一传输微带线位于一分二微带结构的输入端，隔离电阻跨接于阻抗变换微带线末端，一分二微带结构的输出端从阻抗变换微带线末端引出。

3.根据权利要求2所述的毫米波双频段功分器，其特征在于，末级功率分配单元与毫米波双频段功分器的输出端口之间也通过第二传输微带线连接。

4.根据权利要求2所述的毫米波双频段功分器，其特征在于，第一传输微带线、第二传输微带线、阻抗变换微带线均为覆铜微带线。

5.根据权利要求2所述的毫米波双频段功分器，其特征在于，阻抗变换微带线为双节阻抗变换微带线，每节阻抗变换微带线上都设有隔离电阻。

6.根据权利要求1所述的毫米波双频段功分器，其特征在于，毫米波双频段功分器设有三级功率分配单元，所形成的一分八功分器在整体上为对称结构，一级一分二微带结构包括一个一分二微带结构，二级一分二微带结构包括两个一分二微带结构，三级一分二微带结构包括四个一分二微带结构。

7.根据权利要求2-5中任一项所述的毫米波双频段功分器，其特征在于，所述隔离电阻为贴片电阻。

8.根据权利要求2-6中任一项所述的毫米波双频段功分器，其特征在于，毫米波双频段功分器还包括铜片、多个母连接器，多个母连接器分别设置在毫米波双频段功分器的输入端口及多个输出端口；铜片紧贴在介质片下面，母连接器的外层金属与该铜片连接。

9.根据权利要求1所述的毫米波双频段功分器，其特征在于，在每一处一分二微带结构中，加入两片贴片电阻作为隔离电阻。

10.根据权利要求2-5、9中任一项所述的毫米波双频段功分器，其特征在于，所述隔离电阻的长度为1mm。

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