專利名稱：一種具有多種功率分配比的微波功分器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微波功分器，具體是涉及一種微帶線為方形結(jié)構(gòu)并利用電容加載技術(shù)的具有多種功率分配比的微波功分器。
背景技術(shù)：
微波功分器的全稱是微波功率分配器，在微波電路特別是微波集成電路中廣泛使用。目前，對于中小功率兩路的微波功分器，大部分采用微帶三端口的功率分配器。對于無耗互易的三端口功率分配器，三個端口不可能同時匹配，所以一般采用Wilkinson結(jié)構(gòu)，采用隔離電阻來改善端口間的隔離度和各端口的匹配。對于多路微波功分器，常用的辦法是使用多個一分為二的功分器進(jìn)行級聯(lián)擴(kuò)展，得到多端口多功率分配比的功分器。但是，這兩種功分器的設(shè)計必須考慮電長度，即當(dāng)中心頻率確定后，它們的幾何尺寸也就確定，工作頻率一旦偏離中心頻率，駐波比、隔離度及兩路輸出的平衡度等指標(biāo)惡化，因而工作頻帶較窄。2002～2003年，Maximilian C.Scardelletti和B.Piernas等人提出利用電容加載技術(shù)來減小Wilkinson功分器的尺寸，重點(diǎn)是減小1/4波長微帶線的長度，但是仍然需要隔離電阻，在電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面仍然基于Wilkinson結(jié)構(gòu)及其變形。這些結(jié)構(gòu)都需要使用較大功率的隔離電阻，大功率隔離電阻常占用較大的體積，使常規(guī)的微波功分器體積也相對較大，很難應(yīng)用在小型化和集成化的微波電路中。
傳統(tǒng)功分器的另一種形式為混合環(huán)功分器，混合環(huán)功分器為環(huán)形結(jié)構(gòu)，主要是利用各端口之間的相位關(guān)系來實(shí)現(xiàn)高的隔離。由于這種結(jié)構(gòu)中各段線都是1/4波長的整數(shù)倍，工作頻率一旦偏離中心頻率則導(dǎo)致指標(biāo)惡化，因而這種功分器頻段較窄。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供具有寬頻帶和多種功率分配比的小型微波功分器。
本發(fā)明的目的通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)一種具有多種功率分配比的微波功分器，包括微帶線、微波介質(zhì)基片和接地板，微帶線通過印刷電路板技術(shù)加工在微波介質(zhì)基片的一面，另一面為接地板，其特征在于，所述微帶線連接成方形，方形的每一邊由2段等效1/4波長線連接而成，方形的左右兩邊2段等效1/4波長微帶線交點(diǎn)處通過一段等效1/2波長微帶線連接；在方形4個角點(diǎn)處以及上下邊2段等效1/4波長的微帶線的交點(diǎn)處，分別由一段微帶線引出作為端口，所述端口為功分器輸入端口或者輸出端口；所述等效1/4波長或者1/2波長的微帶線是通過電容加載技術(shù)，由長度小于1/4波長或者1/2波長微帶線與接地電容連接構(gòu)成，所述接地電容接地端與接地板連接，所述各段微帶線的特征阻抗、電長度和加載的電容的容值由功分器的輸出功率分配比確定。
所述的等效1/4波長或者1/2波長微帶線的加載電容還可以用微帶線替代，也就是所述的所述等效1/4波長或者1/2波長的微帶線為1/4波長微帶線或者1/2波長的微帶線。
本發(fā)明具有多種功率分配比的微波功分器的輸出端的輸出功率分配比從理論上可以是任意的，應(yīng)用所需的分配比確定后，可以計算得到各段微帶線的特征阻抗、電長度和加載的電容的容值的相關(guān)數(shù)值，從而實(shí)現(xiàn)所需的分配比例。如從具體實(shí)施例可以得到輸出端輸出功率比例為1∶1∶1或4∶2∶1。本發(fā)明的多種功率分配原理如下根據(jù)電容加載技術(shù)，如圖3A和3B所示，圖3A為一段特征阻抗為Z0的1/4波長微帶線，圖3B為一段特征阻抗為Z、電長度為φ(φ<π2)]]>的微帶線，且兩端各有一個接地電容。如果這二者的導(dǎo)納矩陣相等則說明二者可以相互替代。實(shí)際上當(dāng)微帶線的電長度為φ=arcsin(ZoZ),]]>電容為C=ctgφωZ]]>(其中ω為中心角頻率)時，圖3A和圖3B的導(dǎo)納矩陣中的對應(yīng)項(xiàng)相等，說明一段1/4波長微帶線可以等效為一段長度小于1/4波長的微帶線和兩個接地電容，即它們可以相互替代。
因此，如圖1所示，微帶線7、8、9、10、11、12、13、14通過與兩端的電容16、17、18、19、21、22、23、24連接，等效為八段1/4波長微帶線。因?yàn)橐欢?/2波長微帶線可視為兩端級聯(lián)的1/4波長微帶線，所以微帶線15及與其相連的電容19、20、21等效為一段特征阻抗為的1/2波長微帶線。
可設(shè)微帶線7、8、9、10、11、12、13、14及兩端的加載的電容分別等效為特征阻抗為Z7、Z8、Z9、Z10、Z11、Z12、Z13、Z14的1/4波長無耗微帶線，微帶線15及與之相連的電容等效為特征阻抗為Z15的1/2波長微帶線。根據(jù)散射參數(shù)的定義可以計算出任意兩端口之間的散射參數(shù)Smn＝f(Z7，Z8，Z9，Z10，Z11，Z12，Z13，Z14，Z15)Smn表示從n端口到m端口的散射參數(shù)，其中m和n表示圖1中的6個端口的序號，m，n分別可取1，2，3，4，5，6。
計算出了任意兩端口間的散射參數(shù)，則可以得到該六端口網(wǎng)絡(luò)的散射參數(shù)矩陣 對于給定功率分配比的功分器，根據(jù)散射參數(shù)矩陣就可以選擇輸入輸出端口并確定各微帶線的特征阻抗Z7、Z8、Z9、Z10、Z11、Z12、Z13、Z14、Z15，從而得到所需的功率分配比。
取其中一種情況來進(jìn)行說明如下如果端口1為輸入端口，端口2、端口4、端口6為輸出端口，且輸出功率比為I∶J∶K，各端口的阻抗Z0＝50歐姆，則各微帶線的特征阻抗值和該網(wǎng)絡(luò)的散射參數(shù)分別為式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)和(6)Z7=Z9=Z0×I+J+KI+J---(1)]]>Z8=Z10=Z0×I+J+KI---(2)]]>Z11=Z13=Z0×J+KJ---(3)]]>
Z12=Z14=Z0×J+KK---(4)]]>Z15＝Z0(5)S=0II+J+K0JI+J+K0KI+J+KII+J+K0J+KI+J+K0000J+KI+J+K0I×J(I+J+K)(J+K)0I×K(I+J+K)(J+K)JI+J+K0I×J(I+J+K)(J+K)0K(J+K)0000KJ+K0JJ+KKI+J+K)0I×K(I+J+K)(J+K)0JJ+K0---(6)]]>如上所述，若已知1/4波長微帶線的特征阻抗，則可以利用電容加載技術(shù)對上述各段1/4波長微帶線進(jìn)行等效處理，對于同一位置并聯(lián)的電容，合并為一個電容。由此可以得到微帶線7、8、9、10、11、12、13、14和15的電長度及特征阻抗和各電容16、17、18、19、20、21、22、23、24的容值。根據(jù)這些參數(shù)就可以在印刷電路板上加工出實(shí)際電路。
根據(jù)輸出功率分配比設(shè)定微帶線的特征阻抗和電長度及電容的容值，可以設(shè)計出符合要求的微波功分器。在較高的頻段，電路本身尺寸小，可以不使用電容加載技術(shù)而直接采用1/4波長微帶線和1/2波長微帶線，這種情況下則需要根據(jù)輸出功率分配比來設(shè)定微帶線的特征阻抗。
參閱圖1，各段微帶線及其與之相連接的電容等效為1/4波長或1/2波長微帶線，而1/4波長微帶線對應(yīng)的相位關(guān)系為90度，1/2波長微帶線對應(yīng)的相位關(guān)系為180度，信號在各端口這樣的相位關(guān)系為N1×90±N2×180度，其中N1、N2為整數(shù)，這樣信號在某些端口同相疊加，對應(yīng)為功分器的輸出端口，在某些端口反相抵消，對應(yīng)為功分器的隔離端口。如果信號從端口1輸入，根據(jù)該六端口網(wǎng)絡(luò)的散射參數(shù)矩陣，S21、S41、S61非零，所以信號從端口2、端口4、端口6輸出，這三個端口輸出的功率比根據(jù)各微帶線的電長度及特征阻抗及電容的值來確定；S31＝S51＝0，則端口3、端口5為隔離端口。同樣道理，如果信號從端口2輸入，信號從端口1和端口3輸出，其他的端口為隔離端口。如果信號從3端口輸入，則信號從端口2、端口4、端口6輸出，其他端口為隔離端口。由于該結(jié)構(gòu)是一對稱結(jié)構(gòu)，對于從端口4、端口5、端口6輸入的情況，則與從端口1、端口2、端口3輸入的情況對應(yīng)。
另外從散射參數(shù)矩陣可以看出，從輸入端口到隔離端口的散射參數(shù)為0，從理論上來說為理想的隔離，可以省去傳統(tǒng)功分器中常用的隔離電阻。
相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的具有如下特點(diǎn)1、本發(fā)明的功分器具有多種功率分配比，同一個功分器可以實(shí)現(xiàn)幾種功率分配比。通過改變微帶線的阻抗和電長度以及電容的容值，可以得到三路任意功率比的功率分配，二路兩種功率比的功率分配，并且駐波比、隔離度良好，功率損耗小。
2、本發(fā)明采用方形結(jié)構(gòu)微帶線，可在不使用隔離電阻的情況下獲得了較高的隔離度，減少了電路的體積和復(fù)雜性，便于集成到微波電路與系統(tǒng)中。
3、本發(fā)明使用電容加載技術(shù)，用電容加載的方式可減小1/4和1/2波長微帶線的長度和改變微帶線的阻抗，提高各微帶線的阻抗，使其具有相同的特征阻抗，這樣各微帶線的寬度相同，便于加工。


圖1是具有多種功率分配比的微波功分器微帶電路結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是圖1中A-A向剖視圖；圖3是電容加載技術(shù)原理圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。
實(shí)施例1 功分器應(yīng)用于移動通信室內(nèi)信號分布覆蓋系統(tǒng)。
如圖1所示，要設(shè)計一個從端口1輸入、端口2、4、6輸出且功率分配比為1∶1∶1的應(yīng)用于室內(nèi)信號分布覆蓋系統(tǒng)的功分器。微波功分器包括微帶線、微波介質(zhì)基片25和接地板26，微帶線通過印刷電路板技術(shù)加工在微波介質(zhì)基片25的一面，另一面為接地板26，接地板26為銅箔所制備，微帶線7、8、9、10、11、12、13、14連接成方形，方形的每一邊由2段等效1/4波長線連接而成，方形的左右兩邊2段等效1/4波長微帶線7和14以及10和11交點(diǎn)處通過一段等效1/2波長微帶線15連接；在方形4個角點(diǎn)處以及上下邊2段等效1/4波長的微帶線8和9以及12和13的交點(diǎn)處，分別由一段特征阻抗為50歐姆的微帶線1、2、3、4、5和6引出作為端口，端口為功分器輸入端口或者輸出端口；所述等效1/4波長或者1/2波長的微帶線是通過電容加載技術(shù)，由長度小于1/4波長或者1/2波長微帶線7、8、9、10、11、12、13、14和15分別與接地電容16、17、18、19、20、21、22、23和24連接構(gòu)成，其中，接地電容16、17與微帶線8連接構(gòu)成等效1/4波長微帶線；接地電容17、18與微帶線9連接構(gòu)成等效1/4波長微帶線，同理，接地電容19、16與微帶線7連接構(gòu)成等效1/4波長微帶線7，接地電容19、20、21與微帶線15連接構(gòu)成等效1/2波長微帶線。接地電容16、17、18、19、20、21、22、23和24接地端通過過孔與接地板26連接，微帶線7、8、9、10、11、12、13、14和15的特征阻抗、電長度和加載的電容的容值由功分器的輸出功率分配比1∶1∶1確定。根據(jù)所得微帶線的特征阻抗和電長度及電容的參數(shù)來設(shè)計實(shí)際電路。
輸出和輸入端口微帶線阻抗均為50歐姆，根據(jù)式(1)、(2)、(3)、(4)和(5)確定各段等效1/4波長微帶線和1/2波長微帶線的特征阻抗，可得Z7＝Z9＝61Ohm，Z8＝Z10＝86.5Ohm，Z11＝Z12＝Z13＝Z14＝70.5Ohm，Z15＝50Ohm。由上述分析知電長度和電容分別為φ=arcsin(ZoZ),C=ctgφωZ,]]>取各微帶線特征阻抗相同均為100歐姆，即Z＝100Ohm。本實(shí)施例采用板厚0.8mm，介電常數(shù)為4.6的雙面覆銅微波介質(zhì)板，則由《射頻電路設(shè)計一理論與應(yīng)用》(Reinhold Ludwig等著，王子宇等譯，電子工業(yè)出版社2002年5月出版)42、43頁的公式可計算出特征阻抗為100歐姆的微帶線寬度為0.3mm，微帶線7～15的電長度分別為38度、61度、38度、61度、45度、45度、45度、45度、60度。電容16、17、18、19、20、21、22、23和24的容值分別為1.4pF、1.4pF、1.4pF、3.1pF、2.8pF、2.5pF、1.4pF、1.4pF、1.4pF。此時微帶線結(jié)構(gòu)和上述各穩(wěn)定性參數(shù)實(shí)現(xiàn)端口1輸入，端口2、4、6輸出，且輸出功率比為1∶1∶1。其作頻率從1.65GHz至2.25GHz，相對帶寬為30.7％，從端口1到端口2、4、6的散射參數(shù)S21、S41、S61分別為-5.05dB、-5.11dB、-5.19dB，功率損耗為0.34dB，隔離度大于為20dB，中心頻率處隔離達(dá)到32dB，各端口的駐波比均小于1.5。
同時，根據(jù)上述計算方法，如果信號從該功分器端口3輸入，則信號從端口2、4、6輸出，輸出功率比為4∶1∶1。如果從端口4輸入，則信號從端口5、1、3輸出，輸出功率比為3∶2∶1。如果從端口6輸入，則信號從端口5、1、3輸出，輸出功率比為3∶2∶1。如果從端口2輸入，則從端口3、1輸出，輸出功率比為2∶1。如果從端口5輸入，則從端口4、6輸出，輸出功率比為1∶1。
由此可見，同一個功分器可以實(shí)現(xiàn)三種不同分配比的三路功率分配和兩種不同分配比的兩路功率分配。該功分器的實(shí)際電路板尺寸為10mm×30mm，遠(yuǎn)小于采用Wilkinson結(jié)構(gòu)的功分器，尺寸約為Wilkinson功分器的1/5～1/3。
實(shí)施例2 功分器應(yīng)用于天線陣列饋電網(wǎng)絡(luò)如圖1所示，要設(shè)計一個從端口1輸入、端口2、4、6輸出且功率分配比為4∶2∶1的應(yīng)用于天線陣列饋電網(wǎng)絡(luò)的功分器，其中輸出輸入端口微帶線的阻抗均為50歐姆。根據(jù)實(shí)施例1所述分析，確定各段等效1/4波長微帶線和1/2波長微帶線的特征阻抗，可得Z7＝Z9＝76.4Ohm，Z8＝Z10＝66.1Ohm，Z11＝Z13＝61.2Ohm，Z12＝Z14＝86.6Ohm，Z15＝50Ohm。由上述分析知電長度和電容分別為φ=arcsin(ZoZ),C=ctgφωZ,]]>取各微帶線特征阻抗相同均為100歐姆，即Z＝100Ohm。本實(shí)施例采用板厚0.8mm，介電常數(shù)為4.6的雙面覆銅微波介質(zhì)板，則由《射頻電路設(shè)計一理論與應(yīng)用》(Reinhold Ludwig等著，王子宇等譯，電子工業(yè)出版社2002年5月出版)42、43頁的公式可計算出特征阻抗為100歐姆的微帶線寬度為0.3mm，微帶線7～15的電長度分別為49.8度、41.4度、49.8度、41.4度、37.7度、60度、37.7度、60度、60度。電容16、17、18、19、20、21、22、23和24的容值分別為1.5pF、1.5pF、1.5pF、2.5pF、2.8pF、3.3pF、1.5pF、1.5pF、1.5pF。此時可以實(shí)現(xiàn)端口1輸入，端口2、4、6輸出，且輸出功率比為4∶2∶1。其作頻率從1.65GHz至2.25GHz，相對帶寬為30.7％，從端口1到端口2、4、6的散射參數(shù)S21、S41、S61分別為-2.76dB、-5.75dB、-8.73dB，功率損耗為0.3dB，隔離度大于22dB，中心頻率處隔離達(dá)到35dB，各端口的駐波比均小于1.5。
如同實(shí)施例1，如果從端口3輸入，則信號從端口2、4、6輸出，輸出功率比為9∶8∶4。如果從端口4輸入，則信號從端口5、1、3輸出，輸出功率比為3∶6∶8。如果從端口6輸入，則信號從端口5、1、3輸出，輸出功率比為6∶3∶8。如果從端口2輸入，則從端口1、3輸出，輸出功率比為4∶3。如果從端口5輸入，則從端口4、6輸出，輸出功率比為1∶2。
由此可見，同一個功分器可以實(shí)現(xiàn)三種不同分配比的三路功率分配和兩種不同分配比的兩路功率分配。該功分器的實(shí)際電路板尺寸為10mm×30mm，遠(yuǎn)小于采用Wilkinson結(jié)構(gòu)的功分器，尺寸約為Wilkinson功分器的1/5～1/3。
從上述實(shí)施例可知，本發(fā)明在不使用隔離電阻的情況下獲得了良好的隔離性能，并且駐波比小，功率損耗小。與傳統(tǒng)的功分器只能有一種功率分配比不同，本發(fā)明采用不同的輸入輸出端口可以得到不同的功率分配比，同一個功分器可以配置為三種不同功率分配比的三路功分器或兩種不同功率分配比的兩路功分器。通過改變微帶線的特征阻抗和電長度以及接地電容的容值，本發(fā)明的功分器可以得到三路任意功率分配比的功率分配，所以此功分器可以方便的應(yīng)用在不同的場合。此外，本發(fā)明采用電容加載技術(shù)減小了電路的尺寸，使此功分器具有體積小、重量輕的優(yōu)點(diǎn)。在電容加載處理過程中選用相同阻抗的微帶線，這樣各微帶線的寬度相同，改善了各微帶線不連續(xù)的問題，便于加工。
權(quán)利要求
1.一種具有多種功率分配比的微波功分器，包括微帶線、微波介質(zhì)基片和接地板，微帶線通過印刷電路板技術(shù)加工在微波介質(zhì)基片的一面，另一面為接地板，其特征在于，所述微帶線連接成方形，方形的每一邊由2段等效1/4波長微帶線連接組成，方形的左右兩邊2段等效1/4波長微帶線交點(diǎn)處通過一段等效1/2波長微帶線連接；在方形4個角點(diǎn)處以及上下邊2段等效1/4波長的微帶線的交點(diǎn)處，分別由一段微帶線引出作為端口，所述端口為微波功分器輸入端端口或者輸出端端口；所述等效1/4波長或者1/2波長的微帶線是通過電容加載技術(shù)，由長度小于1/4波長或者1/2波長微帶線與接地電容連接構(gòu)成，所述接地電容接地端與接地板連接，所述各段微帶線的特征阻抗、電長度和加載的電容的容值由微波功分器的輸出功率分配比確定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有多種功率分配比的微波功分器，其特征在于，所述等效1/4波長或者1/2波長的微帶線為1/4波長微帶線或者1/2波長的微帶線。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有多種功率分配比的微波功分器，其特征在于，所述微波功分器的輸出功率分配比為1∶1∶1或4∶2∶1。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有多種功率分配比的微波功分器。此功分器的微帶線連接成方形，方形的每一邊由2段等效1/4波長線連接而成，方形的左右兩邊2段等效1/4波長微帶線交點(diǎn)處通過一段等效1/2波長微帶線連接；各段微帶線的特征阻抗、電長度和加載的電容的容值由功分器的輸出功率分配比確定。本發(fā)明在不使用隔離電阻的情況下獲得了很高的隔離度，并且駐波比良好，結(jié)構(gòu)緊湊，尺寸小，重量輕，易加工，便于集成到其他其他系統(tǒng)中，可廣泛應(yīng)用于各種不同的微波電路中。本發(fā)明可達(dá)到30.7％的相對帶寬，功率損耗＜0.4dB，可實(shí)現(xiàn)兩端口等分、非等分、三端口任意比例的功率分配。
文檔編號H01P3/08GK1825688SQ20061003355
公開日2006年8月30日 申請日期2006年2月13日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月13日
發(fā)明者胡斌杰, 章秀銀 申請人:華南理工大學(xué)