專利名稱：一種具有任意功率分配比的反相微波功分器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微波功率分配器，尤其涉及一種具有任意功率分配比的反相微波功分 器。 微波功分器，是將輸入微波信號(hào)功率分成相等或不相等的幾路功率輸出的一種多 端口微波網(wǎng)絡(luò)，廣泛應(yīng)用于微波與通信系統(tǒng)。根據(jù)兩輸出端口的相差，功分器分為同相分配 型和反相分配型。最近的幾十年里，無(wú)論是對(duì)同相功分器的理論研究還是設(shè)計(jì)都取得了很 多的成果，其中以Wilkinson功分器最為典型。而反相功分器，實(shí)現(xiàn)了平衡/差分電路，在 改善微波電路性能方面有很廣泛和有效的應(yīng)用前景。過(guò)去為了在兩輸出端口獲得相反的相 位特性，最常用的設(shè)計(jì)方法就是使用180°電長(zhǎng)度的延時(shí)單元，諸如混合環(huán)。但是，這類器 件的反相特性對(duì)頻率變化非常敏感，導(dǎo)致帶寬很窄。近來(lái)，很多研究人員開發(fā)了一些利用 如開槽線、共面帶線(CPS)等平衡式傳輸線實(shí)現(xiàn)的反相功分器。眾所周知，平衡式傳輸線 兩帶之間固有的反相特性，可以用來(lái)設(shè)計(jì)在寬頻帶范圍內(nèi)具有反相特性的功分器。然而，
L Fan禾口K. Chang在"A 180° out-of-phase power divider usingasymmetrical coplanar
stripline"中提到CPS難以實(shí)現(xiàn)低阻抗，特性阻抗通常為80 Q及以上，從而在這類設(shè)計(jì)中 端口阻抗不得不與之匹配，而為了獲得大多數(shù)微波通信系統(tǒng)所需的50Q的端口阻抗，就需 要增加一個(gè)阻抗變換器，這將大大增加系統(tǒng)尺寸，同時(shí)還限制了這類功分器的工作帶寬，僅 為13%。而另一種平衡式傳輸線——平行帶線很容易實(shí)現(xiàn)輸入、輸出端50Q的特性阻抗， 這一特點(diǎn)引起了微波電路設(shè)計(jì)者的廣泛關(guān)注，已有的設(shè)計(jì)包括低通濾波器、反相功分器。但 到目前為止，研究人員仍把目光集中在利用平衡式傳輸線設(shè)計(jì)的等分反相功分器上，而關(guān) 于具有任意功率分配比的反相微波功分器的設(shè)計(jì)在已有的文獻(xiàn)中未見報(bào)道。 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有反相微波功分器的不足，提供具有寬頻帶范圍的反相 特性和輸出功率可任意分配的一種具有任意功率分配比的反相微波功分器。該功分器通過(guò) 下述技術(shù)方案來(lái)實(shí)施 所述微波功分器，工作波長(zhǎng)為A ，有一兩臂寬相同、厚度為h、特性阻抗為Z。的平 行帶線，在所述平行帶線一側(cè)h/2厚度處的微波介質(zhì)基片上插入公共金屬地，插入深度為 lp形成長(zhǎng)為li、兩臂寬相同的背對(duì)背對(duì)稱微帶對(duì)，改變對(duì)應(yīng)于公共金屬地的臂寬，形成長(zhǎng)為 A/4、兩臂寬不相同的背對(duì)背不對(duì)稱微帶對(duì)；厚度為h的平行帶線端引出輸入端口 ，厚度為 h/2的不對(duì)稱微帶對(duì)引出兩輸出端口 ，兩輸出端口的輸出功率分別為P2、P3，該P(yáng)2、P3的任意 功分比為1 : 1(2，其中K2 = 1，2，3…；所述不對(duì)稱微帶對(duì)所對(duì)應(yīng)特性阻抗分別為 所述公共金屬地對(duì)應(yīng)于輸出端位置處設(shè)有一折線形縫隙，該縫隙對(duì)稱中心處嵌入
背景技術(shù)：
發(fā)明內(nèi)容隔離電阻，其阻值及=，隔離電阻R至輸出端口的垂直距離13與所述插入深度相同，
a:2 +i
即i3 = i10 所述功分器的進(jìn)一步設(shè)計(jì)在于，所述插入深度為L(zhǎng) = A /50 A /30。 所述功分器的進(jìn)一步設(shè)計(jì)在于，在輸出功率非等分時(shí)，需接入A/4阻抗轉(zhuǎn)換器的
特性阻抗分別為Z^ = & / # ，Z3A = VZz。。 本發(fā)明的功分器是通過(guò)微波介質(zhì)基片中間的公共金屬地將平行帶線分成背靠背 的差分微帶對(duì)，能夠保證功分器理論上具有不受頻率限制的反相特性，故在發(fā)明設(shè)計(jì)中無(wú) 需考慮相位帶寬。公共金屬地的厚度可以忽略不計(jì)，此時(shí)平行帶線與背靠背的微帶對(duì)間無(wú) 需轉(zhuǎn)換，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。功分器在輸入端口激勵(lì)，兩輸出端口的輸出功率為p2、p3，設(shè)計(jì)一 輸出端口的輸出功率為另一輸出端口輸出功率的K2倍，如p3 = 1(乍2，通過(guò)調(diào)整不對(duì)稱微帶
對(duì)各自的特性阻抗即可獲得所需的功率比。由此本發(fā)明產(chǎn)生如下有益效果 1.本發(fā)明中的功分器具有寬頻帶范圍的反相特性，可以設(shè)計(jì)任意的功率分配比。
通過(guò)改變微帶線的阻抗和隔離電阻的阻值，并保持相應(yīng)的電長(zhǎng)度可以得到兩路任意功率比
的功率分配，并且駐波比、隔離度良好，功率損耗小。 2.本發(fā)明中的功分器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。利用了平行帶線作為平衡式傳輸線兩 線間180°相位差，在平行帶線中間插入的金屬面，把平行帶線分成相同的背靠背的差分微 帶對(duì)，在不使用180°電長(zhǎng)度的延時(shí)單元的情況下獲得了很好的相位帶寬，減少了電路的體 積，降低了電路的復(fù)雜性，便于集成到微波電路與系統(tǒng)中。 3.本發(fā)明中的功分器公共金屬地在近輸出端開一縫隙并嵌入隔離電阻R，縫隙在 隔離電阻的位置處設(shè)計(jì)成折向輸出端的折線，延長(zhǎng)了縫隙與輸出端之間的距離，減少了縫 隙對(duì)兩輸出端的影響。
圖1是本發(fā)明功分器一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2是圖1所示功分器的頂層電路圖。 圖3是圖1所示功分器的中間金屬層的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖4是圖1所示功分器的底層電路圖。 圖5是圖l所示功分器A-A剖面的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖6是圖1所示功分器的S參數(shù)仿真與測(cè)試對(duì)比圖。 圖7是圖1所示功分器的輸出端口相位差仿真與測(cè)試圖。 圖8是奇模激勵(lì)時(shí)，圖1所示功分器上臂72、82的等效電路圖。 圖9是奇模激勵(lì)時(shí)，圖1所示功分器上臂73、83的等效電路圖。 圖10是偶模激勵(lì)時(shí)，圖1所示功分器上臂72、82的等效電路圖。 圖11是偶模激勵(lì)時(shí)，圖1所示功分器上臂73、83的等效電路圖。 圖12是偶模激勵(lì)時(shí)，圖1所示功分器上臂72、82的簡(jiǎn)化等效電路圖。 圖13是偶模激勵(lì)時(shí)，圖1所示功分器上臂73、83的簡(jiǎn)化等效電路圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明，但本發(fā)明不限于下述的實(shí)施例。
實(shí)施例 對(duì)照?qǐng)D1，本發(fā)明功分器采用一平行帶線4 (由臂42、臂43形成)，該平行帶線的特 性阻抗為Z。、厚度為h，臂寬相同為Wl。在平行帶線4的中間，即h/2厚度處的微波介質(zhì)基片 5上插入的公共金屬地6，插入深度11Q以金屬地6的邊緣為界使平行帶線4右側(cè)部分成為 長(zhǎng)為lp臂寬同為巧其他參數(shù)也完全等同的背靠背的差分微帶對(duì)即對(duì)稱微帶對(duì)7。形成對(duì) 稱微帶對(duì)7的兩臂72、臂73分別與金屬地6形成上層微帶線和下層微帶線)。與對(duì)稱微帶 對(duì)7相連的不對(duì)稱微帶對(duì)8是根據(jù)功率分配比并通過(guò)改變對(duì)應(yīng)于公共金屬地的臂寬Wl，使 其上下臂寬不一致而形成的，其臂寬的具體結(jié)構(gòu)及參數(shù)請(qǐng)見附圖1 4及下面的對(duì)應(yīng)描述。 不對(duì)稱微帶對(duì)8的微帶長(zhǎng)為1/4工作波長(zhǎng)。同樣，微帶對(duì)8的臂82與金屬地6形成上層微 帶線，臂83與金屬地6形成下層微帶線。這樣功分器的頂層金屬臂、底層金屬臂、微波介質(zhì) 基片5(被公共地分成上下兩層)及公共金屬地6形成五層結(jié)構(gòu)，見附圖5。厚度為h的平 行帶線端(即臂42和臂43引至側(cè)邊的一端)引出輸入端口 1，厚度為h/2的微帶線分別 引出輸出端口 2和輸出端口 3(即分別由臂2a、臂3a引至側(cè)邊的端與公共金屬地6 —起構(gòu) 成)，該兩輸出端口的輸出功率分別為P2、P3，設(shè)P2、P3的任意功分比為1 : 1(2，其中1(2 = 1、 2、3…，所述不對(duì)稱微帶對(duì)8所對(duì)應(yīng)的微帶線長(zhǎng)A為工作波長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)特性阻抗分別為 本發(fā)明公共金屬地6對(duì)應(yīng)于輸出端位置處設(shè)有一折線形縫隙61，該縫隙對(duì)稱中心 處嵌入隔離電阻9，阻值為R，i = ，隔離電阻9至輸出端口 2、3的垂直距離13與所述
插入深度相同，即i3 = i1Q 功率不等分的情況下，需要兩1/4波長(zhǎng)阻抗轉(zhuǎn)換器2b、3b，將終端負(fù)載進(jìn)行轉(zhuǎn)換， 該阻抗轉(zhuǎn)換器的特性阻抗分別為226 =Z。/#，Z36 =7^2。；功率等分時(shí)，則無(wú)需阻抗轉(zhuǎn)換。 本實(shí)施例中，兩輸出端口2、3的功率分配比設(shè)置為1 : 2，中心工作頻率1.75GHz， 平行帶線4的厚度h = 1. 27mm，基片5介電常數(shù)e r = 6. 15，平行帶線特性阻抗為Z。= 50 Q ，臂42、臂43寬度均為Wl = 2. 7mm，作輸入端口引出線。公共地6在平行帶線中插入深 度L = 2mm(約1/35波長(zhǎng))，即對(duì)稱微帶對(duì)7長(zhǎng)度為2mm，對(duì)稱微帶對(duì)7中臂72、臂73寬度 與臂42、臂43相等，因此微帶特性阻抗均為Z。/2 = 25 Q 。不對(duì)稱微帶對(duì)8所對(duì)應(yīng)的微帶線 長(zhǎng)入/4= 17. 28mm，對(duì)應(yīng)特性阻抗為Z2' = 24. 27Q，Z3' = 48. 55 Q ，臂82，臂83寬度分別 為w^ =2. 6mm，w3' = 0. 78mm。在公共金屬地6上開寬度s = 1. 0mm的縫隙61，縫隙61
《7
中心的隔離電阻9，其阻值及=" 7^7= 23.6Q，根據(jù)現(xiàn)有貼片電阻的規(guī)格，選擇R = 22 Q ，
+1
隔離電阻9至輸出端口 2、3的垂直距離13，與插入深度11相等，為2mm，隔離電阻9與公共 地左邊緣的距離(約1/4波長(zhǎng))d = 20. 12mm。因該功分器是非等分輸出的，需要兩1/4波 長(zhǎng)阻抗轉(zhuǎn)換器，將終端負(fù)載Z2、 Z3進(jìn)行阻抗轉(zhuǎn)換，該阻抗轉(zhuǎn)換器的微帶線長(zhǎng)度均為A /4 = 17. 28mm，特性阻抗分別為Z26 = Z。/VZ = ZQ/V^=42.04Q，Z3A = VFz。 = V^z。=59.46Q，對(duì)應(yīng)臂2b、臂3b寬度分別為w2b = 1. 34mm， w3b = 0. 65mm。阻抗轉(zhuǎn)換器輸出端口引出線均 為微帶線，特性阻抗均為50 Q ，對(duì)應(yīng)臂2a、臂3a寬度均為w = 0. 94mm，以使功分器易于與其 他微波元件和系統(tǒng)連接。 發(fā)明人對(duì)本實(shí)例的功分器進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量，在中心工作頻率lGHz到2. 5GHz 范圍內(nèi)，該功分器兩輸出端口的插損低于0. 32dB，在l.OGHz到2. 3GHz范圍內(nèi)相差 180° ±10° ，1. 375GHz到2. 5GHz之間隔離度大于15dB。因此本發(fā)明實(shí)例中的功分器有 1. 375GHz到2. 3GHz寬頻帶，帶寬約50%。并且插入深度^在2. 5mm 1. 5mm(約1/30 1/50波長(zhǎng))之間變化時(shí)，對(duì)結(jié)果基本無(wú)影響。這一結(jié)果與本發(fā)明設(shè)計(jì)方法的仿真結(jié)果達(dá)到 很好的吻合度，見圖6、圖7所示的相關(guān)參數(shù)仿真與測(cè)試對(duì)比圖。 上述實(shí)例功分器中的其他設(shè)計(jì)參數(shù)如Wl、 w2' 、 w3' 、 w2b、 w3b、 w等是通過(guò)對(duì)應(yīng)的特 性阻抗，利用本領(lǐng)域技術(shù)人員都公知的計(jì)算獲得。 上述實(shí)施例中各特性阻抗參數(shù)是通過(guò)奇偶模激勵(lì)法推導(dǎo)出的
功分器在端口 l激勵(lì)，設(shè)計(jì)端口 3輸出功率(記為P》為端口 2輸出功率(記為 P2)的KM咅，即P3二K乍2，同時(shí)在離端口 l相同距離處臂82和臂83上的電流要求等幅反相。 為滿足以上條件，臂83特性阻抗值應(yīng)為臂82特性阻抗值的K2倍，即Z3' =K2Z2'。
A.奇模激勵(lì) 在端口 2和端口 3以等幅反相的電流激勵(lì)，即12 = _13，此時(shí)公共地平面上12， 13 的鏡像電流相互抵消，因此隔離電阻9上沒有電流流過(guò)，因而沒有損耗，功分器的奇模等效 電路如圖8、圖9。當(dāng)功分器從輸入端饋電，則特性阻抗高的一臂上將獲得較大的功率。
若端口 2和端口 3的終端分別為Z2， Z3。根據(jù)功率分配要求，有
I I3|2Z3 = K2| I2|2Z2
從而
Z3 = K2Z2 另外，不對(duì)稱微帶對(duì)8的1/4波長(zhǎng)微帶線的臂82和臂83的輸入阻抗分別為
7 —f
A"2 一 ~^r~ L 二
Z，"3 — 7
Z , 厶3
為實(shí)現(xiàn)與平行帶線的匹配
7+7 =7
乙in9 1乙in2 乙fl
1 +
為了得到所需的功率分配，選擇終端阻抗分別為Z2 = Z。/K， Z3 = KZ。
所以z;-z丄L ozn '《3 B.偶模激勵(lì) 在端口 2、3上以滿足I2 = K2I3的電流激勵(lì)，則臂82、臂83上電壓分布相同，信號(hào) 無(wú)法在平行帶線4和對(duì)稱微帶對(duì)7的分界面上合成，所以該分界面在圖10、圖11的等效電 路中為開路。圖10、圖11中12+13=入乂4，l3是隔離電阻與終端負(fù)載Z2，Zj司的垂直距離，為保證隔離電阻與開路端之間距離為A/4(即12+11= A/4)，以實(shí)現(xiàn)兩輸出端口的阻抗 匹配及兩端口間的有效隔離，因而
13 = 1! 通常13不宜選擇過(guò)大，否則會(huì)導(dǎo)致電路尺寸過(guò)大仏相應(yīng)增大)，因此13得取值原 則是在不影響輸出端口的情況下實(shí)現(xiàn)電路最小化。 理論分析時(shí)，忽略不計(jì)長(zhǎng)13的傳輸線的阻抗，得簡(jiǎn)化的功分器偶模等效電路，如圖 12、圖13。 隔離電阻9，其值R在圖10、11和圖12、13中分成兩部分R乂K，KRp滿足
1 1 1 : = ,T, + 圖12、圖13中電路在D與D'處短路。為實(shí)現(xiàn)輸出端的隔離和匹配，要求& = Z。。
所以 "]^7T 功率不等分的情況下，兩輸出端口分別需要1/4波長(zhǎng)的阻抗轉(zhuǎn)換器以實(shí)現(xiàn)ZJZ》 與Z。的阻抗匹配，特性阻抗Z2b， Z3b滿足Zw = ，Z36 = ，考慮對(duì)終端阻抗的要
求，有 z2,z0/VZ ，Z3,vZz0 功率等分時(shí)，則無(wú)需轉(zhuǎn)換，Z2 (Z3)可直接設(shè)計(jì)與Z。阻抗匹配。 總體來(lái)說(shuō)，本發(fā)明的功分器輸入端口的平行帶線為輸出提供了寬頻帶范圍內(nèi)的反 相特性，同時(shí)可以設(shè)計(jì)任意的功率分配比。通過(guò)改變微帶線的阻抗(通過(guò)改變各臂的寬度 實(shí)現(xiàn))和隔離電阻的阻值，并保持相應(yīng)的電長(zhǎng)度可以得到兩路任意功率比的功率分配，并 且隔離度良好，功率損耗小。
權(quán)利要求
一種具有任意功率分配比的反相微波功分器，工作波長(zhǎng)為λ，有一兩臂寬相同、厚度為h、特性阻抗為Z0的平行帶線，其特征在于在所述平行帶線一側(cè)h/2厚度處的微波介質(zhì)基片上插入公共金屬地，插入深度為l1，形成長(zhǎng)為l1、兩臂寬相同的背對(duì)背對(duì)稱微帶對(duì)，改變對(duì)應(yīng)于公共金屬地的臂寬，形成長(zhǎng)為λ/4、兩臂寬不相同的背對(duì)背不對(duì)稱微帶對(duì)；厚度為h的平行帶線端引出輸入端口，厚度為h/2的不對(duì)稱微帶對(duì)引出兩輸出端口，兩輸出端口的輸出功率分別為P2、P3，該P(yáng)2、P3的任意功分比為1∶K2，其中K2＝1，2，3...；所述不對(duì)稱微帶對(duì)所對(duì)應(yīng)特性阻抗分別為 <mrow><msubsup> <mi>Z</mi> <mn>2</mn> <mo>′</mo></msubsup><mo>=</mo><msub> <mi>Z</mi> <mn>0</mn></msub><msqrt> <mfrac><mn>1</mn><mrow> <mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>+</mo><msup> <mi>K</mi> <mn>2</mn></msup><mo>)</mo> </mrow> <mi>K</mi></mrow> </mfrac></msqrt><mo>,</mo> </mrow> <mrow><msubsup> <mi>Z</mi> <mn>3</mn> <mo>′</mo></msubsup><mo>=</mo><msub> <mi>Z</mi> <mn>0</mn></msub><msqrt> <mfrac><msup> <mi>K</mi> <mn>3</mn></msup><mrow> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <msup><mi>K</mi><mn>2</mn> </msup></mrow> </mfrac></msqrt><mo>;</mo> </mrow>所述公共金屬地對(duì)應(yīng)于輸出端位置處設(shè)有一折線形縫隙，該縫隙對(duì)稱中心處嵌入隔離電阻，其阻值隔離電阻R至輸出端口的垂直距離l3與所述插入深度相同，即l3＝l1。FSA00000059683800013.tif
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有任意功率分配比的反相微波功分器，其特征在于所 述插入深度為L(zhǎng) = A /50 A /30。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種具有任意功率分配比的反相微波功分器，其特征在于在 輸出功率非等分時(shí)，需接入A /4阻抗轉(zhuǎn)換器的特性阻抗分別為Za = Z。 ，Z36 = V^Z。。 功率等分時(shí)，則無(wú)需阻抗轉(zhuǎn)換。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有任意功率分配比的反相微波功分器。工作波長(zhǎng)為λ，有一兩臂寬相同、厚度為h、特性阻抗為Z0的平行帶線，在其一側(cè)h/2厚度處的微波介質(zhì)基片中插入公共金屬地，插深l1，形成長(zhǎng)l1、臂寬相同的背對(duì)背對(duì)稱微帶對(duì)，改變對(duì)應(yīng)于公共地的臂寬，形成長(zhǎng)λ/4、兩臂寬不同的不對(duì)稱微帶對(duì)；厚度為h的平行帶線端引輸入端口，厚度為h/2的不對(duì)稱微帶引兩輸出端口，輸出功率分別為P2、P3，其任意功分比為1∶K2，其中K2＝1，2，3…；不對(duì)稱微帶對(duì)所對(duì)應(yīng)特性阻抗分別為公共地對(duì)應(yīng)于輸出端設(shè)有一折線形縫隙，縫隙對(duì)稱中心嵌入隔離電阻，阻值隔離電阻至輸出端口垂直距離與插深相同。優(yōu)點(diǎn)是反相帶寬寬，可設(shè)計(jì)不對(duì)稱微帶對(duì)的不同臂寬得到兩路任意功率比的功率分配，且隔離度好，功損小。
文檔編號(hào)H01P5/16GK101777687SQ201010130168
公開日2010年7月14日 申請(qǐng)日期2010年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月23日
發(fā)明者包志華, 周立衡, 唐慧, 徐晨, 章國(guó)安, 薛泉, 陳建新 申請(qǐng)人:南通大學(xué)