本發(fā)明屬于微波毫米波無線通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于馬刺線的小型化寬帶功分器電路。

背景技術(shù)：

功分器是微波射頻電路中一種重要的無源器件，隨著通信技術(shù)的迅猛發(fā)展和通信行業(yè)競爭的加劇，對功分器的性能也提出了新的要求。傳統(tǒng)的Wilkinson功分器，不僅具有良好的幅度相位特性而且端口匹配好、傳輸損耗小、設(shè)計(jì)簡便，被廣泛的用于功分器設(shè)計(jì)中。但是單節(jié)Wilkinson功分器的帶寬不超過20％，狹窄的帶寬限制它只能工作在單一的頻段及其奇次諧波處，無法滿足現(xiàn)代無線通信寬帶的要求。近年來，為了增加帶寬，多級級聯(lián)、微帶枝節(jié)線加載等技術(shù)(趙海，劉穎力，張懷武，胡嵩松，寬帶Wilkinson功分器的設(shè)計(jì)仿真與制作，電子元件與材料，Vol.29，No.12，Dec.2010)被用來設(shè)計(jì)寬帶功分器，但是他們都存在一個問題，上述技術(shù)的引入確實(shí)使功分器的帶寬增加，但卻增加了功分器的尺寸以及插損。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問題

針對現(xiàn)有技術(shù)中增加帶寬卻犧牲尺寸以及增加插損的問題，本發(fā)明提供了一種基于馬刺線的小型化寬帶功分器電路，通過在威爾金森功分器基礎(chǔ)上，增加馬刺線，使電路滿足尺寸減小，插損減小，帶寬展寬的要求。

(二)技術(shù)方案

一種基于馬刺線的小型化寬帶功分器電路，包括第一端口1、第二端口2、第三端口3和隔離電阻R1，隔離電阻R1設(shè)置于第二端口2與第三端口3之間，第一端口1到第二端口2的傳輸路徑采用微帶線，第一端口1到第三端口3的傳輸路徑采用微帶線，其中，

在第一端口1到第二端口2傳輸路徑的微帶線上設(shè)置有第一馬刺線20，在第一端口1到第三端口3傳輸路徑的微帶線上設(shè)置有第二馬刺線30，所述第一馬刺線20及所述第二馬刺線30用于縮小功分器的尺寸，減小插損，以及拓展功分器的帶寬。

其中，所述第一端口1到第二端口2傳輸路徑與第一端口1到第三端口3的傳輸路徑完全對稱，以保證各路輸出的幅值與相位的一致性。

其中，設(shè)置于第二端口2與第三端口3之間的所述隔離電阻R1用于增加隔離度。

其中，所述第一馬刺線20、第二馬刺線30可以是L型馬刺線，波浪線馬刺線，折線型馬刺，或者對稱、非對稱結(jié)構(gòu)的多個馬刺線組合，馬刺線在微帶線中的位置可以根據(jù)具體的性能要求進(jìn)行調(diào)整。

(三)有益效果

本發(fā)明提供的一種基于馬刺線的小型化寬帶功分器電路，其具有的積極效果在于：

(1)針對現(xiàn)有寬帶功分器技術(shù)中尺寸增加的問題，馬刺線的引入由于于減小Wilkinson功分器中的λ/4線尺寸，具有縮短微帶線實(shí)際尺寸的作用。

(2)針對現(xiàn)有技術(shù)中多級級聯(lián)功分器、加載枝節(jié)線功分器以及加載電容功分器等寬帶功分器中存在的結(jié)構(gòu)復(fù)雜以及插損問題，采用馬刺線的寬帶小型化功分器結(jié)構(gòu)簡單，線長短，傳輸損耗小。

(3)通過在輸入輸出微帶線上增加馬刺線，調(diào)整微帶線長度和寬度，馬刺線長度和寬度以及在微帶線中的位置，可以控制Wilkinson功分器的工作中心頻點(diǎn)以及帶寬，實(shí)現(xiàn)各端口回波損耗、隔離度的性能同時提升。

附圖說明

圖1是現(xiàn)有的傳統(tǒng)Wilkinson功分器原理圖；

圖2是L型馬刺線尺寸圖；

圖3是L型馬刺線的等效電路示意圖；

圖4是L型馬刺線的簡化等效電路示意圖；

圖5為阻抗為Z₀₁，長度為L₀₁的微帶線的等效電路示意圖；

圖6是載有馬刺線的微帶線的電長度隨著馬刺線長度變化的曲線示意圖；

圖7是微帶線末端載有馬刺線的Wilkinson功分器等效電路示意圖；

圖8是本發(fā)明一實(shí)施例的基于馬刺線的小型化寬帶功分器示意圖；

圖9是本發(fā)明一實(shí)施例基于馬刺線的小型化寬帶功分器端口回波損耗、隔離度、插入損耗頻譜特性示意圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

功分器是微波射頻電路中一種重要的無源器件，傳統(tǒng)的Wilkinson功分器，具有良好的幅度相位特性而且端口匹配好、傳輸損耗小、設(shè)計(jì)簡便，被廣泛的用于功分器設(shè)計(jì)中。

圖1是現(xiàn)有的傳統(tǒng)Wilkinson功分器電路結(jié)構(gòu)示意圖，其中第一端口1，第二端口2，第三端口3阻抗為Z₀，第一端口1到第二端口2回路之間的長度為λ/4的微帶線的阻抗為Z₀，第一端口1到第三端口3回路之間的長度為λ/4的微帶線的阻抗為Z₀，隔離電阻R設(shè)置在第二端口2與第三端口3之間，阻抗為2Z₀。這是一個等分的功率分配器，信號從第一端口1進(jìn)入，經(jīng)過四分之一波長傳輸線傳輸?shù)降诙丝?和第三端口3，由于兩傳輸路徑完全對稱，功率分配也完全相等，如果輸入信號功率為PdBm信號到達(dá)端口第二端口2和第三端口3都為(P-3)dBm。四分之一波長傳輸線作用為阻抗變換，使所有輸出端口阻抗與Z₀匹配，輸出端口之間引入隔離電阻R，當(dāng)一個輸出端因阻抗失配等原因發(fā)生反射時，反射功率通過隔離電阻兩條支路到達(dá)另一個輸出端的兩路信號之間存在π相位差而相互抵消，從而達(dá)到隔離輸出端的目的。

由于無線通信技術(shù)中對于大帶寬的要求，多級級聯(lián)寬，加載枝節(jié)線，加載電容等技術(shù)被用于功分器的設(shè)計(jì)中，卻存在雖然帶寬增加，但插損以及尺寸也同時增加的問題。本發(fā)明在于提供一種基于馬刺線的小型化寬帶功分器電路，具有帶寬可調(diào)范圍大，尺寸小，性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)。

馬刺線是一種微帶線結(jié)構(gòu)(R.N.Bates，“Design of microstrip spur-line band-stop filters，”Microwaves，Optics and Acoustics，IEEE J.，vol.l，iss.6，pp.209-214，1977)。其中馬刺線可以是L型馬刺線，波浪線馬刺線，折線型馬刺，或者對稱、非對稱結(jié)構(gòu)的多個馬刺線組合。本發(fā)明的實(shí)施例用到的馬刺線為L型馬刺線。

圖2是L型馬刺線尺寸圖，其中L型馬刺線的參數(shù)如下：a為長度，b為末端不連續(xù)狹縫長度，s為狹縫寬度，端口位置與圖2一致，第一端口1與第二端口2之間由微帶線連接，第三端口3與第四端口4之間由微帶線連接，第三端口末端有長度為b，寬度為s的不連續(xù)狹縫。

圖3是L型馬刺線等效電路圖示意圖，將馬刺線的引入帶來的電路效果等效為微帶線耦合。等效電路由一個四端口的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，第二端口2和第四端口4連接在一起，馬刺線的引入在第二端口2至第一端口1之間帶來阻抗，此阻抗等效為耦合微帶線的阻抗Z_a，L_a為等效的耦合微帶線的長度，L_a為馬刺線長度a的函數(shù)，馬刺線的引入在第四端口4至第三端口3之間帶來阻抗，此阻抗等效為耦合微帶線的阻抗Z_b，L_b為等效的耦合微帶線的長度，馬刺線的引入在第三端口引入電容C_end，C_end為不連續(xù)狹縫的等效電容。其簡化等效電路如圖4所示。

圖4是L型馬刺線的簡化等效電路示意圖，其中Z_a，Z_b分別是等效電路中兩個耦合微帶線的特征阻抗，Z_oe是偶模特征阻抗，Z_oo是奇模特征阻抗，L_a、L_b是等效電路兩個耦合線微帶線的長度，分別有L_a＝a，L_b＝L_a+Δl＝a+Δl，a是馬刺線的長度，Δl是C_end等效的微帶線的延長長度。

Δl＝C_end×V_po×Z_oo (3)

其中V_po是奇模的相速度。

圖5為阻抗為Z₀₁，長度為L₀₁的微帶線的等效電路示意圖。

Z_a，Z_b是等效電路中兩個耦合微帶線的特征阻抗，L_a、L_b是等效電路兩個耦合微帶線的長度。馬刺線與長度為L₀₁，阻抗為Z₀₁的微帶線在同頻率下阻抗相等，需要滿足如公式(4)所示的關(guān)系

其中，j是虛數(shù)單位，β是衰減系數(shù)，從公式中得出L_a＜L₀₁，也就是說，也就是說，馬刺線的實(shí)際長度a小于L₀₁，實(shí)現(xiàn)了載有馬刺線的微帶線的尺寸的減小。

圖6是載有馬刺線的微帶線的電長度隨著馬刺線長度變化的曲線，橫軸為馬刺線長度，用a表示，單位為μm；縱軸為微帶線電長度，用θ表示，單位為deg；其中微帶線總線長為505μm，馬刺線寬度s＝4μm，末端狹縫長度b＝15μm。從圖中可以看出，隨著馬刺線線長a的增加，電長度θ增加。也就是馬刺線可以實(shí)現(xiàn)微帶線電長度的延長，即實(shí)際線長的減小。實(shí)際線長的減小會減小傳輸路徑上的損耗。

如前所述，已經(jīng)對現(xiàn)有傳統(tǒng)的Wilkinson功分器和馬刺線的結(jié)構(gòu)，等效電路和工作原理進(jìn)行說明，接下來，將現(xiàn)有傳統(tǒng)的Wilkinson功分器和馬刺線所結(jié)合的功分器其結(jié)構(gòu)、等效電路、特性等進(jìn)行說明，以下只是舉例馬刺線在微帶線末端的情況。

圖7是微帶線末端載有馬刺線的Wilkinson功分器等效電路示意圖。從等效電路可以看出，末端載有馬刺線的微帶線，等效于微帶線末端串聯(lián)阻抗為Z_a長度為L_a的階躍阻抗線和阻抗為Z_b長度為L_b的開路枝節(jié)線，如上文中所說Wilkinson功分器中加入階躍阻抗線和枝節(jié)線是常用的增加功分器帶寬的方法。Wilkinson中加入馬刺線結(jié)構(gòu)，最終實(shí)現(xiàn)尺寸的減小，插損減小和帶寬展寬。

圖8是本發(fā)明一實(shí)施例的基于馬刺線的小型化寬帶功分器示意圖，其電路結(jié)構(gòu)圖和實(shí)物版圖的仿真工具為ADS、Cadence。該功分器在砷化鎵工藝上實(shí)現(xiàn)，在威爾金森功分器基礎(chǔ)上，在第一端口1到第二端口2傳輸路徑的微帶線上靠近第二端口2的末端加入第一馬刺線20，在第一端口1到第三端口3傳輸路徑的微帶線上靠近第三端口3的末端加入第二馬刺線30，第一端口1到第二端口2傳輸路徑與第一端口1到第三端口3傳輸路徑完全對稱，第一馬刺線20與第二馬刺線30完全相同且參數(shù)如下：長度為a＝70μm，末端狹縫長度為b＝16μm，狹縫寬度s＝5μm，傳輸路徑上的微帶線的長度參數(shù)為L1＝233μm，L2＝200μm，L3＝111μm，共長L1+L2+L3＝544μm。

圖9是本發(fā)明一實(shí)施例基于馬刺線的小型化寬帶功分器端口回波損耗、隔離度、插入損耗頻譜特性示意圖。

其中橫軸是頻率，左側(cè)縱軸三條曲線分別為第一端口1回波損耗dBS(1，1)、第二端口2回波損耗dBS(2，2)，第二端口2到第三端口3的隔離度dBS(2，3)，右側(cè)縱軸是第一端口1到第二端口2的插入損耗dBS(2，1)。第一端口1回波損耗dBS(1，1)，第二端口2回波損耗dBS(2，2)，在28-70GHz頻率范圍內(nèi)的模值都大于15dB，第二端口2到第三端口3的隔離度dBS(2，3)，在28-70GHz頻率范圍內(nèi)的模值都大于15dB，第一端口1到第二端口2的插入損耗dBS(2，1)的模值小于3.4dB在，與圖9保持一致。由于第一端口1到第三端口3傳輸路徑與第一端口1到第二端口2傳輸路徑完全對稱，此處不再說明。通過調(diào)整微帶線長度、寬度和馬刺線長度、寬度、位置等參數(shù)，可輕松調(diào)整帶寬和中心頻點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)各端口回波損耗、隔離度的性能同時提升。

以上的具體實(shí)施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和實(shí)施方式進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。