一种具有幅度和相位补偿功能的宽带移相功分器的制造方法
【专利摘要】本发明公开一种具有幅度和相位补偿功能的宽带移相功分器，属于微波【技术领域】。该功分器采用级联Wilkinson功分方案，共有2m+1(m为大于1的整数)个端口，其中端口1为输入端口，端口2到2m+1为输出端口。该功分器能够对输入信号实现2m路的等幅、任意相差输出，且具有宽带特性。本发明在级联Wilkinson功分器的级间设置一定长度的级间传输线并加载并联开路和(或)短路枝节，通过对其参数的合理设计，能够极大的提高移相功分器的幅度与相位不平衡度的公共带宽，同时还具有良好的端口隔离和回波特性。该发明可用于阵列天线的馈电网络、平衡放大电路以及其他微波电路与系统中。
【专利说明】
一种具有幅度和相位补偿功能的宽带移相功分器
【技术领域】
[0001]本发明涉及无线通信领域，具体涉及一种具有幅度和相位补偿功能的宽带移相功分器。
【背景技术】
[0002]微波功分网络是微波工程中的基本器件，且在微波电路与系统中广泛应用。在各输出端口间具有移相功能的微波功分器作为功分网络的一种常见形式，也有广泛应用。例如移动基站中的天线，其主波束的指向要求可调，以实现最好的覆盖范围来满足用户需求。这就需要采用相控阵天线，而移相功分器是实现这类天线功能的重要部分。
[0003]文献“BroadbandRat-Race Couplers With Coupled-Line Sect1n andImpedance Transformers (Gruszczynski, S ；ffincza, K.1EEE Microwave and WirelessComponents Letters, 2012, 22(1):22-24) ”对传统的环形(鼠笼式)功分移相器进行了改进设计，使其带宽增大。但该文献只给出了对0°或180°进行宽带移相的方法，而未给出其他移相量的实现方案。
[0004]文献“Broadband Power Divider with Phase Shifter (EnChengWang ；XiaoYu Fu ；Qing Tian.2nd Internat1nal Conference on ConsumerElectronics, Communicat1ns and Networks, 2012:1700-1702) ” 提出了一种利用复合左右手传输线的相位特性来设计4路宽带移相功分器的方法，由集总电容和电感来实现90°相位差，该结构的带内纹波较大。
[0005]中国发明专利“功分移相器(CN 102420351 B, 2014.06.11) ”提出了一种具有可变移相功能的功分器结构。由一个功分环和两个耦合环组成，在功分环上并联长度不等的枝节，枝节中串联开关，通过控制开关的通断来实现输出信号的可变相移，该功分移相器的幅度带宽窄。
[0006]目前，已有报道可单独实现宽带功分或宽带移相的方法，但很少有同时实现宽带功分和宽带移相特性的方法，而对任意相移都能进行宽带补偿的功分网络尚未见报道。因此，如何实现对任意相移进行宽带的功分补偿，是微波工程中富有挑战性的课题。
【发明内容】
[0007]针对现有技术和问题，本发明的目的在于提供一种具有幅度和相位补偿功能的宽带移相功分器。本发明基于传统Wilkinson —分二功率分配器的结构，采用阶梯式多级结构实现2m(m为大于I的正整数)路功率分配输出，并通过在上、下两级功分结构之间以及各输出端口上加载级间传输线或并联相位补偿结构，实现所述移相功分器的宽带功分和宽带相位补偿功能。
[0008]针对上述背景和目的，本发明采用以下技术方案:一种具有幅度和相位补偿功能的宽带移相功分器，采用传统Wilkinson—分二功分器的阶梯式多级结构实现多路功率分配，其基本结构如图1所示，所述宽带移相功分器的上一级功分结构106的其中一个输出端C依次通过串联的第一级间传输线112、第二级间传输线113与下一级功分结构107相连，在所述的第一级间传输线112和第二级间传输线113的公共连接端还并联加载有相位补偿结构109 ;而所述上一级功分结构106的另一输出端B通过一段第三级间传输线114与下一级功分结构108相连；同时，在所述功分器的每一个末级功分结构107、108的其中一个输出端102、104均并联加载有一个相位补偿结构110、111，在每一个末级功分结构107、108的另一个输出端均连接有一段相位延迟线传输115、116，由此实现具有幅度和相位补偿功能的2m(m为大于I的正整数)路功率输出的宽带移相功分器。
[0009]所述并联加载的相位补偿结构109、110、111可以是一段短路枝节和一段开路枝节的并联结构，也可以仅为一段短路枝节或仅为一段开路枝节；通过调整所述相位补偿结构中传输线枝节的特性阻抗及其电长度，可调整所述宽带移相功分器的相位带宽。
[0010]所述第一级间传输线112、第二级间传输线113、第三级间传输线114以及相位延迟线115、116的特性阻抗均为50欧；通过调整所述第一级间传输线112、第二级间传输线113、第三级间传输线114以及相位延迟传输线115、116的电长度可调整所述宽带移相功分器的幅值带宽，且能实现各个输出端口 102、103、104、105之间0° -360°的相位差输出。
[0011]本发明中的所有结构均可通过微带传输线、共面波导传输线或者波导等其他传输线实现。
[0012]本发明的有益效果是:
[0013]本发明通过加载级间传输线及相位补偿结构，实现级联Wilkinson移相功分器的宽带范围的幅度、相位补偿，与现有技术相比，本发明提供的宽带移相功分器能够极大的提高移相功分器的幅度和相位不平衡度的公共带宽。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1本发明提供的两级级联Wilkinson功分器的结构示意图。
[0015]图2本发明实施例1提供的一分四宽带移相功分器的传输系数仿真结果。
[0016]图3本发明实施例1提供的一分四宽带移相功分器的各输出端口之间相差的仿真结果。
[0017]图4传统的仅在级间加载有第三级间传输线的两级级联一分四Wilkinson宽功分器的传输系数仿真结果。
[0018]图5传统的仅在级间加载有第三级间传输线的两级级联一分四Wilkinson宽功分器的各输出端口之间相差的仿真结果。
[0019]图6传统的仅在级间加载有相位补偿结构的两级级联一分四Wilkinson宽功分器的传输系数仿真结果。
[0020]图7传统的仅在级间加载有相位补偿结构的两级级联一分四Wilkinson宽功分器的各输出端口之间相差的仿真结果。
[0021]图8本发明实施例2提供的八路宽带移相功分器的拓扑图。
[0022]图9本发明实施例2提供的八路宽带移相功分器的传输系数仿真结果。
[0023]图10本发明实施例2提供的八路宽带移相功分器的传输系数测试结果。
[0024]图11本发明实施例2提供的八路宽带移相功分器的端口 2与其余7个输出端口间的相差仿真结果与测试结果。
[0025]图12本发明实施例2提供的八路宽带移相功分器的端口 1、2、3的回波特性(测试结果)。
[0026]图13本发明实施例2提供的八路宽带移相功分器的端口 4、5、6的回波特性(测试结果)。
[0027]图14本发明实施例2提供的八路宽带移相功分器的端口 7、8、9的回波特性(测试结果)。
[0028]图15本发明实施例2提供的八路宽带移相功分器部分输出端口间的隔离特性(测试结果)。
【具体实施方式】
[0029]下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述。
[0030]实施例1
[0031]基于本发明实现的中心频率为2.45GHz 一分四宽带移相功分器的拓扑结构如图1所示，要求输出端口 102、端口 103、端口 104、端口 105的幅度不平衡度为±0.25dB，相位不平衡度为±2.5°，其传输系数和各输出端口之间相差的仿真结果分别如图2、3所示，其相位和幅值的公共带宽达36%。而传统方案中，只加载相位补偿结构而未采用级间传输线的两级级联一分四Wilkinson功分器的仿真结果如图4、5所示，其相位和幅值的公共带宽仅为16% ;只有级间传输线而未加载相位补偿结构的两级级联一分四Wilkinson功分器的仿真结果如图6、7所示，其相位和幅值的公共带宽仅为4%，由此可见，本发明所提供的宽带移相功分器能极大的改善其幅度和相位响应的公共带宽。
[0032]实施例2
[0033]本实施例设计目标是实现各端口的输出功率相等的一分八功分器，相邻编号输出端口间的相位差为22.5°，其中，幅度不平衡度为±0.25dB，相位不平衡度为±2.5°。本实施例采用微带传输线，介质基板的相对介电常数为2.65，介质板厚度为0.8mm,中心频率为2.45GHz，这里采用三级Wilkinson功分结构的级联方式，从第一级到第三级功分器的相移量分别为90°、45°、22.5°，其拓扑结构如图8所示，各部分具体参数如下:
[0034]I为50欧的输入端口传输线，对应的微带线宽2.2mm，长度4mm ；
[0035]2、4、6、8为50欧的微带传输线，宽度为2.2mm,长度为4mm ；
[0036]3、5、7、9为加载有相位延迟线的、特性阻抗均为50欧的微带传输线，宽度为2.2mm,长度为 13.3mm ;
[0037]10为第一级Wilkinson功分结构的稱合区,其线宽均为1.5mm,稱合间距为0.8mm,总长度为23mm ；
[0038]11为第一级功分结构与第二级功分结构之间的、特性阻抗50欧的第一级间传输线，宽度为2.2mm,长度为19.2mm ；
[0039]12和13组成第一级功分结构与第二级功分结构之间的相位补偿结构，12为开路枝节，其宽度为1.8_，长度为10.3mm ；13为短路枝节，其末端通过金属化过孔实现短路，短路枝节长度为10.5mm,宽度为1.8mm ；
[0040]14为第一级功分结构与第二级功分结构之间的、特性阻抗50欧的第二级间传输线，其宽度为2.2mm，长度为21.5mm ；
[0041]15为第一级功分结构与第二级功分结构之间的、特性阻抗50欧的第三级间传输线，其宽度为2.2mm，长度为61.2mm ；
[0042]16为第二级Wilkinson功分结构的耦合区，其线宽均为1.5mm，耦合区间距为
0.8mm,总长度为23mm ；
[0043]17、18分别为第二级功分结构与第三级功分结构之间的第一级间传输线、第二级间传输线，其长度分别为7.宽度均为2.2mm ；
[0044]19为第二级功分结构与第三级功分结构之间的相位补偿结构，具体为一段短路枝节，其末端通过金属化过孔接地，短路枝节长为22mm，宽度为1.9mm ；
[0045]20为第二级功分结构与第三级功分结构之间的、特性阻抗50欧的第三级间传输线，其宽度为2.2mm,长度为39.9mm ；
[0046]21为第三级Wilkinson功分结构的稱合区，其靠近输出端一侧的稱合线宽为
1.6mm,另一侧线宽为1.5mm,长度为23mm ；
[0047]22为50欧的微带传输线，其宽度为2.2mm，长度为3.2mm ；
[0048]23为宽带功分器末级功分结构输出端加载的相位补偿结构，具体为一段短路枝节，其末端通过金属化过孔接地，枝节长为23.7mm,宽度为0.7mm ；
[0049]24为隔离电阻，其阻值为100Ω。
[0050]本发明实施例设计的样件经加工测试，与仿真结果进行比较，其结果如图9-15所示。由上述结果图可知，本实施例提供的具有幅度和相位补偿功能的宽带移相功分器在幅度不平衡度±0.25dB，相位不平衡度±2.5°条件下，可实现幅度和相位响应的公共相对带宽达40%。
【权利要求】
1.一种具有幅度和相位补偿功能的宽带移相功分器，采用传统Wilkinson —分二功分结构(106、107、108)的阶梯式多级结构实现2m路功率分配，其中m为大于I的正整数，其特征在于，所述功分器中的上一级功分结构(106)的其中一个输出端(C)依次通过串联的第一级间传输线(112)、第二级间传输线(113)与下一级功分结构(107)相连，在所述的第一级间传输线(112)和第二级间传输线(113)的公共连接端还并联加载有相位补偿结构(109);所述上一级功分结构(106)的另一输出端⑶通过一段第三级间传输线(114)与下一级功分结构(108)相连；在所述宽带移相功分器的每一个末级功分结构(107、108)的其中一个输出端(102、104)均并联加载有一个相位补偿结构(110、111)，在每一个末级功分结构(107、108)的另一输出端均连接有一段相位延迟传输线(115、116)。
2.根据权利要求1所述的具有幅度和相位补偿功能的宽带移相功分器，其特征在于，所述相位补偿结构(109、110、111)是一段短路传输线枝节和一段开路传输线枝节的并联结构。
3.根据权利要求2所述的具有幅度和相位补偿功能的宽带移相功分器，其特征在于，构成一个相位补偿结构(109、110、111)的短路传输线枝节和开路传输线枝节的电长度和特性阻抗均相等。
4.根据权利要求2或3所述的具有幅度和相位补偿功能的宽带移相功分器，其特征在于，通过调整所述短路传输线枝节和开路传输线枝节的特性阻抗及其电长度，可调整所述宽带移相功分器的相位带宽。
5.根据权利要求1所述的具有幅度和相位补偿功能的宽带移相功分器，其特征在于，所述的相位补偿结构(109、110、111)是一段短路传输线枝节或一段开路传输线枝节。
6.根据权利要求1所述的具有幅度和相位补偿功能的宽带移相功分器，其特征在于，所述第一级间传输线(112)和第二级间传输线(113)的电长度相等。
7.根据权利要求1至3任意一项所述的具有幅度和相位补偿功能的宽带移相功分器，其特征在于，所述第一级间传输线(112)、第二级间传输线(113)、第三级间传输线(114)及相位延迟线(115、116)的特性阻抗均为50欧，通过调整所述第一级间传输线(112)、第二级间传输线(113)、第三级间传输线(114)以及相位延迟传输线(115、116)的电长度可调整所述宽带移相功分器的幅值带宽，且能实现各个输出端口(102、103、104、105)之间0° -360°的相位差输出。
【文档编号】H01P5/16GK104393389SQ201410643129
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年11月14日 优先权日:2014年11月14日
【发明者】李家林, 赵洪, 杨雪松, 王秉中 申请人:电子科技大学