基于马刺线的小型化宽带功分器电路的制作方法

本发明属于微波毫米波无线通信技术领域，具体涉及一种基于马刺线的小型化宽带功分器电路。

背景技术：

功分器是微波射频电路中一种重要的无源器件，随着通信技术的迅猛发展和通信行业竞争的加剧，对功分器的性能也提出了新的要求。传统的Wilkinson功分器，不仅具有良好的幅度相位特性而且端口匹配好、传输损耗小、设计简便，被广泛的用于功分器设计中。但是单节Wilkinson功分器的带宽不超过20％，狭窄的带宽限制它只能工作在单一的频段及其奇次谐波处，无法满足现代无线通信宽带的要求。近年来，为了增加带宽，多级级联、微带枝节线加载等技术(赵海，刘颖力，张怀武，胡嵩松，宽带Wilkinson功分器的设计仿真与制作，电子元件与材料，Vol.29，No.12，Dec.2010)被用来设计宽带功分器，但是他们都存在一个问题，上述技术的引入确实使功分器的带宽增加，但却增加了功分器的尺寸以及插损。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

针对现有技术中增加带宽却牺牲尺寸以及增加插损的问题，本发明提供了一种基于马刺线的小型化宽带功分器电路，通过在威尔金森功分器基础上，增加马刺线，使电路满足尺寸减小，插损减小，带宽展宽的要求。

(二)技术方案

一种基于马刺线的小型化宽带功分器电路，包括第一端口1、第二端口2、第三端口3和隔离电阻R1，隔离电阻R1设置于第二端口2与第三端口3之间，第一端口1到第二端口2的传输路径采用微带线，第一端口1到第三端口3的传输路径采用微带线，其中，

在第一端口1到第二端口2传输路径的微带线上设置有第一马刺线20，在第一端口1到第三端口3传输路径的微带线上设置有第二马刺线30，所述第一马刺线20及所述第二马刺线30用于缩小功分器的尺寸，减小插损，以及拓展功分器的带宽。

其中，所述第一端口1到第二端口2传输路径与第一端口1到第三端口3的传输路径完全对称，以保证各路输出的幅值与相位的一致性。

其中，设置于第二端口2与第三端口3之间的所述隔离电阻R1用于增加隔离度。

其中，所述第一马刺线20、第二马刺线30可以是L型马刺线，波浪线马刺线，折线型马刺，或者对称、非对称结构的多个马刺线组合，马刺线在微带线中的位置可以根据具体的性能要求进行调整。

(三)有益效果

本发明提供的一种基于马刺线的小型化宽带功分器电路，其具有的积极效果在于：

(1)针对现有宽带功分器技术中尺寸增加的问题，马刺线的引入由于于减小Wilkinson功分器中的λ/4线尺寸，具有缩短微带线实际尺寸的作用。

(2)针对现有技术中多级级联功分器、加载枝节线功分器以及加载电容功分器等宽带功分器中存在的结构复杂以及插损问题，采用马刺线的宽带小型化功分器结构简单，线长短，传输损耗小。

(3)通过在输入输出微带线上增加马刺线，调整微带线长度和宽度，马刺线长度和宽度以及在微带线中的位置，可以控制Wilkinson功分器的工作中心频点以及带宽，实现各端口回波损耗、隔离度的性能同时提升。

附图说明

图1是现有的传统Wilkinson功分器原理图；

图2是L型马刺线尺寸图；

图3是L型马刺线的等效电路示意图；

图4是L型马刺线的简化等效电路示意图；

图5为阻抗为Z₀₁，长度为L₀₁的微带线的等效电路示意图；

图6是载有马刺线的微带线的电长度随着马刺线长度变化的曲线示意图；

图7是微带线末端载有马刺线的Wilkinson功分器等效电路示意图；

图8是本发明一实施例的基于马刺线的小型化宽带功分器示意图；

图9是本发明一实施例基于马刺线的小型化宽带功分器端口回波损耗、隔离度、插入损耗频谱特性示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

功分器是微波射频电路中一种重要的无源器件，传统的Wilkinson功分器，具有良好的幅度相位特性而且端口匹配好、传输损耗小、设计简便，被广泛的用于功分器设计中。

图1是现有的传统Wilkinson功分器电路结构示意图，其中第一端口1，第二端口2，第三端口3阻抗为Z₀，第一端口1到第二端口2回路之间的长度为λ/4的微带线的阻抗为Z₀，第一端口1到第三端口3回路之间的长度为λ/4的微带线的阻抗为Z₀，隔离电阻R设置在第二端口2与第三端口3之间，阻抗为2Z₀。这是一个等分的功率分配器，信号从第一端口1进入，经过四分之一波长传输线传输到第二端口2和第三端口3，由于两传输路径完全对称，功率分配也完全相等，如果输入信号功率为PdBm信号到达端口第二端口2和第三端口3都为(P-3)dBm。四分之一波长传输线作用为阻抗变换，使所有输出端口阻抗与Z₀匹配，输出端口之间引入隔离电阻R，当一个输出端因阻抗失配等原因发生反射时，反射功率通过隔离电阻两条支路到达另一个输出端的两路信号之间存在π相位差而相互抵消，从而达到隔离输出端的目的。

由于无线通信技术中对于大带宽的要求，多级级联宽，加载枝节线，加载电容等技术被用于功分器的设计中，却存在虽然带宽增加，但插损以及尺寸也同时增加的问题。本发明在于提供一种基于马刺线的小型化宽带功分器电路，具有带宽可调范围大，尺寸小，性能优良等优点。

马刺线是一种微带线结构(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)。其中马刺线可以是L型马刺线，波浪线马刺线，折线型马刺，或者对称、非对称结构的多个马刺线组合。本发明的实施例用到的马刺线为L型马刺线。

图2是L型马刺线尺寸图，其中L型马刺线的参数如下：a为长度，b为末端不连续狭缝长度，s为狭缝宽度，端口位置与图2一致，第一端口1与第二端口2之间由微带线连接，第三端口3与第四端口4之间由微带线连接，第三端口末端有长度为b，宽度为s的不连续狭缝。

图3是L型马刺线等效电路图示意图，将马刺线的引入带来的电路效果等效为微带线耦合。等效电路由一个四端口的网络构成，第二端口2和第四端口4连接在一起，马刺线的引入在第二端口2至第一端口1之间带来阻抗，此阻抗等效为耦合微带线的阻抗Z_a，L_a为等效的耦合微带线的长度，L_a为马刺线长度a的函数，马刺线的引入在第四端口4至第三端口3之间带来阻抗，此阻抗等效为耦合微带线的阻抗Z_b，L_b为等效的耦合微带线的长度，马刺线的引入在第三端口引入电容C_end，C_end为不连续狭缝的等效电容。其简化等效电路如图4所示。

图4是L型马刺线的简化等效电路示意图，其中Z_a，Z_b分别是等效电路中两个耦合微带线的特征阻抗，Z_oe是偶模特征阻抗，Z_oo是奇模特征阻抗，L_a、L_b是等效电路两个耦合线微带线的长度，分别有L_a＝a，L_b＝L_a+Δl＝a+Δl，a是马刺线的长度，Δl是C_end等效的微带线的延长长度。

Δl＝C_end×V_po×Z_oo (3)

其中V_po是奇模的相速度。

图5为阻抗为Z₀₁，长度为L₀₁的微带线的等效电路示意图。

Z_a，Z_b是等效电路中两个耦合微带线的特征阻抗，L_a、L_b是等效电路两个耦合微带线的长度。马刺线与长度为L₀₁，阻抗为Z₀₁的微带线在同频率下阻抗相等，需要满足如公式(4)所示的关系

其中，j是虚数单位，β是衰减系数，从公式中得出L_a＜L₀₁，也就是说，也就是说，马刺线的实际长度a小于L₀₁，实现了载有马刺线的微带线的尺寸的减小。

图6是载有马刺线的微带线的电长度随着马刺线长度变化的曲线，横轴为马刺线长度，用a表示，单位为μm；纵轴为微带线电长度，用θ表示，单位为deg；其中微带线总线长为505μm，马刺线宽度s＝4μm，末端狭缝长度b＝15μm。从图中可以看出，随着马刺线线长a的增加，电长度θ增加。也就是马刺线可以实现微带线电长度的延长，即实际线长的减小。实际线长的减小会减小传输路径上的损耗。

如前所述，已经对现有传统的Wilkinson功分器和马刺线的结构，等效电路和工作原理进行说明，接下来，将现有传统的Wilkinson功分器和马刺线所结合的功分器其结构、等效电路、特性等进行说明，以下只是举例马刺线在微带线末端的情况。

图7是微带线末端载有马刺线的Wilkinson功分器等效电路示意图。从等效电路可以看出，末端载有马刺线的微带线，等效于微带线末端串联阻抗为Z_a长度为L_a的阶跃阻抗线和阻抗为Z_b长度为L_b的开路枝节线，如上文中所说Wilkinson功分器中加入阶跃阻抗线和枝节线是常用的增加功分器带宽的方法。Wilkinson中加入马刺线结构，最终实现尺寸的减小，插损减小和带宽展宽。

图8是本发明一实施例的基于马刺线的小型化宽带功分器示意图，其电路结构图和实物版图的仿真工具为ADS、Cadence。该功分器在砷化镓工艺上实现，在威尔金森功分器基础上，在第一端口1到第二端口2传输路径的微带线上靠近第二端口2的末端加入第一马刺线20，在第一端口1到第三端口3传输路径的微带线上靠近第三端口3的末端加入第二马刺线30，第一端口1到第二端口2传输路径与第一端口1到第三端口3传输路径完全对称，第一马刺线20与第二马刺线30完全相同且参数如下：长度为a＝70μm，末端狭缝长度为b＝16μm，狭缝宽度s＝5μm，传输路径上的微带线的长度参数为L1＝233μm，L2＝200μm，L3＝111μm，共长L1+L2+L3＝544μm。

图9是本发明一实施例基于马刺线的小型化宽带功分器端口回波损耗、隔离度、插入损耗频谱特性示意图。

其中横轴是频率，左侧纵轴三条曲线分别为第一端口1回波损耗dBS(1，1)、第二端口2回波损耗dBS(2，2)，第二端口2到第三端口3的隔离度dBS(2，3)，右侧纵轴是第一端口1到第二端口2的插入损耗dBS(2，1)。第一端口1回波损耗dBS(1，1)，第二端口2回波损耗dBS(2，2)，在28-70GHz频率范围内的模值都大于15dB，第二端口2到第三端口3的隔离度dBS(2，3)，在28-70GHz频率范围内的模值都大于15dB，第一端口1到第二端口2的插入损耗dBS(2，1)的模值小于3.4dB在，与图9保持一致。由于第一端口1到第三端口3传输路径与第一端口1到第二端口2传输路径完全对称，此处不再说明。通过调整微带线长度、宽度和马刺线长度、宽度、位置等参数，可轻松调整带宽和中心频点，实现各端口回波损耗、隔离度的性能同时提升。

以上的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和实施方式进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。