共面波导宽带直接一分三功分器的制作方法

本发明涉及电子信息技术领域，特别涉及一种共面波导宽带直接一分三功分器。

背景技术：

功分器是将输入微波信号功率分成多路输出的一种多端口器件，经典电路形式是威尔金森功分器：是一种在所有端口匹配、低损耗、高隔离度、同相的n端口功分器。现在广泛使用的宽带一分三功分器，是采用微带电路的威尔金森多节级联结构直接一分三形式，具有：节数少、总尺寸小、匹配带宽、分配效率高等优点和电路中传输线阻抗较高等特点，存在问题是：宽带直接一分三功分器需要50ω到150ω阻抗变换，微带电路受制板工艺和成本限制，较难实现阻抗120ω以上的传输线，导致一分三功分器进一步拓展频率带宽受限制；前级四分之一波长阻抗变换传输线阻抗较高，微带传输线非常细，导致空间耦合强、传输损耗大、承受功率小等；电路的“趋肤效应”更进一步减小了微带传输线有效导体截面积，随频率升高，传输损耗显著增大，导致带内损耗起伏大；微带传输线结构难以实现直接一分三电路的3个隔离电阻两两连接的跨接要求，只能采用二隔离电阻的简化方案，导致电路无法实现各支路间的两两隔离，存在某两条支路之间隔离差的问题；多处结构不对称，理论上匹配变差、幅度一致性和相位一致性略差。

带状线电路威尔金森宽带一分三功分器也有少量应用，带状线电路加工难度大、成本高，也无法直接把元件焊接到信号层。

除微带线和带状线外，共面波导(cpw(coplanarwaveguide，共面波导)、gcpw(groundedcoplanarwaveguide，接地共面波导))也是一种性能优越、加工方便的微波平面电路。共面波导是由介质基片上的中央导体带线和两边半无限的接地金属面构成，特性阻抗覆盖：20～250ω，当板材确定后，共面波导的特性阻抗由信号带线宽度(w)和槽线宽度(s)的比例决定，除了顾虑占用面积以外，传输线宽度可以增大，尤其适合较高阻抗电路设计。在损耗、串扰和宽频带范围内良好的带内平坦度方面共面波导传输线拥有微带线和带状线所不可比拟的性能优势。

目前的宽带直接一分三功分器电路设计，在频率带宽、传输损耗、电路可靠性、端口隔离度、幅度一致性和相位一致性方面还存在改进的空间。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种共面波导宽带直接一分三功分器，整体级联的共面波导传输线低损耗、宽带直接一分三功分器设计，可实现一分三功分器工作在微波较低频率、宽带、低损耗、高隔离度、良好的带内平坦度、高幅度一致性、高相位一致性和承受较大功率。

本发明实施例的共面波导宽带直接一分三功分器，包括：屏蔽盒和设置于所述屏蔽盒内部的共面波导传输线电路板；

所述屏蔽盒的侧面分别设有输入端及三个输出端；

所述共面波导传输线电路板的结构自上而下依次为：共面波导电路层、介质层和金属层；所述共面波导电路层附着在所述介质层上，所述介质层附着在所述金属层上；

所述金属层设置有沟槽和多个电阻；

所述共面波导电路层包括输入端口、第一输出端口、第二输出端口、第三输出端口、传输线电路、多个电阻以及设置在所述传输线电路中的多个沉铜孔，通过所述沉铜孔连接所述金属层中的电路和电阻；

所述传输线电路包括第一输出电路、第二输出电路和第三输出电路，分别为所述输入端口与所述第一输出端口、所述第二输出端口、所述第三输出端口之间的电路；

所述共面波导层输入端口与所述屏蔽盒侧面的输入端连接，所述第一输出端口、所述第二输出端口和所述第三输出端口分别与所述屏蔽盒的三个输出端对应连接。

本发明实施例的共面波导宽带直接一分三功分器，具有以下优势：

(1)应用常规共面波导传输线传输准tem波、辐射和损耗低，高次模抑制好，在宽频带内特性阻抗及驻波波动小、变化连续平滑等特点；

(2)共面波导的特性阻抗由信号带线宽度(w)和槽线宽度(s)的比例决定，增大传输线宽度，传输线随阻抗增大，损耗降低；

(3)应用接地共面波导(gcpw)，传输线随阻抗减小，损耗降低、占用面积小、端口连接、pcb板机械强度和电路散热性能好。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明实施例提供的共面波导电路宽带一分三功分器正面结构图；

图2为本发明实施例提供的图1中沿aa线的剖面结构图；

图3为本发明实施例提供的共面波导电路宽带一分三功分器背面示意图；

图4为本发明实施例提供的共面波导电路宽带一分三功分器的爆炸图；

图5为本发明实施例提供的传输线电路板的电路原理图；

图6a为本发明实施例提供的传输线电路板的pcb板正面示意图；

图6b为本发明实施例提供的传输线电路板的pcb板另一正面示意图；

图7为本发明实施例提供的图6a或6b中t形节电路的第一节放大示意图；

图8为本发明实施例提供的功分器端口驻波比曲线图；

图9为本发明实施例提供的功分器插入损耗曲线图；

图10为本发明实施例提供的功分器输出端口隔离度曲线图；

图11为本发明实施例提供的功分器传输相位曲线图。

附图标记：1-屏蔽盒；2-共面波导传输线电路板；11-输入端；12-第一输出端；13-第二输出端；14-第三输出端；21-共面波导电路层；211-输入端口；212-第一输出端口；213-第二输出端口；214-第三输出端口；22-介质层；23-金属层；231-沟槽。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的共面波导宽带直接一分三功分器。

图1为本发明实施例提供的共面波导电路宽带一分三功分器正面结构图。

图2为本发明实施例提供的图1中沿aa线的剖面结构图。

如图1和图2所示，该共面波导宽带直接一分三功分器包括以下：屏蔽盒1和设置于屏蔽盒内部的共面波导传输线电路板2，屏蔽盒的侧面分别设有输入端11和三个输出端(第一输出端12、第二输出端13、第三输出端14)；共面波导传输线电路板2上的相应端口电路分别与输入端11和三个输出端口12、13和14连接。

如图3和图4所示，共面波导传输线电路板2的结构自上而下依次为：共面波导电路层21、介质层22和金属层23；金属层上设有沟槽231和多个电阻；共面波导电路层21附着在介质层22上，介质层22附着在金属层23上。该金属层23不仅加强了传输电路板2的机械强度，更为有源器件提供了良好的散热介质。

如图2所示，展示了沿aa的剖面结构；比如，共面波导电路层21的厚度为0.017mm；介质层22的厚度为0.765mm；金属层23的厚度为0.017mm；3-z1、3-z2、3-z3分别表示屏蔽盒下挖隧道的宽度。

共面波导电路层21，包括输入端口211、第一输出端口212、第二输出端口213、第三输出端口214和设置在输入端口211和输出端口212、213、214之间的传输线电路、以及设置在电路间的12个电阻。其中输入端口211和三个输出端口212、213、214之间的输出电路参数、图形相同或相似。

其中，在共面波导电路层还设置有多个沉铜孔，通过沉铜孔连接金属层中的电路和电阻。

进一步地，传输线电路包括第一输出电路、第二输出电路和第三输出电路，分别为输入端口与第一输出端口、第二输出端口、第三输出端口之间的电路。共面波导层输入端口与屏蔽盒侧面的输入端连接，第一输出端口、第二输出端口和第三输出端口分别与屏蔽盒的三个输出端对应连接。

在该功分器中，接地共面波导连接各输出端口，降低了馈电网络的复杂性，电路布局和设计更加合理；金属层上设有沟槽，可以消除cpw的接地不一致性，展宽频带、提高端口匹配和隔离度。

进一步地，输入端口和第一输出端口之间的输出电路，包括：输入端口通过接地共面波导传输线与“十字”形节电路一端连接；

“t”形节电路一端口与第一输出端口的电路连接；第一输出端口的电路为接地共面波导50ω阻抗传输线。

进一步地，输入端口与“十字”形节的第一口连接；“十字”形节的第二口接一侧电路，“十字”形节的第三口接一侧电路；“十字”形节的第四口接另一侧电路。

具体地，十字结电路的第二端口通过t型节电路的一个端口与第一输出端口连接，十字结电路的第三端口通过t型节电路的一个端口与第二输出端口连接，十字结电路的第四端口通过t型节电路的一个端口与第三输出端口连接。

从左向右依次连接：“十”字节电路端口1连接，接地共面波导传输线(l:5mm，w:1.16mm，s:1.6mm，和过渡段)，接“十”形节2口接第一输出电路，“十”形节3口接第二输出电路，“十”形节4口接第三输出电路。

进一步地，输入端口211和三个输出端口212、213、214之间的输出电路，包括4节传输线；参照图5、6a、6b所示，连接关系如下：

从上向下依次连接：输入端口211连接，接地共面波导传输线gcpw(l:6mm，w:2.1mm，s:1.5mm，和过渡段)，接t形节的第一口，t形节电路，t形节第二口接左边电路，t形节第三口接右边电路。

如图6a-6b所示，输入端口211到第一输出端口212电路，共4节，如图7所示，为图6a或6b中的第一节放大示意图。

从左向右依次连接：“十”字节电路端口1连接，接地共面波导传输线(l:5mm，w:1.16mm，s:1.6mm，和过渡段)，接“十”形节2口接第一输出电路，“十”形节3口接第二输出电路，“十”形节4口接第三输出电路。

第一输出电路(第一节：常规共面波导126ω阻抗传输线，w＝1.5mm，s＝1.6mm)，传输线l:3.8mm，90°切角拐弯，传输线l:13.1mm，90°切角拐弯，传输线l:13.7mm，90°切角拐弯，传输线l:1.6mm，接t形节的2口，t形节的1口接电阻82ω管脚1，电阻管脚2接公共点，t形节的3口，接第一输出电路(第二节)。

第一输出电路(第二节：100ω阻抗常规共面波导传输线，w＝1.73mm，s＝1.1mm)，传输线l:2.4mm，90°切角拐弯，传输线l:12.5mm，90°切角拐弯，传输线l:9.6mm，90°切角拐弯，传输线l:0.5mm，90°切角拐弯，传输线l:0.5mm，接t形节的2口，t形节的1口接电阻130ω管脚1，电阻管脚2接公共点，t形节的3口，接第一输出电路(第三节)。

第一输出电路(第三节：75ω阻抗常规共面波导传输线，w＝2.2mm，s＝0.56mm)，传输线l:2mm，90°切角拐弯，传输线l:0.5mm，90°切角拐弯，传输线l:11.5mm，90°切角拐弯，传输线l:11mm，，90°切角拐弯，传输线l:1mm，接t形节的2口，t形节的1口接电阻180ω管脚1，电阻管脚2接公共点，t形节的3口，接第一输出电路(第四节)。

第一输出电路(第四节：59ω阻抗接地共面波导传输线，w＝1.4mm，s＝0.9mm)，传输线l:1.6mm，90°切角拐弯，传输线l:11mm，90°切角拐弯，传输线l:8.4mm，90°切角拐弯，传输线l:0.5mm，90°切角拐弯，传输线l:0.6mm，接t形节的2口，t形节的1口节，接电阻270ω管脚1，电阻管脚2接公共点，t形节的3口，第一输出电路(输出端电路)。

第一输出电路(输出端：接地共面波导50ω阻抗传输线w＝2.1mm，s＝0.9mm)，传输线l:0.6mm，90°切角拐弯，传输线l:8.15mm，90°切角拐弯，传输线l:10.5mm，第一输出端口(212)。

第三输出电路是第一输出电路的镜像，和第二输出电路参数相同，图形不同，其余大面积接地。

其中，三个输出端口电路分别为：接地共面波导50ω阻抗传输线，其中w：2mm，s：1.5mm；传输线长2.2mm，90°切角拐弯，传输线l:4.45mm，90°切角拐弯，传输线l:3.5mm，连接相应的输出端12、13和14。

其中，图6a-6b中l1-l20分别表示传输线的长度；图6b中，3-r1、3-r2、3-r3、3-r4分别表示相应的电阻对；s1、s2、s3、s4、分别表示每一节中传输线边缘到地的距离；2-w1、2-w2、2-w3、2-w4、分别表示每一节中传输线宽度。

上述常规共面波导传输线，传输线宽度较宽，通过改变槽宽s，改变阻抗，减小了传输线不均匀点，简化了电路设计，较宽的传输线，降低了反射损耗，降低了传输线导体的损耗，提升了电路和线路板可靠性。常规共面波导和接地共面波导混合电路，接地共面波导在端口和较低阻抗区域使用，即简化了电路，又简化了电路布局。另外，常规和接地共面波导的连接结构，可通过沉铜孔接地实现接地共面波导到常规共面波导的过渡结构，减小了反射损耗。

输入端口211和第一输出端口212之间的输出电路，为输入端口211和第一输出端口214的之间的输出电路参数相同，图形接近镜像，其余大面积接地。输入端口211和第二输出端口213之间的输出电路，为输入端口211和第二输出端口212之间的输出电路数值相同，图形不同，其余大面积接地。共面波导电路中的大面积接地结构，或者说接地覆铜电路中任意两点随频率变化的接地阻抗＜0.5ω。

其中上述电路中所用到的电阻型号为：rg0805a500j1，其他相关参数：频率：18ghz，尺寸：2mm*1.27mm*0.254mm，功率：5w，基片：99.6％氧化铝，εr：9.7，k：29w/mk。具有降低信号电平、低寄生参数；用于电路之间的隔离，且产品的频率高；可焊性与键合性良好。

本实施例中，该一分三功分器，由整体级联的共面波导传输线低损耗、宽带一分三功分器设计，其中特性阻抗大于65ω的四分之一波长阻抗变换传输线由常规共面波导(cpw)传输线构成。各个端口电路和较低阻抗电路由接地共面波导(gcpw)构成，实现一分三功分器工作在微波较低频率、宽带、低损耗、高隔离度、良好的带内平坦度和承受较大功率。

进一步地，上述共面波导，连接电路最佳斜切率m:48.1°，90°转角：最佳斜切率m:48.5°，接地共面波导最佳斜切率：m:51°。常规共面波导连接电路缺角设计，最佳斜切率m:48.1°。传输线90°转角：角度最佳斜切率m:48.5°，接地共面波导最佳斜切率：m:51°。

进一步地，“十字”形节的第三口接另一侧电路；形节包括的4节电路，每节电路中三处切角拐弯斜切率m分别为：48.1°、48.5°和51°。

进一步地，金属层沟槽的深度为2s，宽度为2s+w，w为传输线宽度。

进一步地，在本发明的一个实施例中，屏蔽盒的上盖与共面波导传输线电路板的距离大于2s，其中2s最小为3mm。

本发明实施例提供的共面波导电路宽带直接一分三功分器，利用共面波导(cpw、gcpw)传输线电路，具有如下优势：

(1)当板材确定后，常规共面波导的特性阻抗由信号带线宽度(w)和槽线宽度(s)的比例决定，在条件允许下，设计可增大传输线宽度，减小导体损耗。

(2)共面波导特性阻抗覆盖：20～250ω，满足宽带一分三功分器需要阻抗50ω～150ω变换要求。

(3)直接一分三功分器设计，减少节数，减小尺寸。图8可见，带宽和各端口驻波比大幅度改善，频率从：700mhz～2800mhz，s11＜-24db，s22、s33、s44＜-28db；图9可见，传输损耗减小，s21、s31、s41＞-5.07db，图10可见，隔离度提升，端口s23、s24、s34＞26db。

(4)共面波导(cpw)电路传输准tem波，传输线较宽，传输线导体损耗低，尤其是较高阻抗传输线，损耗大幅降低。

(5)电路空间耦合减弱，实际电路输出端口隔离度提高2db以上。

(6)共面波导宽频带范围内良好的带内平坦度，带内起伏下降0.2db。

(7)电路板到屏蔽盒盖高度2倍s宽度，传输线阻抗下降3％左右，而上述三功分器电路中最大s＝1.5mm，高度4.2mm，影响可以忽略。

(8)电路中隔离电阻的影响减小。

(9)接地共面波导连接各输出端口，降低了馈电端口的复杂性，电路布局和设计更加合理。

(10)电路中传输线较宽，对板材要求降低，可靠性提升。

(11)传输电路板的正、反面大面积覆铜，产品机械强度、温度性能提升。

(12)三路分支电路，传输线通过改变传输线宽度(w)和槽宽(s)，但是w和s比例不变，单独小幅度调整幅度和相位。

(13)如图3所示，屏蔽盒内金属层下挖有沟槽，可称为隧道形式空气桥：可以消除cpw的接地不一致性，展宽频带、提高端口匹配和隔离度。桥的高度(深度)：2s，宽度2s+w,其中，w为2.3mm，s为0.9mm、0.71mm和0.41mm三个数值；电路采用沉铜通孔来连接顶层共面波导电路和接地面。当沉铜通孔放置于电路中时通孔的布局对于特性阻抗和损耗及抑制寄生波模式都重要。

常规共面波导的接地“空气桥”，由上跨“过街桥”形式，改为屏蔽盒下挖“隧道”形式，并增大了隧道底面距传输线的距离，相当于增大了“桥”的宽度，减小了电阻。

综上，本发明提供一种共面波导电路宽带直接一分三功分器，整体级联的共面波导传输线低损耗、宽带直接一分三功分器设计，可实现一分三功分器工作在微波较低频率、宽带、低损耗、高隔离度、良好的带内平坦度、高幅度一致性、高相位一致性和承受较大功率。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。