基于阶梯阻抗耦合线的四频功分器

1.本发明涉及多频功分器设计技术领域，具体涉及基于阶梯阻抗耦合线的四频功分器。


背景技术：

2.随着经济和科技的高速发展，需要多样化的信息服务，因而提出了多种移动通信标准，如gsm、cdma、wimax、wlan等。有限的频谱资源对通信频段的划分提出了更加严格的要求，这也使得通信系统向着小尺寸、高集成度等方向发展。功分器具有分配和合成功率的功能，被广泛应用于各种微波电路。作为通信系统中重要的部件，功分器也在向着小型化、高集成的方向发展，因而对多频带功分器的研究也变得愈发重要。同时，功分器在毫米波雷达系统领域也具有十分重要的意义。
3.基于耦合微带线的两节传输线结构来实现四频功分器，其结构复杂且工作频点范围跨度小；利用阶梯阻抗变化器型的耦合线节来实现四频功分器，其同样存在结构复杂且隔离度低的问题。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于阶梯阻抗耦合线的四频功分器，解决现有技术中存在的小型化要求不足、设计结构复杂、隔离度低的技术问题。
5.本发明是通过以下技术方案来实现：
6.一种基于阶梯阻抗耦合线的四频功分器，包括介质基板，以及设置其表面的两个双段阶梯阻抗耦合线，所述双段阶梯阻抗耦合线包括两段相连且不耦合的阶梯阻抗耦合线，两段阶梯阻抗耦合线呈夹角布置，两个双段阶梯阻抗耦合线对称设置并通过隔离电阻连接，两个双段阶梯阻抗耦合线的夹角相互靠近；
7.两个双段阶梯阻抗耦合线的输入端连接输入端口馈线，双段阶梯阻抗耦合线的输入端分别连接第一输出端口馈线和第二输出端口馈线。
8.优选的，所述阶梯阻抗耦合线包括两根平行且间隔设置的两根耦合线，两根耦合线的一端连接。
9.优选的，所述耦合线包括同轴且相连的第一节耦合线和第二节耦合线，第一节耦合线和第二节耦合线的宽度和长度均不相等，两个耦合线的第一节耦合线相互连接。
10.优选的，所述双段阶梯阻抗耦合线包括依次连接的第一阶梯阻抗耦合线和第二阶梯阻抗耦合线；
11.两个双段阶梯阻抗耦合线的第二阶梯阻抗耦合线同轴设置，两个第一耦合线呈夹角设置，输入端口馈线的一端连接两个第一耦合线的连接端。
12.优选的，所述输入端口馈线的另一端延伸至介质基板的第一侧边，第一输出端口馈线和第二输出端口馈线延伸至介质基板的第二侧边，第一侧边和第二侧边平行设置。
13.优选的，所述隔离阻抗包括第一隔离阻抗和第二隔离阻抗；
14.所述第一隔离阻抗的两端分别连接两个双段阶梯阻抗耦合线的两段阶梯阻抗耦合线的交点。
15.所述第二隔离阻抗分别连接两个双段阶梯阻抗耦合线的输出端。
16.优选的，所述输入端口馈线和输入端口馈线均为微带线导带。
17.优选的，所述介质基板底面设有金属接地板。
18.与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
19.本发明的一种基于阶梯阻抗耦合线的四频功分器，利用耦合线的双谐振特性，将双段耦合线进行组合，形成等效于四谐振单元的多谐振结构，输入信号从功分器的输入端口输入进行等分，分别经过双段阶梯阻抗耦合线和两个隔离电阻，产生了四个频点，最后由功分器的两个输出端口输出，采用阶梯阻抗耦合线作为耦合线，有效的解决了在微带线区域内奇偶模相位速度不等导致频点范围受限的问题，同时也简化了四频功分器的结构，利用阶梯阻抗耦合线结构，具有良好的端口隔离特性、功率分配特性，非常适用于现代移动通信系统和毫米波雷达系统。
20.进一步，双段阶梯阻抗耦合线的两段阶梯阻抗耦合线呈夹角布置，隔离电阻与两个双段阶梯阻抗耦合线的交点连接，采用该布置结构减少了四频功分器的尺寸结构，可以在单片pcb板上实现，有利于加工集成，且生产成本低
附图说明
21.图1是本发明一种基于阶梯阻抗耦合线的四频功分器的电路原理图；
22.图2是本发明一种基于阶梯阻抗耦合线的四频功分器的立体结构示意图。
23.图3是实施例1的电路结构尺寸示意图。
24.图4是实施例1的s参数仿真和测试图。
25.图5是实施例1的两个功率输出端口隔离特性的s参数仿真和测试图。
26.图6是实施例1的两个功率输出端口匹配特性的s参数仿真和测试图。
27.图7是实施例1的加工实物图。
28.图8是实施例2的s参数仿真和测试图。
29.图9是实施例2的两个功率输出端口隔离特性的s参数仿真和测试图。
30.图10是实施例2的两个功率输出端口匹配特性的s参数仿真和测试图。
31.图中，1、输入端口馈线；2、第一输出端口馈线；3、第二输出端口馈线；4、第一阶梯阻抗耦合线；5、第二阶梯阻抗耦合线；6、第三阶梯阻抗耦合线；7、第四阶梯阻抗耦合线；8、第一隔离电阻；9、第二隔离电阻；耦合线(41、42、51、52、61、62、71、72)；101、介质基板；102、金属接地板；103、第一侧边；104、第二侧边。
具体实施方式
32.下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
33.参阅图1-10，基于阶梯阻抗耦合线的四频功分器，包括输入端口、第一输出端口、第二输出端口、两个双段阶梯阻抗耦合线和两个隔离电阻，所述双段阶梯阻抗耦合线包括两段相连且不耦合的阶梯阻抗耦合线。
34.两个双段阶梯阻抗耦合线的一端连接输入端口，两个双段阶梯阻抗耦合线的另一端分别连接第一输出端口和第二输出端口，第一隔离电阻8的两端分别连接两个双段阶梯阻抗耦合线的两段耦合线的连接端，第二隔离电阻的两端分别连接第一输出端口和第二输出端口。
35.两个双段阶梯阻抗耦合线分别为结构相同的第一双段阶梯阻抗耦合线和第二双段阶梯阻抗耦合线，
36.第一双段阶梯阻抗耦合线包括依次连接的第一阶梯阻抗耦合线4和第二阶梯阻抗耦合线5，形成等效于四谐振单元的多谐振结构。
37.第二双段阶梯阻抗耦合线包括依次连接的第三阶梯阻抗耦合线6和第四阶梯阻抗耦合线7，并形成等效于四谐振单元的多谐振结构。
38.第一阶梯阻抗耦合线4包括耦合线41和耦合线42，耦合线41和耦合线42的一端通过导线43相连；第二阶梯阻抗耦合线5包括耦合线51和耦合线52构成，耦合线51和耦合线52的一端由导线53相连。
39.第三阶梯阻抗耦合线6包括耦合线61和耦合线62，耦合线61和耦合线62的一端由导线63相连；第四阶梯阻抗耦合线7包括耦合线71和耦合线72，耦合线71和耦合线72的一端通过导线73相连。
40.所述输入端口与耦合线41和耦合线61的另一端连接；第一输出端口与耦合线52的另一端以及第二隔离电阻9相连；第二输出端口与耦合线72的另一端以及第二隔离电阻9相连，第一隔离电阻8的一端与耦合线42和耦合线51的连接端连接，第一隔离电阻8的另一端与耦合线62和耦合线71的连接端连接。
41.所述耦合线(41、42、51、52、61、62、71、72)结构相同，均包括同轴且相连的第一节耦合线和第二节耦合线，且第一节耦合线节与第二节耦合线的宽度和长度均不相同，在阶梯阻抗耦合线中，两个耦合线的第一节耦合线节通过导线连接。
42.实施例1
43.参阅图2，本实施例提供了一种基于阶梯阻抗耦合线的四频功分器，包括介质基板101，所述介质基板101底面设有金属接地板102，介质基板101顶面设有输入端口馈线1、第一输出端口馈线2、第二输出端口馈线3和两个对称设置的双段阶梯阻抗耦合线，两个双段阶梯阻抗耦合线之间通过隔离电阻连接，双段阶梯阻抗耦合线的输入端连接输入端口馈线1，双段阶梯阻抗耦合线的输入端分别连接第一输出端口馈线2和第二输出端口馈线3。
44.第一双段阶梯阻抗耦合线包括相连且不耦合的第一阶梯阻抗耦合线4和第二阶梯阻抗耦合线5，第一阶梯阻抗耦合线4和第二阶梯阻抗耦合线5呈夹角布置，并通过夹角的交点连接，在实施例中，第一阶梯阻抗耦合线倾斜设置，第二阶梯阻抗耦合线垂直设置。
45.第二双段阶梯阻抗耦合线包括相连且不耦合的第三阶梯阻抗耦合线6和第四阶梯阻抗耦合线7，第三阶梯阻抗耦合线6和第四阶梯阻抗耦合线7。
46.第一双段阶梯阻抗耦合线和第二双段阶梯阻抗耦合线对称设置，第一双段阶梯阻抗耦合线和第二双段阶梯阻抗耦合线的交点相互靠近，隔离电阻位于两个交点之间。
47.由于第一双段阶梯阻抗耦合线和第二双段阶梯阻抗耦合线的结构相同，因此下述中以第一双段阶梯阻抗耦合线为例，对双段阶梯阻抗耦合线的结构进行详细说明。
48.所述第一阶梯阻抗耦合线4包括平行且间隔设置的两根耦合线41和42，耦合线41
和耦合线42的一端通过导线43相连；所述第二阶梯阻抗耦合线5包括平行且间隔设置的两根耦合线51和52构成，耦合线51和耦合线52的一端通过导线53相连，并且第一阶梯阻抗耦合线4和第二阶梯阻抗耦合线5呈夹角布置，在本实施中，第一阶梯阻抗耦合线4和第二阶梯阻抗耦合线5的夹角为45
°
。
49.耦合线包括同轴的第一节耦合线节和第二节耦合线，且第一节耦合线节的宽度小于第二节耦合线，在阶梯阻抗耦合线中，两个耦合线的第一节耦合线节通过短路电路连接。
50.第一双段阶梯阻抗耦合线中，耦合线41的第二节耦合线与输入端口馈线1连接，耦合线41的第一节耦合线与耦合线42的第一节耦合线连接，耦合线42的第二节耦合线与耦合线51的第二节耦合线连接，耦合线51的第一节耦合线与耦合线52的第一节耦合线连接，耦合线52的第二节耦合线与第一输出端口馈线2连接。
51.所述第三阶梯阻抗耦合线6包括平行且间隔设置的两根耦合线61和62，耦合线61和耦合线62的一端通过导线63相连；所述第四阶梯阻抗耦合线7包括平行且间隔设置的两根耦合线71和72构成，耦合线71和耦合线52的一端通过导线73相连。
52.第二双段阶梯阻抗耦合线中，耦合线61的第二节耦合线与输入端口馈线1连接，耦合线61的第一节耦合线与耦合线62的第一节耦合线连接，耦合线62的第二节耦合线与耦合线71的第二节耦合线连接，耦合线71的第一节耦合线与耦合线72的第一节耦合线连接，耦合线72的第二节耦合线与第二输出端口馈线3连接。
53.上述隔离电阻包括第一隔离电阻8和第二隔离电阻9，第一隔离电阻8的一端连接耦合线42的第二节耦合线与耦合线51的第二节耦合线的连接端，第一隔离电阻8的另一端连接耦合线62的第二节耦合线与耦合线71的第二节耦合线的连接端，第二隔离电阻9的一端连接耦合线52的第二节耦合线与第一输出端口馈线2的连接端，第二隔离电阻9的另一端连接耦合线72的第二节耦合线与第二输出端口馈线3的连接端。
54.本实施例中，所述输入端口馈线1为第一50欧姆微带线导带10，所述第一50欧姆微带线导带10的一端延伸至介质基板101的第一侧边103，另一端分别与耦合线42的一端和耦合线61的一端连接；第一50欧姆微带线导带10与介质基板的第一侧边103连接处为输入端；
55.本实施例中，所述输出端口馈线2为第二50欧姆微带线导带11，所述第二50欧姆微带线导带11的一端延伸至介质基板101的第二侧边104，第二50欧姆微带线导带11和介质基板101的第二侧边104的连接处为第一输出端port 2。
56.所述输出端口馈线3为第三50欧姆微带线导带12，所述第三50欧姆微带线导带12的一端延伸至介质基板101的第二侧边104，第二侧边104和第一侧边103相互平行，第三50欧姆微带线导带12和介质基板101的第二侧边104的连接处为第二输出端port3。
57.本实施例在制造上通过印制电路板制造工艺对电路基板正面的金属面进行加工腐蚀，从而形成所需的金属图案，结构简单，可以在单片pcb板上实现，有利于加工集成。同时，本技术利用阶梯阻抗耦合线结构，具有良好的端口隔离特性、功率分配特性。另一方面本技术尺寸小，易于加工且生产成本低，非常适用于现代移动通信系统。下面对本发明作进一步详细描述。
58.参阅图3，第一阶梯阻抗耦合线的两根耦合性，其第一节耦合线节的宽度为w1，长度均为l1，第二节耦合线的宽度均为w2，长度均为l2。
59.第二阶梯阻抗耦合线的两根耦合性，其第一节耦合线节的宽度为w3，长度均为l3，
第二节耦合线的宽度均为w4，长度均为l4。
60.所采用的介质基板相对介电常数为2.2，厚度为0.7874mm，损耗角正切为0.0009。结合图2，基于阶梯阻抗耦合线的四频功分器的各尺寸参数如下：l1＝10.45，l2＝10.50，l3＝10.6，l4＝10.5，w1＝0.72，w2＝1.25，w3＝1.2，w4＝1.8，s1＝0.52，s2＝0.38，s3＝0.45，s4＝0.45(unit：mm)，r1＝111ω，r2＝201ω。整个设计的总面积为5.6cm
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3.5cm。本实例基于阶梯阻抗耦合线的四频功分器是在电磁仿真软件hfss 13.0中建模仿真的。图4是本实例中四频功分器的s参数仿真和测试图，从图中可以看到，该基于阶梯阻抗耦合线的四频功分器的四个频点分别是0.9ghz，1.8ghz，3.5ghz，4.4ghz，对应的插入损耗为-3.09db，-3.17db，-3.58db，-3.85db，均比较接近理想值-3db。图5是本实例中四频功分器的两个功率输出端口隔离特性的s参数仿真和测试图，从图中可以看到在这四个频点处隔离均小于-18db，图6是本实例中四频功分器的两个功率输出端口匹配特性的s参数仿真和测试图，从图中可以看到输出端口回拨损耗均小于-17db。本发明利用阶梯阻抗耦合线结构，具有良好的端口隔离特性、功率分配特性。加工实物图如图6所示。
61.实施例2
62.为本发明基于阶梯阻抗耦合线的四频功分器应用在毫米波雷达系统，其仿真测试结果如下：
63.参阅图8-10，图8是本实例中四频功分器的s参数仿真和测试图，从图中可以看到，该基于阶梯阻抗耦合线的四频功分器的四个频点分别是21.5ghz，26.8ghz，75.8ghz，81.1ghz，这四个频点分别对应的是毫米波雷达领域中最常用的24g、77g两个频段。图9是本实例中四频功分器的两个功率输出端口隔离特性的s参数仿真和测试图，从图中可以看到在这四个频点处隔离均小于-35db，图10是本实例中四频功分器的两个功率输出端口匹配特性的s参数仿真和测试图，从图中可以看到输出端口回拨损耗均小于-25db。
64.综上所述，本实施例的一种基于阶梯阻抗耦合线的四频功分器，利用阶梯阻抗耦合线结构，具有尺寸小、宽带宽、频点跨度大等优点以及良好的端口隔离特性、功率分配特性。实现了一款尺寸小、易于加工的四频功分器，非常适用于现代移动通信系统和毫米波雷达系统。
65.以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。