一种四路毫米波具有隔离特性的无隔离电阻功分器

技术领域

本发明涉及一种四路毫米波具有隔离特性的无隔离电阻功分器。

背景技术

功率分配器(功分器)是一种将输入功率分成两路或多路输出相等或不相等功率的多端口微波器件，在现代无线通信系统、成像等领域中起着至关重要的作用。为了实现电路元件间的功率合理分配，功分器必须保证输出端口之间具有良好的匹配、隔离以及幅相一致性。1960年提出的威尔金森功分器和1975年提出的Gysel功分器是两种最经典的功分器类型，它们通过采用隔离电阻实现了良好的输入输出匹配和隔离特性。目前大部分已有的对功分器的研究，都是基于隔离电阻来实现输出端口的匹配和隔离性能。随着无线通信技术的快速发展和频率的不断提高，对于频率范围在30GHz以上的毫米波，基于表面安装技术的隔离电阻适用性变差。在毫米波段，基于表面安装技术的隔离电阻内部的寄生参量将对电路性能产生巨大的影响。不仅如此，隔离电阻的功率容量小也限制了功分器在高功率场合的应用。因此，为了克服隔离电阻在高功率、高频率功分器应用中的缺陷，设计一种毫米波具有隔离特性的无隔离电阻功分器，对现代毫米波无线通信系统的发展具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种四路毫米波具有隔离特性的无隔离电阻功分器，它具有良好的匹配、隔离以及幅相一致性，同时具有低损耗、较宽的工作带宽，适用于毫米波无线通信系统。

为了实现上述目的，本发明提出了一种基于LC谐振网络的四路毫米波具有隔离特性的无隔离电阻功分器。其具体技术方案如下：

一种四路毫米波具有隔离特性的无隔离电阻功分器，主要包括：顶层介质板上部的金属层、顶层介质板、顶层介质板与底层介质板之间的金属地、底层介质板、底层介质板下部的金属层；其特征在于，所述顶层介质板上部的金属层包括：信号输入端、输入指数型渐变阻抗匹配线、4条传输支路、4条输出枝节阻抗匹配线和4个信号输出端；所述底层介质板下部的金属层包括：所述4个信号输出端之间的无隔离电阻的隔离网络，隔离网络采用两个有耗LC谐振器代替隔离电阻；所述顶层介质板上部的金属层和所述底层介质板下部的金属层通过4个过孔进行连接，4个过孔穿过所述顶层介质板、顶层介质板与底层介质板之间的金属地和底层介质板。

本发明提出的四路毫米波具有隔离特性的无隔离电阻功分器的工作原理如下：所述的顶层介质板选用低损耗基板来实现功分网络，所述的底层介质板选用高损耗基板来实现隔离网络。平衡激励时，毫米波信号从信号输入端馈入，通过输入指数型渐变阻抗匹配线传输到4条传输支路，传输支路的长度为四分之波长，再经过4条输出枝节阻抗匹配线将毫米波信号传输至4个信号输出端上，实现4路功率分配的功能；所述的输入指数型渐变阻抗匹配线和输出枝节阻抗匹配线保证了所述毫米波具有隔离特性的无隔离电阻功分器的输入输出阻抗匹配。不平衡激励时，毫米波信号从信号输出端馈入，一部分经过阻抗匹配线和传输支路输出到信号输入端，另一部分通过所述过孔输入到底层介质板下部金属层的无隔离电阻的隔离网络，隔离网络由两个基于微带技术的有耗LC谐振器实现，LC谐振器中的电容采用平行耦合电路实现，在工作频率上处于谐振状态，等效为电阻，实现输出端口之间的高隔离以及良好的输出阻抗匹配；采用两个有耗LC谐振器，并将两个谐振器产生的零点耦合起来，可有效展宽隔离带宽。

本发明提出的四路毫米波具有隔离特性的无隔离电阻功分器采用两种不同的介质基板，低损耗介质板用来实现功分网络，保证电路具有低插入损耗、良好的输入输出匹配和各输出端口的幅相一致性；高损耗介质板用来实现隔离网络，通过有耗LC谐振器在工作频率上处于谐振状态时等效为电阻，实现输出端口之间的高隔离以及良好的输出阻抗匹配。本发明针对传统有隔离电阻的功分器无法应用于高频率、高功率场合的缺点，采用无隔离电阻的有耗LC谐振网络，实现的四路功分器具有良好的匹配、隔离以及幅相一致性，同时插入损耗小，具有较宽的工作带宽，在毫米波无线通信系统中有着非常广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明提出的四路毫米波具有隔离特性的无隔离电阻功分器；

图2是四路毫米波具有隔离特性的无隔离电阻功分器的输入回波和插入损耗的曲线；

图3是四路毫米波具有隔离特性的无隔离电阻功分器的输出回波的曲线；

图4是四路毫米波具有隔离特性的无隔离电阻功分器各输出端口之间隔离的曲线；

图5是四路毫米波具有隔离特性的无隔离电阻功分器各输出端口的相位一致性；

附图中标号对应名称为：

(1)顶层介质板，(2)金属地，(3)底层介质板，(4)信号输入端，(5)输入指数型渐变阻抗匹配线，(6)传输支路，(7)输出枝节阻抗匹配线，(8)信号输出端，(9)过孔，(10)平行耦合线，(11)LC谐振器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。

本实施例的四路毫米波具有隔离特性的无隔离电阻功分器结构如附图1所示，分别使用损耗角正切为0.00018的Rogers 5880介质板和实现损耗角正切为0.02的FR-4介质板该电路。平衡激励时，中心频率为94GHz的信号从顶层介质板的信号输入端馈入，经输入指数型渐变阻抗匹配线，将功率等分成4份通过四分之波长的传输支路，从信号输出端输出，实现功分的功能；不平衡激励时，中心频率为94GHz的信号从顶层介质板的信号输入端馈入，一部分经过阻抗匹配线和传输支路输出到信号输入端，另一部分通过所述过孔输入到底层介质板下部金属层的无隔离电阻的隔离网络，实现隔离的功能。

图2是本实施例的四路毫米波具有隔离特性的无隔离电阻功分器的输入回波和插入损耗的曲线。由图可以看出，在88GHz-100GHz频率内，插入损耗平均为0.25dB,并且在中心频率出，插入损耗可达0.2dB；在88GHz-100GHz频率内,输入回波损耗大于15dB，相对带宽达12.8％，并且在89.8GHz-96.1GHz频率内,输入回波损耗大于20dB。可见，所述四路毫米波具有隔离特性的无隔离电阻功分器具有良好的输入阻抗匹配和良好的传输系数。

图3是本实施例的四路毫米波具有隔离特性的无隔离电阻功分器的输出回波的曲线。由图可以看出，在92.6GHz-96.5GHz频率内，输出回波损耗大于15dB。可见，所述四路毫米波具有隔离特性的无隔离电阻功分器具有良好的输出阻抗匹配。

图4是本实施例的四路毫米波具有隔离特性的无隔离电阻功分器各输出端口之间隔离的曲线。由图可以看出，在90.8GHz-96.5GHz频率内，输出隔离大于15dB，相对带宽达6.1％，并且在92.2GHz-95.6GHz频率内,输出隔离大于20dB。可见，所述四路毫米波具有隔离特性的无隔离电阻功分器具有高隔离特性和较宽的工作带宽。

图5是本实施例的四路毫米波具有隔离特性的无隔离电阻功分器各输出端口的相位一致性曲线。由图可以看出，在88GHz-100GHz频率内，功分器各输出端口具有高度的相位一致性。