一种多抽头电感结构的功分器

技术领域

本发明涉及微波射频集成电路技术领域，特别涉及一种多抽头电感结构的功分器。

背景技术

随着移动通信的快速发展，工作在射频、微波高频段的电路及器件应用越来越广泛，开发宽频带、高集成度、小型化的射频前端器件成为了未来发展的必然趋势。另一方面，在5G通信、物联网以及工业互联网等新型产业应用需求的牵引下，使得电子通信系统中的射频模块的功能集成都日趋增加，也给器件、模块的小型化提出了更高的要求。

作为射频器件的重要组成部分，功分器广泛应用于多功能波束成型器、相控阵雷达天线的馈电网络以及各种射频前端和平衡系统中。传统的功分器结构级联多个集总元器件会导致整个前馈网络产生较高的插入损耗、大尺寸等问题，所能应用的范围受限，已经无法满足未来各类先进系统对其的需求。

鉴于上述情况，研究如何在更小的空间内实现高集成度、低损耗、宽频带功分器有着十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多抽头电感结构的功分器，以提供一种适用于6GHz～18GHz超宽带频率范围的功分器。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种多抽头电感结构的功分器，包括：

多抽头式电感网络，用于传输信号和实现阻抗匹配变换；

所述多抽头式电感网络包括：输入端口port1、输出端口port2～port3、以及抽头P1～P9；由输入端口port1平均分成两条支路连接两个螺旋电感进行信号输出到输出端口port2和输出端口port3，且螺旋电感中间的抽头P2和抽头P9分别与接地电容C1和接地电容C4相连，抽头P3和抽头P8分别与接地电容C2和接地电容C5相连，抽头P4和抽头P7分别与接地电容C3和接地电容C6相连，抽头P5和抽头P6与补偿电容Cr1和补偿电容Cr2相连；

接地电容网络，用于阻隔直流信号和实现阻抗匹配变换；

隔离网络，用于隔离电路中的信号和平衡两个输出端口，以避免干扰和噪声造成的影响。

优选的，所述接地电容网络包括接地电容C1～C6；所述接地电容C1和接地电容C4分别与螺旋电感的抽头P2和抽头P9相连，接地电容C2和接地电容C5分别与螺旋电感的抽头P3和抽头P8相连，接地电容C3和接地电容C6分别与螺旋电感的抽头P4和抽头P7相连。

优选的，所述隔离网络包括补偿电容Cr1～Cr2以及隔离电阻R；所述补偿电容Cr1和补偿电容Cr2与抽头P5和抽头P6相连，隔离电阻R的两端分别与补偿电容Cr1和补偿电容Cr2相连。

优选的，左右两侧所述螺旋电感内部分别引出四个抽头；其中左侧所述螺旋电感能够等效为四个等效电感L1～L4，所述四个等效电感L1～L4各自的有效电感量等于其自感量与互感量之和；右侧所述螺旋电感能够等效为四个等效电感L5～L8，所述四个等效电感L5～L8各自的有效电感量等于其自感量与互感量之和。

优选的，左侧总等效电感量为电感L1的自感量Ls1、电感L2的自感量Ls2、电感L3的自感量Ls3、电感L4的自感量Ls4、电感L1和电感L2的互感值M12、电感L2和电感L3的互感值M23、电感L3和电感L4的互感值M34、电感L1和电感L3的互感值M13、电感L2和电感L4的互感值M24、以及电感L1和电感L4的互感值M14之和。

优选的，右侧总等效电感量为电感L5的自感量Ls5、电感L6的自感量Ls6、电感L7的自感量Ls7、电感L8的自感量Ls8、电感L5和电感L6的互感值M56、电感L6和电感L7的互感值M67、电感L7和电感L8的互感值M78、电感L5和电感L7的互感值M57、电感L6和电感L8的互感值M68、以及电感L5和电感L8的互感值M58之和。

优选的，所述输入端口port1、输出端口port2～port3均采用标准50Ω匹配的“地-信号-地”结构；功分器芯片采用对称的结构，以保证两个输出端功率信号分配相同。

优选的，所述多抽头电感结构的功分器，适用于工作频率范围为6GHz～18GHz射频输入超宽频率的高性能功分器。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

在本发明提供的多抽头电感结构的功分器中，包括多抽头式电感网络、接地电容网络、隔离网络，可实现对带宽为6GHz～18GHz的功率分配。所述的多抽头式电感网络，传输信号和阻抗匹配变换；所述的接地电容网络，阻隔直流信号和阻抗匹配变换；所述的隔离网络，隔离电路中的信号，平衡两个输出端口，以避免干扰和噪声的影响。本发明采用单个LC匹配网络取代多个LC网络，不仅实现了芯片小型化，进一步提升了性能指标和集成度，而且有效地减少了设计迭代，缩短了设计周期，降低了设计成本。隔离网络增加的补偿电容可以实现低频段的耦合抑制功能，拓宽带宽的同时提升了低频段端口之间的隔离度。在6GHz～18GHz频率范围内，输入回波损耗典型值在-17dB，输出回波损耗典型值在-20dB，插入损耗典型值为-3.7dB(含3dB固定插损)，隔离度典型值为-17dB。

附图说明

图1是本发明提供的功分器的结构示意图。

图2是多抽头电感结构功分器对应的等效电路图。

图3是多抽头电感结构的功分器芯片版图。

图4是功分器输入输出回波损耗的结果分析图。

图5是功分器插入损耗和隔离度的结果分析图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明提供了一种多抽头电感结构的功分器，其结构如图1所示，包括多抽头式电感网络、接地电容网络和隔离网络，可实现频段为6GHz～18GHz的高性能功率分配。所述的多抽头式电感网络传输信号和阻抗匹配变换；所述的接地电容阻隔直流信号和阻抗匹配变换；所述的隔离网络隔离电路中的信号，平衡两个输出端口，以避免干扰和噪声造成的影响。

所述的多抽头电感网络包括三个端口port1～port3，抽头为P1～P9；输入端口port1平均分成两条支路连接两个螺旋电感进行信号输出到输出端口port2和port3，螺旋电感中间的抽头P2和抽头P9分别与接地电容C1和C4相连，抽头P3和抽头P8分别与接地电容C2和C5相连，抽头P4和抽头P7分别与接地电容C3和C6相连。抽头P5和抽头P6与补偿电容Cr1和Cr2相连。

所述的接地电容网络主要包括C1～C6；其中，接地电容C1和C4分别与螺旋电感的抽头P2和抽头P9相连，接地电容C2和C5分别与螺旋电感的抽头P3和抽头P8相连，接地电容C3和C6分别与螺旋电感的抽头P4和抽头P7相连。补偿电容Cr1和Cr2分别与port2和port3相连。隔离电阻R左右两端分别与补偿电容Cr1和Cr2相连。

所述的隔离网络包括补偿电容Cr1～Cr2、隔离电阻R；补偿电容Cr1和Cr2分别与抽头P5和抽头P6相连，隔离电阻R两端分别与补偿电容Cr1和Cr2相连。

所述的等效电路如图2所示。左端总等效电感量为电感L1的自感量Ls1、电感L2的自感量Ls2、电感L3的自感量Ls3、电感L4的自感量Ls4、电感L1和电感L2的互感值M12、电感L2和电感L3的互感值M23、电感L3和电感L4的互感值M34、电感L1和电感L3的互感值M13、电感L2和电感L4的互感值M24、以及电感L1和电感L4的互感值M14之和；所述的右端总等效电感量为电感L5的自感量Ls5、电感L6的自感量Ls6、电感L7的自感量Ls7、电感L8的自感量Ls8、电感L5和电感L6的互感值M56、电感L6和电感L7的互感值M67、电感L7和电感L8的互感值M78、电感L5和电感L7的互感值M57、电感L6和电感L8的互感值M68、以及电感L5和电感L8的互感值M58之和。

所述的功分器版图如图3所示。输入输出端口均采用标准50Ω匹配的“地-信号-地”结构。功分器芯片是对称的结构，保证两个输出端功率信号分配相同。此外版图的布局需要考虑到两个螺旋电感的间距，保证空间利用率和空间耦合达到平衡。最终功分器面积仅为0.3mm*0.25mm。

所述的功分器输入输出回波损耗的结果如图4所示。工作频率范围为6GHz～18GHz，其中S11为端口port1的输入回波损耗，S22为端口port2的输出回波损耗，从图像可以看出，输入回波损耗典型值在-17dB，输出回波损耗典型值在-20dB。

所述的功分器插损和隔离度的结果如图5所示。其中S12为端口port1到端口port2的传输损耗插入损耗在6GHz频率下值为-3.69dB，在18GHz频率下值为-3.84dB，在该频率范围内保持了很好的平坦度。S23为输出端口port2和输出端口port3的隔离度，在该频带范围内典型值为-20dB。

本发明提出的多抽头电感结构的功分器，适用于6GHz～18GHz射频输入超宽频率的高性能功分器的设计，可基于现有成熟的SiGe工艺平台，实现宽频带、高密度、低芯片面积的设计需求。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。