CN110085959B - 基于h型缺陷地人工传输线的小型化谐波抑制等分功分器 - Google Patents
基于h型缺陷地人工传输线的小型化谐波抑制等分功分器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种基于H型缺陷地人工传输线的小型化谐波抑制等分功分器，属于射频微波电路领域。该功分器包括有一个介质基板；介质基板的一个表面上设有金属微带，包括两段H型缺陷地人工传输线的金属微带表面部分、信号输入端口微带线、信号第一和第二输出端口微带线和一个贴片隔离电阻；每段H型缺陷地人工传输线呈左右对称结构，包括有两段折叠细传输线、两段竖直短细传输线、两段水平细传输线、两段短矩形开路支节、两段竖直长细传输线、一段水平粗传输线和两个长矩形开路支节和金属接地板上蚀刻的一个H型缺陷地结构。本发明较传统功分器尺寸明显减小，对于谐波形成较宽的阻带，具有良好的谐波抑制能力。
Description
技术领域
本发明属于射频微波电路领域，具体涉及应用于射频电路中的具有谐波抑制功能的微带小型化等分威尔金森功分器。
背景技术
威尔金森功分器是一种常见的功分器，用于将输入信号根据不同比例分成两路或多路信号同相输出。由于其具有较好的隔离度和较为简单的结构，因此被广泛应用于射频微波电路中，如多天线阵列的馈电系统，功率放大器电路。传统二等分威尔金森功分器主要由两根四分之一波长微带传输线与一个100Ω贴片隔离电阻组成，由于四分之一波长微带传输线受到导波波长的限制，导致功分器往往具有较大的尺寸，当功分器工作于低频段时尺寸过大的缺点尤为明显，已经远远不能满足射频通信系统对于电路小型化的需求。
此外，随着射频电路越来越集成化，功分器的谐波信号对有用信号的干扰问题日益凸显。为了抑制谐波，提高通信息系统的信噪比，可以采用在射频电路中增加滤波器的方式，但会使射频电路整体尺寸进一步增大，非常不利于射频通信系统的小型化。因此，具有谐波抑制功能的射频器件对射频通信系统的小型化有着积极的意义。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于H型缺陷地人工传输线的微带小型化谐波抑制等分功分器，解决现有技术中威尔金森功分器尺寸过大和不具备谐波抑制功能的问题。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于H型缺陷地人工传输线的小型化谐波抑制等分功分器，包括有一个介质基板(1)；所述介质基板(1)的一个表面上设有金属微带，另一个表面上设有金属接地板；所述金属微带包括：两段H型缺陷地人工传输线的金属微带表面部分、信号输入端口微带线(2)、信号第一输出端口微带线(3)、信号第二输出端口微带线(4)和一个贴片隔离电阻(12)；每段H型缺陷地人工传输线呈左右对称结构，包括：两段折叠细传输线(5)、两段竖直短细传输线(6)、两段水平细传输线(7)、两段短矩形开路支节(8)、两段竖直长细传输线(9)、一段水平粗传输线(10)、两个长矩形开路支节(11)和金属接地板上蚀刻的一个H型缺陷地结构(13)；(即每段H型人工传输线只包括一个H型缺陷地结构，由于有两段H型人工传输线，所以总共是有两个H型缺陷地结构。)
每段竖直短细传输线(6)的一端与一段折叠形细传输线(5)的一端相连，另一端通过一段水平细传输线(7)与一段短矩形开路支节(8)相连；每段竖直长细传输线(9)的一端与一段竖直短细传输线(6)的一端相连，另一端通过水平粗传输线(10)的一边与一个长矩形开路支节(11)相连；两个长矩形开路支节(11)通过一段水平粗传输线10相连；
信号输入端口微带线(2)通过两段H型缺陷地人工传输线分别与信号第一输出端口微带线(3)和信号第二输出端口微带线(4)相连；所述贴片隔离电阻(12)的一端连接于一段折叠细传输线(5)和信号第一输出端口微带线(3)的连接处，另一端连接于另一段折叠细传输线(5)和信号第二输出端口微带线(4)的连接处；
信号输入端口微带线(2)用于射频信号的输入，信号第一输出端口微带线(3)和信号第二输出端口微带线(4)用于输出等分后的射频信号；贴片隔离电阻(12)用于隔离信号第一输出端口微带线(3)与信号第二输出端口微带线(4)之间的信号传输，防止由于两信号输出微带线与外部端口阻抗不匹配造成的反射信号在两信号输出端口之间的串扰。
进一步，在信号第一输出端口微带线(3)和信号第二输出端口微带线(4)的一侧有45°切角，信号输入端口微带线(2)与两段折叠细传输线(5)的连接处有两个45°切角。
进一步，每一段H型缺陷地人工传输线等效为一段四分之一波长传输线，具有等效的70.7Ω特性阻抗和90°相移；信号输入端口微带线(2)、信号第一输出端口微带线(3)和信号第二输出端口微带线(4)的特性阻抗均为50Ω；贴片隔离电阻(12)的阻值为100Ω。
进一步，所述功分器的尺寸由介质基板介电常数和介质基板厚度决定。
本发明的有益效果在于：本发明使用H型缺陷地人工传输线来替代传统四分之一波长传输线，实现了功分器尺寸的缩减，仅为传统功分器尺寸的42％。同时，在人工传输线设计中采用H型缺陷地结构，使得功分器具有一个很宽的谐波抑制频带，具有良好的谐波抑制效果。本发明功分器不仅可应用于小型化射频电路中，还可以提高通信系统的信噪比。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明所述功分器的正面金属微带结构示意图。
图2为本发明所述功分器的背面金属地结构示意图。
图3为一段H型缺陷地人工传输线的正面金属微带电路结构示意图。
图4为一段H型缺陷地人工传输线的背面金属地结构示意图。
图5为一段H型缺陷地人工传输线的正面金属微带电路的等效电路图。
图6为一段H型缺陷地人工传输线的背面H型缺陷地结构的等效电路图。
图7为本发明所述功分器的具体实施例样品结构尺寸图。
图8为传统等分威尔金森功分器结构示意图。
图9为H型缺陷地人工传输线的S参数与70.7Ω微带传输线的S参数对比图。
图10为本发明所述功分器的具体实施例样品的仿真S参数曲线图。
图11为本发明所述功分器的具体实施例样品的两个输出端的信号幅度差和相位差的仿真曲线图。
图12为传统等分威尔金森功分器的S参数仿真图。
附图标记：1-介质基板，2-信号输入端口微带线，3-信号第一输出端口微带线，4-信号第二输出端口微带线，5-折叠细传输线，6-竖直短细传输线，7-水平细传输线，8-短矩形开路支节，9-竖直长细传输线，10-水平粗传输线，11-长矩形开路支节，12-贴片隔离电阻，13-H型缺陷地结构。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
请参阅图1～12，图1为一种基于H型缺陷地人工传输线的小型化谐波抑制等分功分器，包括有一个介质基板1；介质基板1的一个表面上设有金属微带，另一个表面上设有金属接地板；所述金属微带包括：两段H型缺陷地人工传输线的金属微带表面部分、信号输入端口微带线2、信号第一输出端口微带线3、信号第二输出端口微带线4和一个贴片隔离电阻12；一段H型缺陷地人工传输线的正面和背面分别如图3和图4所示，每段H型缺陷地人工传输线呈左右对称结构，包括：两段折叠细传输线5、两段竖直短细传输线6、两段水平细传输线7、两段短矩形开路支节8、两段竖直长细传输线9、一段水平粗传输线10和两个长矩形开路支节11、如图2所示的金属接地板上蚀刻的一个H型缺陷地结构13。
每段竖直短细传输线6的一端与一段折叠形细传输线5的一端相连，另一端通过一段水平细传输线7与一段短矩形开路支节8相连；每段竖直长细传输线9的一端与一段竖直短细传输线6的一端相连，另一端通过水平粗传输线10的一边与一个长矩形开路支节11相连；两个长矩形开路支节11通过一段水平粗传输线10相连。信号输入端口微带线2通过两段H型缺陷地人工传输线分别与信号第一输出端口微带线3和信号第二输出端口微带线4相连；所述贴片隔离电阻12的一端连接于一段折叠细传输线5和信号第一输出端口微带线3的连接处，另一端连接于另一段折叠细传输线5和信号第二输出端口微带线4的连接处。
信号输入端口微带线2用于射频信号的输入，信号第一输出端口微带线3和信号第二输出端口微带线4用于输出等分后的射频信号；贴片隔离电阻12用于隔离信号第一输出端口微带线3与信号第二输出端口微带线4之间的信号传输，防止由于两信号输出微带线与外部端口阻抗不匹配造成的反射信号在两信号输出端口之间的串扰。
每一段H型缺陷地人工传输线等效为一段四分之一波长传输线，具有等效的70.7Ω特性阻抗和90°相移。功分器的信号输入端口微带线2，信号第一输出端口微带线3和信号第二输出端口微带线4的特性阻抗均为50Ω。贴片隔离电阻阻值为100Ω。
每一段H型缺陷地人工传输线的金属微带表面等效电路图如图5所示，一段折叠细传输线5可以等效为一个串联电感Ls1和两个对地并联电容Cs1和Cs2；一段竖直短细传输线6可以等效为串联电感Ls2；一段水平细传输线7可以等效为串联电感Ls3，短矩形开路支节8可以等效为对地电容Cs3，竖直长细传输线9等效为串联电感Ls4，水平粗传输线10可以等效为三个串联的电感，包括两个Ls5和一个Ls6。长矩形开路枝节11可以等效为对地并联电容Cs4。在两段竖直长细传输线9之间的电容耦合作用，和两段竖直短细传输线6之间的电容耦合作用，可以分别等效为串联电容Cp1和Cp2。对于介质基板1另一个表面的H型缺陷地结构13，其作用相当于提供了一个并联LC谐振电路，其等效电路如图6所示，因此每一个H型缺陷地结构13可以等效为电感Ldg与电容Cdg的并联。
由对地并联电容Cs3和串联电感Ls3的串联谐振电路可等效为一个电容Css3，由对地并联电容Cs4和串联电感Ls5的串联谐振电路可等效为一个电容Css4。Css3和Css4可分别计算为
上式中ω为工作频点所对应的角频率。
则每段H型缺陷地人工传输线的总的串联电感Lt可计算为：
Lt＝2Ls1+2Ls2+2Ls4+Ls6
总的并联电容Ct可以计算为：
Ct＝2Cs1+2Cs2+2Css3+2Css4
整个人工传输线的特性阻抗计算为：
每段人工传输线的相移可计算为：
由于该人工传输线的主传输线为两段折叠细传输线5、两段竖直短细传输线6、两段竖直长细传输线9和水平粗传输线10构成，与70.7Ω微带传输线相比均具有更小的线宽，因此具有更大的串联电感，而加载于主传输线上的短矩形开路支节8和长矩形开路支节11提供了对地并联电容，因此该H型缺陷地人工传输线每单位长度可获得较传统均匀传输线更大的总电感Lt和总电容Ct，在实现相同特性阻抗与电长度的情况下，其尺寸更为紧凑。
此外，该人工传输线在实现紧凑尺寸的同时具有良好的谐波抑制效果。由于采用短矩形开路枝节8与水平细传输线7级联，长矩形开路支节11与水平粗传输线10级联，形成并联支路上的LC串联谐振电路，能够在传输线的通带外引入传输零点，因此该传输线获得了对通带外谐波信号的抑制效果。其次，由于蚀刻在金属接地板上的H型缺陷地结构具有带阻特性，其等效电路相当于一个LC并联电路，可以在传输线通带外引入一个新的传输零点，在不增加传输线电路尺寸的情况下用于改善阻带性能，使得该传输线获得了更好的谐波抑制性能。
实施例：
本实施例样品为工作频率0.9GHz的基于H型缺陷地人工传输线的小型化谐波抑制等分功分器。该实施例样品的微带电路蚀刻在聚四氟乙烯介质基板的一面上，H型缺陷地蚀刻在该介质基板另一面的接地面上。该介质基板相对介电常数为εr＝2.65，基片厚度为1mm。该实施例样品中所用的隔离电阻为型号为0805的贴片电阻，阻抗值为100Ω，此贴片电阻尺寸为2.0mm×1.2mm。
本实施例样品功分器的电路尺寸为17.7mm×33.1mm。即0.78λg×0.15λg，λg为工作频率0.9GHz处所对应的介质基板上的导波波长，如图7所示。如图8所示，在与实施例样品采用同样的介质基板，同样中心工作频率的情况下，传统威尔金森功分器尺寸为46.5mm×30.0mm，可见该实施例样品的尺寸仅为图8中传统威尔金森功分器的42％。
本发明实施例样品基于H型缺陷地人工传输线的小型化谐波抑制等分功分器的尺寸标注如图7所示，图中所标注尺寸的具体值如表1所示：
表1实施例样品标注尺寸实际值(单位：mm)
与传统70.7Ω均匀微带传输线比较，H型缺陷地人工传输线对通带外的谐波信号具有明显的抑制效果，如图9所示。
利用电磁仿真软件Zeland IE3D对该发明实施例样品基于H型缺陷地人工传输线的小型化谐波抑制等分功分器进行仿真，所得到的仿真S参数如图10所示。|S11|为信号输入端反射系数的模值。|S21|和|S31|为信号从功分器端口1分别到端口2和端口3的传输系数的模值。|S32|为信号从端口2到端口3的传输系数的模值。
仿真结果显示该实施例样品的工作频点为0.9GHz。当|S11|小于-10dB时，该实施例样品带宽范围为从0.23GHz到1.13GHz，具有100％的相对带宽。在工作频点0.9GHz处，其|S11|为-27.5dB，显示了该实施例样品的信号输入端口具有良好的阻抗匹配。在该频点处的|S21|和|S31|均为-3.2dB，说明信号在工作频点处损耗很低且实现了良好的等分效果。此外，在工作带宽范围内，该实施例样品的|S21|和|S31|均大于-3.6dB，说明该实施例样品在整个带宽范围内均可实现良好的信号等分效果，且保持低损耗的特性。而在2.2GHz-10.2GHz的频带范围内，该实施例样品的|S21|和|S31|均小于-20dB，可见该实施例样品对谐波信号产生了一个很宽的阻带范围，阻止了高次谐波信号在该频带内进入通信系统，有利于提高通信系统的信噪比。该实施例样品展现了良好的谐波抑制效果，这是传统威尔金森功分器所不具备的性能。
该实施例样品的两信号输出端口2与端口3输出信号的幅度差与相位差如图11所示。该图显示在带宽0.2GHz-1.3GHz范围内，信号输出端口3与信号输出端口2的输出信号幅度差小于0.005dB，两输出信号相位差小于0.05°，说明该实施例样品在工作带宽范围内较好地实现了信号的等幅同相输出。
图12为同样工作于0.9GHz工作频率的传统功分器的S参数仿真图。由图12可知，传统功分器在带宽范围外还存在多个周期性谐波通带，谐波信号可以通过这些通带进入到通信系统当中。
结合附图和分析可知，本发明基于H型缺陷地人工传输线的小型化谐波抑制等分功分器不仅实现了明显的尺寸小型化效果，其尺寸只有传统尺寸的42％，还实现了极宽的谐波阻带范围，展现了良好的谐波抑制效果。本发明功分器不仅可应用于小型化射频电路中，还可以提高通信系统的信噪比。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (3)
1.一种基于H型缺陷地人工传输线的小型化谐波抑制等分功分器，其特征在于，该功分器包括有一个介质基板（1）；所述介质基板（1）的一个表面上设有金属微带和贴片隔离电阻（12），另一个表面上设有金属接地板；所述金属微带包括：两段H型缺陷地人工传输线的金属微带表面部分、信号输入端口微带线（2）、信号第一输出端口微带线（3）和信号第二输出端口微带线（4）；H型缺陷地人工传输线呈左右对称结构，包括：H型缺陷地人工传输线的金属微带表面部分和在金属接地板上蚀刻的一个H型缺陷地结构（13）；每段H型缺陷地人工传输线的金属微带表面部分包括：两段折叠细传输线（5）、两段竖直短细传输线（6）、两段水平细传输线（7）、两段短矩形开路支节（8）、两段竖直长细传输线（9）、一段水平粗传输线（10）和两个长矩形开路支节（11）；
每段竖直短细传输线（6）的一端与一段折叠细传输线（5）的一端相连，另一端通过一段水平细传输线（7）与一段短矩形开路支节（8）相连；每段竖直长细传输线（9）的一端与一段竖直短细传输线（6）的另一端相连，另一端通过水平粗传输线（10）的一边与一个长矩形开路支节（11）相连；两个长矩形开路支节（11）通过一段水平粗传输线（10）相连；
信号输入端口微带线（2）通过两段H型缺陷地人工传输线分别与信号第一输出端口微带线（3）和信号第二输出端口微带线（4）相连；所述贴片隔离电阻（12）的一端连接于一段折叠细传输线（5）和信号第一输出端口微带线（3）的连接处，另一端连接于另一段折叠细传输线（5）和信号第二输出端口微带线（4）的连接处；
信号输入端口微带线（2）用于射频信号的输入，信号第一输出端口微带线（3）和信号第二输出端口微带线（4）用于输出等分后的射频信号；贴片隔离电阻（12）用于隔离信号第一输出端口微带线（3）与信号第二输出端口微带线（4）之间的信号传输，防止由于两信号输出微带线与外部端口阻抗不匹配造成的反射信号在两信号输出端口之间的串扰；
在信号第一输出端口微带线（3）和信号第二输出端口微带线（4）的一侧有45°切角，信号输入端口微带线（2）与两段折叠细传输线（5）的连接处有两个45°切角。
2.根据权利要求1所述的基于H型缺陷地人工传输线的小型化谐波抑制等分功分器，其特征在于，每一段H型缺陷地人工传输线等效为一段四分之一波长传输线，具有等效的70.7Ω特性阻抗和90˚相移；信号输入端口微带线（2）、信号第一输出端口微带线（3）和信号第二输出端口微带线（4）的特性阻抗均为50 Ω；贴片隔离电阻（12）的阻值为100 Ω。
3.根据权利要求1~2中任意一项所述的基于H型缺陷地人工传输线的小型化谐波抑制等分功分器，其特征在于，所述功分器的尺寸由介质基板介电常数和介质基板厚度决定。
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