CN112290182B - 一种基于基片集成同轴线的双频功分器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于基片集成同轴线的双频功分器，其结构从上往下依次为第一金属层、第一介质层、第二金属层、第二介质层和第三金属层，从左到右依次分为第一微带部分、基片集成同轴线部分和第二微带部分；功分器采用T型结功分器，主体在基片集成同轴线部分，输入端是一段阻抗变换器，两个输出端的传输线通过两对平行耦合线相连，并设有四条并联的开路枝节线。本发明可以用多层PCB工艺实现，结构简单，成本低廉，易于集成。与相同结构的微带线相比，基片集成同轴线是一种具有屏蔽的结构，可以限制能量向外辐射，减小损耗，同时，避免相邻信号之间的串扰；与相同结构的基片集成波导相比，本发明以TEM为主模，没有色散，工作带宽大，体积小。

Description

一种基于基片集成同轴线的双频功分器

技术领域

本发明涉及微波毫米波无源器件，具体而言，涉及一种基于基片集成同轴线的双频功分器。

背景技术

随着无线通信技术的不断发展，通信系统对器件的要求也越来越高。如何在减小微波元件体积、质量和成本的同时，还要保持元件低损耗、高功率容量等优良特性，成为了研究人员的一个新的挑战。

在传统的微波电路中，功分器主要应用于单一频段，但是，随着科技的不断进步，通信频段变得越来越拥挤，可以在多个频段同时工作将成为未来的发展趋势。为了充分利用有限的频谱资源，功分器能在两个频段同时工作，是很有实际意义的。

功分器主要是在微带、同轴腔体等传输线结构中设计的。微带线功分器虽然具有质量体积小、易加工、成本低等特点，但其功率容量小、插损较大，也没有屏蔽装置。随着未来微波电路小型化的到来，在与其他电路集成时，微带线功分器有可能会与其他电路结构相互影响。同轴腔体功分器虽然功率容量大、损耗小，但是其结构尺寸较大，也很难和其他结构集成。基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide，SIW)技术是近十几年提出的一种集成于介质基片的具有低插入损耗、低辐射、高功率容量等特性的新的波导结，但是其具有截止波长，体积较大，也是一种色散结构，不适合在宽带范围内应用。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供一种基于基片集成同轴线的双频功分器，该双频功分器不仅带内插损小，两个通带之间具有增强的衰减特性，并且结构简单，易于加工，成本低廉，适用批量生产。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明所述的一种基于基片集成同轴线的双频功分器，包括从上往下依次设置的第一金属层、第一介质层、第二金属层、第二介质层和第三金属层，所述双频功分器从左到右依次分为第一微带部分、基片集成同轴线部分和第二微带部分；

所述第二金属层上设有第一微带线、第二微带线和第三微带线以及功分器结构，所述第一微带线在第一微带部分，第二微带线和第三微带线在第二微带部分，功分器结构在基片集成同轴线部分；

所述功分器结构采用T型结功分器，T型结功分器的第一输入端是一段阻抗变换器，由第一线段、第二线段和第三线段组成；T型结功分器第二输出端的传输线和第三输出端的传输线由第一平行耦合线和第二平行耦合线相连接；

在第二输出端的传输线和第三输出端的传输线的外侧，设有第一并联开路枝节线、第二并联开路枝节线、第三并联开路枝节线和第四并联开路枝节线；其中第一并联开路枝节线和第二并联开路枝节线平行设于第三输出端的传输线的外侧，第三并联开路枝节线和第四并联开路枝节线平行设于第二输出端的传输线的外侧，第一并联开路枝节线、第四并联开路枝节线和第一平行耦合线中的一条分支在同一直线上，第二并联开路枝节线、第三并联开路枝节线和第二平行耦合线中的一条分支在同一直线上；

所述第一平行耦合线和第二平行耦合线均包括两条平行的支线，两条支线中的一条支线与第二输出端的传输线相连，另一条支线与第三输出端的传输线相连；

在T型结功分器、两对平行耦合线段和四条并联开路枝节线的两侧各有一排屏蔽孔，屏蔽孔贯穿第一金属层至第三金属层。

进一步地，所述第一微带线作为基片集成同轴线双频功分器输入端的转接部分，第二微带线和第三微带线作为基片集成同轴线双频功分器输出端的转接部分。

进一步地，所述阻抗变换器的第一线段、第二线段、第三线段的特征阻抗分别为50欧姆、38.8欧姆、27.5欧姆，其中第二线段、第三线段的长度等于工作波长的四分之一。

进一步地，所述第一平行耦合线和第二平行耦合线的长度等于工作波长的一半。

进一步地，所述第一并联开路枝节线、第二并联开路枝节线、第三并联开路枝节线和第四并联开路枝节线的长度等于工作波长的四分之一。

进一步地，所述屏蔽孔内壁为金属，形状为圆柱形。

进一步地，通过改变平行耦合线的长度和并联开路枝节线的长度可以调节谐振频率，改变功分器的两个工作频段。

有益效果：与现有技术相比，本发明所公开的基于基片集成同轴线的双频功分器具有如下优点：

一、本发明可以基于多层PCB工艺实现，结构简单，加工方便，成本低廉，适合批量生产。

二、本发明能够同时在两个频段工作，改变平行耦合线和并联的开路枝节线的长度，可以调节谐振点，改变功分器的工作频段。

三、本发明通过利用四条并联的开路枝节线，使两个通带之间的衰减特性大大增强，双频传输特性明显。

四、本发明通过将T型结功分器中间由单根线段直接相连改为由平行耦合线连接，可以将开路枝节线的电尺寸缩小一半。

五、本发明与相同结构的微带线相比，具有屏蔽作用，可以抑制能量向外辐射以及抗干扰能力强。

六、本发明与相同结构的基片集成波导相比，本发明以TEM为主模，没有色散，工作带宽大，体积小。

附图说明

图1为本发明实施例的侧视图；

图2为本发明实施例中的第一金属层示意图；

图3为本发明实施例中的第二金属层示意图；

图4为本发明实施例中的第三层金属层示意图；

图5为本发明实施例中的基片集成同轴线的仿真色散曲线图；

图6为本发明实施例中的阻抗变换器的仿真频率相应图；

图7为本发明实施例的双频功分器的仿真频率相应图。

具体实施方式

为了体现本发明的创新性，下面将结合具体实施方式和附图对本发明的技术方案作进一步的介绍。

本发明实施例公开了一种基于基片集成同轴线的双频功分器，其结构如图1-4所示，包括从上往下依次设置的第一金属层11、第一介质层12、第二金属层13、第二介质层14、第三金属层15。如图1所示，第一介质层12较小，与第二介质层14层叠的地方，是本发明的基片集成同轴线部分21，本发明的主要传输结构位于这一部分，而第二介质层14比第一介质层多出的两个部分分别为第一微带部分22和第二微带部分23，这部分主要是作为输入输出端与基片集成同轴线的过渡。第二金属层13上设有的第一微带线31、第二微带线32和第三微带线33作为输入输出馈线，其特征阻抗设定为50Ohm，分别将输入输出端与基片集成同轴线连接起来。

功分器结构主体在基片集成同轴线部分21，本发明中功分器结构采用T型结功分器，T型结功分器的第一输入端是一段阻抗变换器，由第一线段41、第二线段42、第三线段43组成。T型结功分器第二输出端的传输线51和第三输出端的传输线52由第一平行耦合线61和第二平行耦合线62相连接，在第二输出端的传输线51和第三输出端的传输线52的外侧，设有第一并联开路枝节线71、第二并联开路枝节线72、第三并联开路枝节线73和第四并联开路枝节线74。其中第一并联开路枝节线71和第二并联开路枝节线72平行设于第三输出端的传输线52的外侧，第三并联开路枝节线73和第四并联开路枝节线74平行设于第二输出端的传输线51的外侧。第一平行耦合线61和第二平行耦合线62均包括两条平行的支线，两条支线中的一条支线与第二输出端的传输线51相连，另一条支线与第三输出端的传输线52相连。第一并联开路枝节线71、第四并联开路枝节线74和第一平行耦合线61中的一条分支在同一直线上，第二并联开路枝节线72、第三并联开路枝节线73和第二平行耦合线62中的一条分支在同一直线上。

另外，在基片集成同轴线部分21，所有的传输线(包括41、42、43、51、52、61、62、71、72、73和74)的两侧各有一排屏蔽孔8，屏蔽孔8贯穿第一金属层11至第三金属层15，可以限制能量的泄露，使本发明在工作频段内插入损耗较小，同时防止相邻信号的串扰。

双频功分器的两个工作频段的中心频率呈对称状态，故以两个工作频段中心频率的中间值作为中心频率，可以简化设计步骤。

下面将具体介绍下本发明的具体设计思路与尺寸：

因为基片集成同轴线与传统的同轴线传播模式相似，都以TEM模为主模，同时可以传播TE和TM模。TE和TM模作为高次模，会对本发明的结果有影响，而TE₁₀模作为基片集成同轴线结构的第一高次模，因此，只要限制TE₁₀模，就可以使本发明的结果不受高次模的影响。调节屏蔽孔的大小D、相邻两个屏蔽孔的间距S和两排屏蔽孔的距离A，可以改变TE₁₀模的截止频率。在第一介质层12和第二介质层14介质材料都为Rogers5880，高度都为0.508mm时，使D＝0.4mm，S＝0.8mm，A＝3mm，TE₁₀模的介质频率大于20GHz，如图5所示，远大于本发明的工作频率，不会对工作频段内的性能有影响。同时，在该尺寸下，从屏蔽孔的间隙泄露出去的能量可以限制在一个忽略不计的程度。所有的屏蔽孔内壁均金属化，形状为圆形。

在基片集成同轴线部分的第一输入端是一个阻抗变换器，该阻抗变换器是为了将输入端的50Ohm转换，在工作频段与25Ohm相匹配。第一段线段41的特征阻抗为50Ohm，第二段线段42为38.8Ohm，第三段线段43为27.5Ohm，第一段线段41的阻抗是为了第一微带线31与基片集成同轴线的过渡处阻抗相同，使过渡处的损耗尽可能小。第二段线段42和第三段线段43则是为了阻抗变换，其长度都为工作波长的四分之一，其频率响应如图6所示。

两对平行耦合线61和62需要保持高阻抗线的状态，都为0.1mm宽，其间隙也为0.1mm，以促使在工作频段内，能量损耗小，其长度为工作波长的二分之一。

在两对平行耦合线61和62的另一侧，各有一段并联开路枝节线71、72、73和74，调节并联开路枝节线71、72、73和74的长度，可以改变双频功分器的工作频段，改变并联开路枝节线71、72、73和74的阻抗，可以调节工作频段内的性能。为保证工作频段内的性能，将这些并联开路枝节线71、72、73和74的长度均设为工作波长的四分之一，宽度均为0.1mm。

使用三维仿真软件HFSS对双频功分器进行仿真，本发明的频率响应如图7所示。仿真中第一工作频段为7.05～8.56GHz，相对带宽为19.4％，带内S21与S31在3±0.5dB范围内，两端阻带最低均低于-40dB。第二工作频段为10.9～12.32GHz，相对带宽为12.2％，带内S21与S31在3±0.3dB范围内。

Claims (7)

1.一种基于基片集成同轴线的双频功分器，其特征在于，包括从上往下依次设置的第一金属层(11)、第一介质层(12)、第二金属层(13)、第二介质层(14)和第三金属层(15)，所述双频功分器从左到右依次分为第一微带部分(22)、基片集成同轴线部分(21)和第二微带部分(23)；第一介质层(12)较小，与第二介质层(14)层叠的地方是基片集成同轴线部分(21)；第二介质层(14)比第一介质层(12)多出的两个部分分别为第一微带部分(22)和第二微带部分(23)；

所述第二金属层(13)上设有第一微带线(31)、第二微带线(32)和第三微带线(33)以及功分器结构，所述第一微带线(31)在第一微带部分(22)，第二微带线(32)和第三微带线(33)在第二微带部分(23)，功分器结构在基片集成同轴线部分(21)；

所述功分器结构采用T型结功分器，T型结功分器的第一输入端是一段阻抗变换器，由第一线段(41)、第二线段(42)和第三线段(43)组成；T型结功分器第二输出端的传输线(51)和第三输出端的传输线(52)由第一平行耦合线(61)和第二平行耦合线(62)相连接；

在第二输出端的传输线(51)和第三输出端的传输线(52)的外侧，设有第一并联开路枝节线(71)、第二并联开路枝节线(72)、第三并联开路枝节线(73)和第四并联开路枝节线(74)；其中第一并联开路枝节线(71)和第二并联开路枝节线(72)平行设于第三输出端的传输线(52)的外侧，第三并联开路枝节线(73)和第四并联开路枝节线(74)平行设于第二输出端的传输线(51)的外侧，第一并联开路枝节线(71)、第四并联开路枝节线(74)和第一平行耦合线(61)中的一条分支在同一直线上，第二并联开路枝节线(72)、第三并联开路枝节线(73)和第二平行耦合线(62)中的一条分支在同一直线上；

所述第一平行耦合线(61)和第二平行耦合线(62)均包括两条平行的支线，两条支线中的一条支线与第二输出端的传输线(51)相连，另一条支线与第三输出端的传输线(52)相连；

在T型结功分器、两对平行耦合线段和四条并联开路枝节线的两侧各有一排屏蔽孔(8)，屏蔽孔(8)贯穿第一金属层(11)至第三金属层(15)。

2.根据权利要求1所述的基于基片集成同轴线的双频功分器，所述第一微带线(31)作为基片集成同轴线双频功分器输入端的转接部分，第二微带线(32)和第三微带线(33)作为基片集成同轴线双频功分器输出端的转接部分。

3.根据权利要求1所述的基于基片集成同轴线的双频功分器，其特征在于，所述阻抗变换器的第一线段(41)、第二线段(42)、第三线段(43)的特征阻抗分别为50欧姆、38.8欧姆、27.5欧姆，其中第二线段(42)、第三线段(43)的长度等于工作波长的四分之一。

4.根据权利要求1所述的基于基片集成同轴线的双频功分器，其特征在于，所述第一平行耦合线(61)和第二平行耦合线(62)的长度等于工作波长的一半。

5.根据权利要求1所述的基于基片集成同轴线的双频功分器，其特征在于，所述第一并联开路枝节线(71)、第二并联开路枝节线(72)、第三并联开路枝节线(73)和第四并联开路枝节线(74)的长度等于工作波长的四分之一。

6.根据权利要求1所述的基于基片集成同轴线的双频功分器，其特征在于，所述屏蔽孔(8)内壁为金属，形状为圆柱形。

7.根据权利要求1所述的基于基片集成同轴线的双频功分器，其特征在于，通过改变平行耦合线的长度和并联开路枝节线的长度可以调节谐振频率，改变功分器的两个工作频段。

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