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一种基于Marchand分支巴伦的小型化宽带四路异相功率分配器及其应用方法

阅读：203发布：2020-05-12

专利汇可以提供一种基于Marchand分支巴伦的小型化宽带四路异相功率分配器及其应用方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供了一种基于Marchand分支巴伦的小型化宽带四路异相功率分配器及其应用方法，包括微带介质基板、一条输入微带线端口、四条输出微带线端口、四条短路耦合微带线、高阻抗阻性负载微带线、隔离电阻和两个矩形环槽；介质基板长度为L1，宽度为W1，且关于输入微带线中心对称；输出耦合微带线位于输入耦合线两侧，且输出耦合微带线间平行，通过在耦合平行微带线(MLs)下面对矩形环槽的刻蚀，提高了耦合性能和工作带宽。采用气桥电阻隔离电路，优化了输出匹配阻抗和隔离度。在此基础上，将偶模型和奇模型等效电路方法应用于该功率分配器。经实测验证，此设计与仿真结果吻合很好。实测结果显示，在中心频率为3.4 GHz下,15 dB输入回波损耗带宽>59.6%，输出隔离度>15dB。，下面是一种基于Marchand分支巴伦的小型化宽带四路异相功率分配器及其应用方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于Marchand分支巴伦的小型化宽带四路异相功率分配器，包括微带介质基板、一条输入微带线端口、四条输出微带线端口、四条短路耦合微带线、高阻抗阻性负载微带线、隔离电阻和两个矩形环槽；介质基板长度为L1，宽度为W1，且关于输入微带线中心对称；其特征在于：输出耦合微带线位于输入耦合线两侧，且输出耦合微带线间平行；高阻抗阻性负载微带线的中间的隔离电阻作为负载设置一分流高阻抗线，分流高阻抗线位于介质基板中部；一气桥式电阻设置于输出耦合微带线同相输出端口的连接处；矩形设置于介质基板地金属层。
2.根据权利要求1所述一种基于MARCHAND分支巴伦的小型化宽带四路异相功率分配器，其特征在于：微带线Marchand分支巴伦通过平行微带线(MLs)之间的耦合实现功率分配功能。
3.根据权利要求1所述一种基于MARCHAND分支巴伦的小型化宽带四路异相功率分配器，其特征在于：耦合平行微带线(MLs)下面的蚀刻矩形环槽提高了耦合性能和工作带宽。
4.根据权利要求1所述一种基于MARCHAND分支巴伦的小型化宽带四路异相功率分配器，其特征在于：气桥电阻隔离电路优化了输出匹配阻抗和隔离度。
5.根据权利要求2所述一种基于MARCHAND分支巴伦的小型化宽带四路异相功率分配器，其特征在于：射频信号从输入微带线输入后，射频功率将传输到微带线Marchand分支巴伦，通过在Marchand分支巴伦内部相邻微带线之间的耦合，信号被分为分配到4个输出端口。
6.根据权利要求3所述一种基于MARCHAND分支巴伦的小型化宽带四路异相功率分配器，其特征在于：矩形环槽位于耦合微带线下方的接地金属层上。
7.根据权利要求4所述一种基于MARCHAND分支巴伦的小型化宽带四路异相功率分配器，其特征在于：气桥电阻设置于输出耦合微带线同相输出端口的连接处。
8.一种基于MARCHAND分支巴伦的小型化宽带四路异相功率分配器的应用方法，其特征在于：宽带四路功率分配器设计结构，由一条输入微带线端口，四条输出微带线端口，四条短路耦合微带线，两个实现异相功率分配隔离的高阻抗阻性负载微带线，两个实现同向功率分配隔离的隔离电阻和位于接地金属层上的两个矩形环槽；功率分配器以长度为L1，宽度为W1的输入微带线中心对称；输出耦合微带线在输入耦合线两侧平行，距离输入耦合线间隙为g0；一条从输出耦合微带线扩展出来的长度为λg/2分流高阻抗线，它是由在高阻抗线的中间的隔离电阻R1作为负载；气桥式电阻R2在输出耦合微带线同相输出端口的连接处；位于接地金属层的矩形环槽；
功率分配器的对称性，使其具有良好的鲁棒性，可采用偶-偶、偶-奇、奇-奇模型分析方法；对于偶模型激励，对称面是理想磁场，隔离电阻R1中有电流；在奇模型激励条件下，对称平面是理想的电场，隔离电阻R1中没有电流；
在中心频率选择θ＝π/2，相应的偶-偶模型中Zin,ee1、Zin,ee2的输入阻抗为：
Zp＝(Z0e+Z0o)/Z0eZ0o′
偶-奇模型中对应的Zin,eo1、Zin,eo2的输入阻抗为：
Zin，eo2＝Zin，eo1/Z∞＝Zin，eo1 (4)
Zq＝Z0eZ0o/(Z0e-Z0o)
同样地，当施加奇模型激励时，对应的输入阻抗Zin,oo1,Zin,oo2为：
Zin，oo2＝Zin，oo1//Z∞＝Zin，oo1 (6)
为了获得良好的输出匹配阻抗，Zin,eo1和Zin,eo2需要满足Zin,eo1＝Zin,eo2，可以计算出R1和R2的值。
9.根据权利要求1所述一种基于MARCHAND分支巴伦的小型化宽带四路异相功率分配器，其特征在于：介质基板的介电常数为3.5，厚度0.508毫米，尺寸是19.6×27.2平方毫米(0.37×0.5λg2)，λg指中心频率3.4GHz，四个隔离电阻全部是SMT-0603封装，R1＝100Ω,R2＝110Ω。

说明书全文

一种基于Marchand分支巴伦的小型化宽带四路异相功率分配

器及其应用方法

技术领域

[0001] 本发明涉及宽带领域，尤其涉及一种基于Marchand分支巴伦的小型化宽带四路异相功率分配器。

背景技术

[0002] 在无线通信系统飞速发展的今天中，对无源微波电路的宽带性能要求越来越高。功率分配器是其中的关键无源器件之一，它广泛应用于相阵雷达，多路中继通信等微波系统。近年来基于不同波导的功率分配器被提出并研究，不仅提出了矩形波导和同轴波导功率分配器，还提出了具有带宽宽的环形腔功率分配器。然而，波导功率分配器体积较大，不适合某些特殊应用场合。基于微带线(MLs)的平面功率分配器以其成本低、结构紧凑等优点得到了广泛的应用，平面功率分配器的主要类型是威尔金森功率分配器。威尔金森功率分配器具有分流短棒和均匀特性阻抗结构，可以避免薄道和高阻抗，并通过分流短棒的长度控制输出分配比，而任意的输出分配比都可以用重组，通过对双频阻抗变换器，不同的特性阻抗和分流短棒的优化，实现任意双频功能。多层微带槽线耦合结构可以满足超宽带功率分配器的需求。从理论上和实验上讨论了有缺陷的地面结构技术，其可以减小巴格利多边形功率分配器的尺寸。这样相比较传统的巴格利多边形，面积更小。通过由四个螺旋谐振器和源负载耦合结构，实现一个结构尺寸紧凑的同相功率分配器。一些最先进的功率分配器，如不同频率分配的功率分配器、不同功率分配的功率分配器等，它们在多种集成功能和不规则传输线技术方面展示出了不同性能表现，异相功率分配器可用于多种平衡电路中，如乘法器、推挽放大器和平衡混频器，为了实现异相特性，近年来提出了采用平衡输电线路的方法。

[0003] 集成了多层衬底波导的四路异相功率分配器，集成基片波导和半模集成基片波导已被用来获得异相/同相功率分配性能上。然而，其插入损失(IL)很大。

发明内容

[0004] 本发明提出了一种基于MARCHAND分支巴伦的小型化宽带四路异相功率分配器，解决了集成基片波导和半模集成基片波导在异相/同相功率分配上，插入损失(IL)很大问题。

[0005] 为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

[0006] 一种基于Marchand分支巴伦的小型化宽带四路异相功率分配器，包括微带介质基板、一条输入微带线端口、四条输出微带线端口、四条短路耦合微带线、高阻抗阻性负载微带线、隔离电阻和两个矩形环槽；介质基板长度为L1，宽度为W1，且关于输入微带线中心对称；输出耦合微带线位于输入耦合线两侧，且输出耦合微带线间平行，输出耦合微带线距离输入耦合线间隙为g0；高阻抗阻性负载微带线的中间的隔离电阻R1作为负载设置一分流高阻抗线，分流高阻抗线位于介质基板中部，分流高阻抗线的长度为λg/2(λg是微带线上的中心工作频率处的波长)；一气桥式电阻R2设置于输出耦合微带线同相输出端口(如端口2和端口4)的连接处；矩形环槽设置于介质基板接地金属层。

[0007] 图1所示为所提出的宽带四路功率分配器设计结构，由一条输入微带线端口，四条输出微带线端口，四条短路耦合微带线，两个实现异相功率分配隔离的高阻抗阻性负载微带线，两个实现同向功率分配隔离的隔离电阻和位于接地金属层上的两个矩形环槽。功率分配器以长度为L1，宽度为W1的输入微带线中心对称。输出耦合微带线在输入耦合线两侧平行，距离输入耦合线间隙为g0。为了进一步提高异相输出端口(如端口2和端口3)之间的隔离度，一条从输出耦合微带线扩展出来的长度为λg/2(λg是微带线上的中心工作频率处的波长)分流高阻抗线，它是由在高阻抗线的中间的隔离电阻R1作为负载。气桥式电阻R2在输出耦合微带线同相输出端口(如端口2和端口4) 的连接处，起到提高隔离性能。位于接地金属层的矩形环槽，如图2 所示，提高了工作带宽。

[0008] 功率分配器的电路模型如图3所示。由于所提出的功率分配器的对称性，使其具有良好的鲁棒性，可采用偶-偶、偶-奇、奇-奇模型分析方法。图4、5、6为图2电路的偶-偶、偶-奇和奇-奇模型等效电路。对于偶模型激励，对称面是理想磁场，隔离电阻R1中有电流。偶-偶模型和偶-奇模型等效电路如图4和5所示。在奇模型激励条件下，对称平面是理想的电场，隔离电阻R1中没有电流，奇-奇模等效电路如图6所示。

[0009] 在中心频率选择θ＝π/2，相应的图4中Zin,ee1、Zin,ee2的输入阻抗为：

[0010]

[0011]

[0012] Zp＝(Z0e+Z0o)/Z0eZ0o.

[0013] 图5中对应的Zin，eo1、Zin，eo2的输入阻抗为：

[0014]

[0015] Zin，eo2＝Zin，eo1//Z∞＝Zin，eo1 (4)

[0016] Zq＝Z0eZ0o/(Z0e-Z0o)

[0017] 同样地，当施加奇模型激励时，对应的输入阻抗Zin，oo1，Zin，oo2 为：

[0018]

[0019] Zin，oo2＝Zin，oo1//Z∞＝Zin，oo1 (6)

[0020] 为了获得良好的输出匹配阻抗，Zin，eo1和Zin，eo2需要满足 Zin，eo1＝Zin，eo2，可以计算出R1和R2的值。图13显示了奇模型等效电路的三种不同分数带宽(FBWs)的耦合情况。

[0021] 通过商业软件高频优化结构模拟器对提出的宽带异相功率分配器进行了仿真和优化。最后的尺寸和参数在图14中。功率分配器是在两层印刷电路板上制作的，泰康尼克RF-35板材，介电常数为3.5，厚度0.508毫米。图7、8所示为制造的功率分配器图片。电路尺寸(不包括输入和输出微带线)是19.6×27.2平方毫米(0.37×0.5λg2)，λg指中心频率3.4GHz。四个隔离电阻全部是SMT-0603封装，R1＝ 100Ω,R2＝110Ω。

[0022] 本发明提出的功率分配器的仿真和实测结果如图9-12，如图9所示，仿真的结果看，从超过2.3到4.4GHz范围带宽，输入回波损耗 (RL)>15dB，插入损耗(IL)<0.28dB。15dB输入回波损耗带宽(以 3.38GHz为中心)为59.6％。插入损耗约0.5dB(不包括6db的分配损耗)包括SMA到微带传输线和SMA接头之间的损耗。此外,在工作带宽范围内测量的不平衡振幅(AI)小于0.14dB，实验结果与仿真结果吻合较好。输出回波损耗RL如图10所示。从1.88到4.38GHz输出回波损耗RL>12.4dB。图11所示模拟与实测结果的输出隔离度。在 2.0-5.0GHz频率范围内模拟隔离度大于15db，其中|S24|和|S35| 主要由气桥式隔离电阻决定。图12显示了测量的相位，可以看到良好的异相性能。此外，图15显示了本发明提出的功率分配器和其他功率分配器的比较。

[0023] 相对于现有技术的有益效果：

[0024] 1、本发明中提出并实现了一种小型化的宽带四路异相功率分配器。提出的功率分配器是基于微带线Marchand分支巴伦，通过平行微带线(MLs)之间的耦合实现功率分配功能。

[0025] 2、通过在耦合平行微带线(MLs)下面对矩形环槽的刻蚀，提高了耦合性能和工作带宽。

[0026] 3、采用气桥电阻隔离电路，优化了输出匹配阻抗和隔离度。

[0027] 4、在1、2和3基础上，将偶模型和奇模型等效电路方法应用于该功率分配器。经实测验证，此设计与仿真结果吻合很好。实测结果显示，在中心频率为3.4GHz下,15dB输入回波损耗带宽>59.6％，输出隔离度>15dB。附图说明

[0028] 图1为功率分配器上视结构示意图；

[0029] 图2为功率分配器下视结构示意图；

[0030] 图3为功率分配器电路模型示意图；

[0031] 图4为功率分配器等效电路偶-偶模型示意图；

[0032] 图5为功率分配器等效电路偶-奇模型示意图；

[0033] 图6为功率分配器等效电路奇-奇模型示意图；

[0034] 图7为功率分配器照片上视图；

[0035] 图8为功率分配器照片下视图；

[0036] 图9为功率分配器输入回波损耗RL和插损IL的仿真与实测结果对比图；

[0037] 图10为功率分配器输出回波损耗RL的仿真与实测结果对比图；

[0038] 图11为功率分配器隔离度的仿真与实测结果对比图；

[0039] 图12为功率分配器相位和振幅不平衡度的仿真与实测结果对比图；

[0040] 图13为不同带宽下的耦合参数；

[0041] 图14为功率分配器的尺寸；

[0042] 图15为本设计功率分配器与其他功率分配器的比较。

具体实施方式

[0043] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

[0044] 实施例1，参照附图1-8，一种基于Marchand分支巴伦的小型化宽带四路异相功率分配器，包括微带介质基板、一条输入微带线端口、四条输出微带线端口、四条短路耦合微带线、高阻抗阻性负载微带线、隔离电阻和两个矩形环槽；介质基板长度为L1，宽度为W1，且关于输入微带线中心对称；输出耦合微带线位于输入耦合线两侧，且输出耦合微带线间平行，输出耦合微带线距离输入耦合线间隙为 g0；高阻抗阻性负载微带线的中间的隔离电阻R1作为负载设置一分流高阻抗线，分流高阻抗线位于介质基板中部，分流高阻抗线的长度为λg/2(λg是微带线上的中心工作频率处的波长)；一气桥式电阻R2设置于输出耦合微带线同相输出端口(如端口2和端口4)的连接处；矩形环槽设置于介质基板接地金属层。

[0045] 实施例2，本发明的应用方法为：图1所示为所提出的宽带四路功率分配器设计结构，由一条输入微带线端口，四条输出微带线端口，四条短路耦合微带线，两个实现异相功率分配隔离的高阻抗阻性负载微带线，两个实现同向功率分配隔离的隔离电阻和位于接地金属层上的两个矩形环槽。功率分配器以长度为L1，宽度为W1的输入微带线中心对称。输出耦合微带线在输入耦合线两侧平行，距离输入耦合线间隙为g0。为了进一步提高异相输出端口(如端口2和端口3)之间的隔离度，一条从输出耦合微带线扩展出来的长度为λg/2(λg是微带线上的中心工作频率处的波长)分流高阻抗线，它是由在高阻抗线的中间的隔离电阻R1作为负载。气桥式电阻R2在输出耦合微带线同相输出端口(如端口2和端口4)的连接处，起到提高隔离性能。位于接地金属层的矩形环槽，如图2所示，提高了工作带宽。

[0046] 功率分配器的电路模型如图3所示。由于所提出的功率分配器的对称性，使其具有良好的鲁棒性，可采用偶-偶、偶-奇、奇-奇模型分析方法。图4、5和6为图3电路的偶偶、偶奇和奇-奇模型等效电路。对于偶模型激励，对称面是理想磁场，隔离电阻R1中有电流。偶-偶模型和偶-奇模型等效电路如图4和5所示。在奇模型激励条件下，对称平面是理想的电场，隔离电阻R1中没有电流，奇-奇模等效电路如图6所示。

[0047] 在中心频率选择θ＝π/2，相应的图4中Zin，ee1、Zin，ee2的输入阻抗为：

[0048]

[0049]

[0050] Zp＝(Z0e+Z0o)/Z0eZ0o.

[0051] 图5中对应的Zin，eo1、Zin，eo2的输入阻抗为：

[0052]

[0053] Zin，eo2＝Zin，eo1//Z∞＝Zin，eo1 (4)

[0054] Zq＝Z0eZ0o/(Z0e-Z0o)

[0055] 同样地，当施加奇模型激励时，对应的输入阻抗Zin，oo1，Zin，oo2 为：

[0056]

[0057] Zin，oo2＝Zin，oo1//Z∞＝Zin，oo1 (6)

[0058] 为了获得良好的输出匹配阻抗，Zin,eo1和Zin,eo2需要满足 Zin,eo1＝Zin,eo2，可以计算出R1和R2的值。图13显示了奇模型等效电路的三种不同分数带宽(FBWs)的耦合情况。

[0059] 通过商业软件高频优化结构模拟器对提出的宽带异相功率分配器进行了仿真和优化。最后的尺寸和参数在图14中。功率分配器是在两层印刷电路板上制作的，泰康尼克RF-35板材，介电常数为3.5，厚度0.508毫米。图7、8所示为制造的功率分配器图片。电路尺寸(不包括输入和输出微带线)是19.6×27.2平方毫米(0.37×0.5λg2)，λg指中心频率3.4GHz。四个隔离电阻全部是SMT-0603封装，R1＝ 100Ω,R2＝110Ω。

[0060] 本发明提出的功率分配器的仿真和实测结果如图9-12，如图9所示，仿真的结果看，从超过2.3到4.4GHz范围带宽，输入回波损耗 (RL)>15dB，插入损耗(IL)<0.28dB。15dB输入回波损耗带宽(以 3.38GHz为中心)为59.6％。插入损耗约0.5dB(不包括6db的分配损耗)包括SMA到微带传输线和SMA接头之间的损耗。此外,在工作带宽范围内测量的不平衡振幅(AI)小于0.14dB，实验结果与仿真结果吻合较好。输出回波损耗RL如图10所示。从1.88到4.38GHz输出回波损耗RL>12.4dB。图11所示模拟与实测结果的输出隔离度。在 2.0-5.0GHz频率范围内模拟隔离度大于15db，其中|S24|和|S35| 主要由气桥式隔离电阻决定。图12显示了测量的相位，可以看到良好的异相性能。此外，图15显示了本发明提出的功率分配器和其他功率分配器的比较。

[0061] 以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

[0062] 本发明未涉及部分均采用现有技术得以实现。

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