專利名稱：集成帶通濾波功能的非等分功率分配器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種具有濾波功能的功率分配器，特別涉及一種可應用于射頻前端電路的集成單頻帶通濾波功能的非等分功率分配器。
背景技術：
功率分配器是微波電路中一個基礎的部分，因為其有分離和組合信號的功能，所以在很多天線陣列和平衡電路中都要用到。而帶通濾波電路是無線通信系統中另一種不可缺少的部分，因其可以分離出需要的頻帶。這兩種元件在許多微波系統中同時存在。在過去的幾十年，有大量關于功率分配器的研究。研究的焦點在于拓寬頻帶，減小面積，雙頻響應以及諧波抑制。與此同時，帶通濾波電路也是無源電路設計中重要的研究領域。單通帶和多通帶濾波電路是兩個不同的研究方向。研究的焦點在于減小體積、提高頻率選擇性、靈活控制多個通帶的工作頻率及帶寬、增加傳輸零點等方面。在很多的射頻子系統中，功率分配器以及濾波電路通常需要連接在一起以實現分離和濾除信號的功能。然而，所有上面提到的功率分配器以及濾波電路的研究都只是注重他們本身的特性，很少有考慮兩者結合的可能性。傳統的系統中通常應用離散器件實現這兩個功能，但是這樣尺寸會很大。而具有雙重功能的單一器件能同時具有兩種功能，可以滿足小型化的要求。同時具備分離/組合功率信號以及頻率選擇的雙功能器件已經有一些學者研究過。一種兼具帶通響應和諧波抑制的威爾金森功率分配器設計在文獻P.Cheong, K.Lai, and K.Tam, “Compact Wilkinson Power Divider with Simultaneous Bandpass Response andHarmonic Suppression, ” in 2010 IEEE MTT-S International Microwave SymposiumDigest, Snaheim, USA, 2010.中被提出，在這個設計中，交叉指階梯阻抗f禹合線被用于實現功能。另外，在文獻 X.Y.Tang and K.Mouthaan, “Filter Integrated WilkinsonPower Dividers, ” Microwave and Optical Technology Letters, vol.52, n0.12, pp.2830-2833，Dec, 2010.中提到，Π-型傳輸線可以被集成到功率分配器中，然而，文章中只是用Π-型傳輸線，其濾波功能有待提高。此外，在射頻電路中，經常會有射頻功率不平衡分配的需求，因此非等分微帶功分器在實際射頻電路中有著重要的應用價值。相對于等分功分器，非等分微帶功分器的設計要更復雜一些，在實現功率不平衡分配的同時要求功分器的體積盡量小，易集成。在文獻 D.Hawatmeh, K.A.Shamaileh and N.Dib, “Design and Analysis of CompactUnequal-Split Wilkinson Power Divider Using Non-Uniform Transmission Lines,”Applied Electrical Engineering and Computing Technologies, pp.1-6, Dec, 2011.中作者用非均勻輸線路代替傳統的均勻傳輸線，有效減少了尺寸，但是這種結構仍然需要在輸出端口位置加一段四分之一波長阻抗變換段，尺寸沒能進一步減小，而且沒有濾波功倉泛。考慮到小尺寸和射頻功率不平衡分配的需求，本實用新型提出了一種新型的集成帶通濾波功能的非等分功率分配器。相對于傳統的威爾金森功分器需要在輸出端口處加入四分之一波長阻抗變換段，本實用新型提出的設計可以省去該四分之一波長阻抗變換段，有效減小了尺寸，同時實現了功率的不平衡分配。
實用新型內容本實用新型的目的在于克服現有技術存在的上述不足，提出了集成帶通濾波功能的非等分功率分配器。本實用新型中，單頻帶通濾波電路用作阻抗轉換器以代替傳統的四分之一波長傳輸線。位于上方的單頻帶通濾波電路和位于下方的單頻帶通濾波電路的輸入阻抗不同，從而可以實現不等分的功率分配。且兩個單頻帶通濾波電路的輸入輸出阻抗可通過改變諧振器之間的耦合強度和端口位置進行調節以進行不同比率的功率分配并實現匹配，相比于濾波電路與非等分功分器的級聯結構，這種結構可以省去傳統威爾金森非等分功分器在輸出端口處所需要的四分之一波長的阻抗變換段，有效減小了尺寸。電阻，電容或電感作為隔離元件連接于兩個單頻帶通濾波電路的開路端以得到良好的隔離效果。因為隔離器件擺放的特殊位置，所提出的結構有較小的尺寸，能提高電路的集成度。因為功率分配器中集成了單頻帶通濾波電路，且兩個單頻帶通濾波電路的輸入阻抗不同，所以可以同時實現頻率選擇和非等分的功率分配的功能。為實現本實用新型目的，本實用新型所采用的技術方案如下:集成帶通濾波功能的非等分功率分配器，包括上層微帶結構，隔離元件，中間層介質基板和下層接地金屬板，上層微帶結構附著在中間層介質板上表面，中間層介質板下表面為接地金屬；其特征在于:上層微帶結構包括兩個單頻帶通濾波電路，兩個單頻帶通濾波電路輸入阻抗不同，以實現功率的不等分配，兩個單頻帶通濾波電路共用一個輸入端口作為集成帶通濾波功能的非等分功率分配器的輸入端口 I/P，兩個單頻帶通濾波電路的輸出端口作為集成帶通濾波功能的非等分功率分配器的第一輸出端口 0/P1和第二輸出端口0/P2。上述集成帶通濾波功能的非等分功率分配器，位于上方的單頻帶通濾波電路由三個四分之一波長諧振器耦合組成，分別為第一諧振器、第二諧振器和第三諧振器；其中第一諧振器為依次連接的第一微帶線、第二微帶線、第三微帶線和第四微帶線構成的始端開路，末端接地的微帶線；第二諧振器為依次連接的第五微帶線、第六微帶線、第七微帶線、第八微帶線、第九微帶線和第十微帶線構成的始端接地，末端開路的微帶線；第三諧振器為依次連接的第十一微帶線、第十二微帶線、第十三微帶線、第十四微帶線和第十五微帶線構成的始端接地，末端開路的微帶線；其中第二微帶線和第十三微帶線耦合，第三微帶線和第十二微帶線耦合，第四微帶線和第五微帶線耦合，第五微帶線的一端和第十一微帶線的一端耦合；第一諧振器的開路端與輸入端口 I/p相連接，第三諧振器的第十三微帶線與第一輸出端口 0/P相連接；位于下方的單頻帶通濾波電路由三個四分之一波長諧振器耦合組成，分別為第四諧振器、第五諧振器和第六諧振器；其中第四諧振器為依次連接的第十六微帶線、第十七微帶線、第十八微帶線和第十九微帶線構成的始端開路，末端接地的微帶線；第五諧振器為依次連接的第二十微帶線、第二十一微帶線、第二十二微帶線、第二十三微帶線、第二十四微帶線和第二十五微帶線構成的始端接地，末端開路的微帶線；第六諧振器為依次連接的第二十六微帶線、第二十七微帶線、第二十八微帶線、第二十九微帶線和第三十微帶線構成的始端接地，末端開路的微帶線；其中第十七微帶線和第二十九微帶線耦合，第十八微帶線和第二十八微帶線耦合，第十九微帶線和第二十微帶線耦合，第二十微帶線的一端和第二十七微帶線的一端耦合；第四諧振器的開路端與輸入端口 I/p相連接，第六諧振器的第二十八微帶線與第二輸出端口 Ο/p相連接；隔離元件的一端與位于上方的第二諧振器的開路端連接，另一端與位于下方的第五諧振器的開路端連接。上述集成帶通濾波功能的非等分功率分配器，位于上方的單頻帶通濾波電路和位于下方的單頻帶通濾波電路的輸入阻抗不同，從而可以實現不等分的功率分配。每一個單頻帶通濾波電路的輸入輸出阻抗可通過改變諧振器之間的耦合強度和端口位置進行調節以進行不同比率的功率分配和實現匹配，并且相比于濾波電路與非等分功分器的級聯結構，這種結構可以省去傳統威爾金森非等分功分器在輸出端口處所需要的四分之一波長的阻抗變換段，有效減小了尺寸。上述集成帶通濾波功能的非等分功率分配器，四分之一波長諧振器的長度Z為所述單頻帶通濾波電路的諧振頻率/對應的波長』的四分之一；其中，Z為實際微帶線長度。上述集成帶通濾波功能的非等分功率分配器，單頻帶通濾波電路通帶左右傳輸零點由諧振器間的交叉耦合產生。上述集成帶通濾波功能的非等分功率分配器，隔離元件36為電阻、電容或電感。相對于現有技術，本實用新型具有如下優點:(I)在傳統的功率分配器中集成了帶通濾波功能，可以同時實現功率分配和過濾信號的功能。(2)可通過改變諧振器之間的耦合強度和端口位置改變單頻濾波電路的輸入阻抗以獲得不同比率的功率分配，并且相比于濾波電路與非等分功分器的級聯結構，這種結構可以省去傳統威爾金森非等分功分器在輸出端口處所需要的四分之一波長的阻抗變換段，尺寸有較大減小，有利于射頻前端系`統的集成化以及小型化。(3)集成帶通濾波功能的非等分功率分配器有比傳統的分立的功率分配器和濾波器組合而成的系統有更低的插入損耗。
圖1是2:1的集成帶通濾波功能的非等分功率分配器的結構圖。圖2是單頻帶通濾波電路的傳輸特性曲線圖。圖3是4:1的集成帶通濾波功能的非等分功率分配器的結構圖。圖4a是2:1的集成帶通濾波功能的非等分功率分配器的傳輸特性曲線圖。圖4b是2:1的集成帶通濾波功能的非等分功率分配器的輸出回波損耗和隔離系數。圖5a是4:1的集成帶通濾波功能的非等分功率分配器的傳輸特性曲線圖。圖5b是4:1的集成帶通濾波功能的非等分功率分配器的輸出回波損耗和隔離系數。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型作進一步詳細的說明，但本實用新型要求保護的范圍并不局限于下例表述的范圍。如圖1所示，包括上層微帶結構，隔離元件，中間層介質基板和下層接地金屬板，上層微帶結構附著在中間層介質板上表面，中間層介質板下表面為接地金屬；其特征在于:上層微帶結構包括兩個單頻帶通濾波電路，兩個單頻帶通濾波電路輸入阻抗不同，以實現功率的不等分配，兩個單頻帶通濾波電路共用一個輸入端口作為集成帶通濾波功能的非等分功率分配器的輸入端口 I/P，兩個單頻帶通濾波電路的輸出端口作為集成帶通濾波功能的非等分功率分配器的第一輸出端口 0/P1和第二輸出端口 0/P2 ;第一隔離兀件36的一端與位于上方的第二諧振器2的開路端連接，另一端與位于下方的第五諧振器5的開路端連接。其中，第一隔離元件36可以是電阻，電容或電感。如圖1所示，每個單頻帶通濾波電路由三個四分之一波長諧振器耦合組成；四分之一波長諧振器的長度Z為所述單頻帶通濾波電路的諧振頻率/對應的波長』的四分之一；其中d為實際微帶線長度。如圖1所示，位于上方的單頻帶通濾波電路由三個四分之一波長諧振器耦合組成，分別為第一諧振器1、第二諧振器2和第三諧振器3 ;其中第一諧振器I為依次連接的第一微帶線7、第二微帶線8、第三微帶線9和第四微帶線10構成的始端開路，末端接地的微帶線；第二諧振器2為依次連接的第五微帶線11、第六微帶線12、第七微帶線13、第八微帶線14、第九微帶線15和第十微帶線16構成的始端接地，末端開路的微帶線；第三諧振器3為依次連接的第十一微帶線17、第十二微帶線18、第十三微帶線19、第十四微帶線20和第十五微帶線21構成的始端接地，末端開路的微帶線；其中第二微帶線8和第十三微帶線19耦合，第三微帶線9和第十二微帶線18耦合，第四微帶線10和第五微帶線11耦合，第五微帶線11的一端和第i 微帶線17的一端稱合；第一諧振器I的開路端與輸入端口 Ι/P相連接，第三諧振器3的第十三微帶線19與第一輸出端口 0/P1相連接；位于下方的單頻帶通濾波電路由三個四分之一波長諧振器耦合組成，分別為第四諧振器4、第五諧振器5和第六諧振器6 ;其中第四諧振器4為依次連接的第十六微帶線22、第十七微帶線23、第十八微帶線24和第十九微帶線25構成的始端開路，末端接地的微帶線；第五諧振器5為依次連接的第二十微帶線26、第二i^一 微帶線27、第二十二微帶線28、第二十三微帶線29、第二十四微帶線30和第二十五微帶線31構成的始端接地，末端開路的微帶線；第六諧振器6為依次連接的第二十六微帶線31、第二十七微帶線32、第二十八微帶線33、第二十九微帶線34和第三十微帶線35構成的始端接地，末端開路的微帶線；其中第十七微帶線23和第二十九微帶線34耦合，第十八微帶線24和第二十八微帶線33耦合，第十九微帶線25和第二十微帶線26耦合，第二十微帶線26的一端和第二十七微帶線32的一端耦合；第四諧振器4的開路端與輸入端口 Ι/P相連接，第六諧振器6的第二十八微帶線與第二輸出端口 0/P2相連接。如圖1所示，位于上方的方框內的單頻帶通濾波電路輸入阻抗為150歐姆，輸出阻抗為50歐姆。圖2是這個單頻帶通濾波電路的幅度仿真響應。每一個單頻帶通濾波電路的輸入輸出阻抗可通過改變諧振器之間的耦合強度和端口位置進行調節以進行不同比率的功率分配并實現匹配，并且相比于濾波電路與非等分功分器的級聯結構，這種結構可以省去傳統威爾金森非等分功分器在輸出端口處所需要的四分之一波長的阻抗變換段。如圖1中所示的位于上方的單頻帶通濾波電路，其輸入阻抗為75歐姆，輸出阻抗為50歐姆；位于下方的單頻帶通濾波電路，其輸入阻抗為150歐姆，輸出阻抗為50歐姆。這兩個單頻帶通濾波電路相當于并聯，那么并聯后的電路輸入阻抗剛好與50歐姆匹配，功率分配比率為2:1。又如圖3中所示位于上方的單頻帶通濾波電路(其輸入、輸出端口與圖1對應)，其輸入阻抗為62.5歐姆，輸出阻抗為50歐姆；位于下方的單頻帶通濾波電路，其輸入阻抗為250歐姆，輸出阻抗為50歐姆，功率分配比率為4:1。正是因為單頻帶通濾波電路的輸入輸出阻抗可通過改變諧振器之間的耦合強度和端口位置進行調節以獲得不同比率的功率分配并實現匹配，因此可以用來代替傳統功率分配器中用到的四分之一波長傳輸線，實現阻抗變換的功能，并且僅通過調節輸入輸出阻抗便可以達到匹配狀態，可以省去傳統威爾金森非等分功分器在輸出端口處所需要的四分之一波長的阻抗變換段。所以，當集成了單頻帶通濾波器的功率分配器的輸入阻抗與輸出阻抗相同時，并聯兩個單頻帶通濾波電路，且在兩個電路間并接一個隔離電阻，即構成一個典型的威爾金森功率分配器。
實施例功率分配比率為2:1的集成帶通濾波功能的非等分功率分配器的結構如圖1所示，介質基板的厚度為0.81mm，相對介電常數為3.38。連接在單頻帶通濾波電路之間的隔離元件36采用5.1k歐姆的電阻，以增強隔離度。功率分配比率為4:1的集成帶通濾波功能的非等分功率分配器的結構如圖3所示，介質基板的厚度為0.81mm，相對介電常數為3.38。連接在單頻帶通濾波電路之間的第二隔離元件37采用12k歐姆的電阻，以增強隔離度。按照圖1和圖3設計功率分配器，以獲得所需的輸入、輸出阻抗特性、頻帶內傳輸特性和頻帶外衰減特性。圖4a是按照上述圖1設計出來的一個集成帶通濾波功能的非等分功率分配器的傳輸特性的仿真結果；傳輸特性曲線圖中的橫軸表示頻率，縱軸表示傳輸特性，其中S11表示集成帶通濾波功能的非等分功率分配器的回波損耗，S21表示從輸入端口 Ι/P到第一輸出端口 0/P1的插入損耗，S31表示從輸入端口 Ι/P到第二輸出端口 0/P2的插入損耗；由仿真結果可見，通帶的中心頻率在2GHz，在中心頻點的插入損耗S21為-2.7dB，S31為-5.7dB。由于集成了單頻帶通濾波電路的緣故，集成帶通濾波功能的非等分功率分配器的插入損耗要稍大于標準的功率分配器。在中心頻點，集成帶通濾波功能的非等分功率分配器的回波損耗S11為_44dB，并且在通帶兩邊各有一個傳輸零點，大大的改善了功率分配器中濾波功能的滾降特性。圖4b是按照上述圖1設計出來的一個集成帶通濾波功能的非等分功率分配器的輸出回波損耗S22，S33和隔離系數S23的仿真結果。在中心頻點上的輸出回波損耗S22為-17dB, S33為-25dB,端口 2與端口 3的隔離系數S23為_20dB。圖5a是按照上述圖3設計出來的一個集成帶通濾波功能的非等分功率分配器的傳輸特性的仿真結果；傳輸特性曲線圖中的橫軸表示頻率，縱軸表示傳輸特性，其中S11表示集成帶通濾波功能的非等分功率分配器的回波損耗，S21表示輸入端口匹配時，從第一輸出端口到輸入端口的插入損耗，S31表示輸入端口匹配時，從第二輸出端口到輸入端口的插入損耗；由仿真結果可見，通帶的中心頻率在2GHz，在中心頻點的插入損耗S21為-2.2dB,S31為-8.2dB。由于集成了單頻帶通濾波電路的緣故，集成帶通濾波功能的非等分功率分配器的插入損耗要稍大于標準的功率分配器。在中心頻點，集成帶通濾波功能的非等分功率分配器的回波損耗S11為_36dB，并且在通帶兩邊各有一個傳輸零點，大大的改善了功率分配器中濾波功能的滾降特性。圖5b是按照上述圖3設計出來的一個集成帶通濾波功能的非等分功率分配器的輸出回波損耗S22，S33和隔離系數S23的仿真結果。在中心頻點上的輸出回波損耗S22為-13dB，S33為-27dB，端口 2與端口 3的隔離系數S23為-21dB。實施例的仿真結果表明本實用新型器件有兩個功能，不但可以平均分配輸入能量，還可以篩選出所需要的頻段。以上所述僅為本實用新型的較佳實例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。
權利要求1.集成帶通濾波功能的非等分功率分配器，包括上層微帶結構，隔離元件，中間層介質基板和下層接地金屬板，上層微帶結構附著在中間層介質板上表面，中間層介質板下表面為接地金屬；其特征在于:上層微帶結構包括兩個單頻帶通濾波電路，兩個單頻帶通濾波電路輸入阻抗不同，以實現功率的不等分配，兩個單頻帶通濾波電路共用一個輸入端口作為集成帶通濾波功能的非等分功率分配器的輸入端口(I/P)，兩個單頻帶通濾波電路的輸出端口作為集成帶通濾波功能的非等分功率分配器的第一輸出端口(0/P1)和第二輸出端口 (0/P2)O
2.根據權利要求1所述集成帶通濾波功能的非等分功率分配器，其特征在于位于上方的單頻帶通濾波電路和位于下方的單頻帶通濾波電路的輸入阻抗不同，從而實現不等分的功率分配；每一個單頻帶通濾波電路的輸入輸出阻抗可通過改變諧振器之間的耦合強度和端口位置進行調節以進行不同比率的功率分配和實現匹配。
3.根據權利要求1所述集成帶通濾波功能的非等分功率分配器，其特征在于位于上方的單頻帶通濾波電路由三個四分之一波長諧振器耦合組成，分別為第一諧振器(I)、第二諧振器(2)和第三諧振器(3);其中第一諧振器(I)為依次連接的第一微帶線(7)、第二微帶線(8)、第三微帶線(9)和第四微帶線(10)構成的始端開路，末端接地的微帶線；第二諧振器(2)為依次連接的第五微帶線(11)、第六微帶線(12)、第七微帶線(13)、第八微帶線(14)、第九微帶線(15)和第十微帶線(16)構成的始端接地，末端開路的微帶線；第三諧振器(3)為依次連接的第十一微帶線(17)、第十二微帶線(18)、第十三微帶線(19)、第十四微帶線(20)和第十五微帶線(21)構成的始端接地，末端開路的微帶線；其中第二微帶線(8)和第十三微帶線(19)耦合 ，第三微帶線(9)和第十二微帶線(18)耦合，第四微帶線(10)和第五微帶線(11)耦合，第五微帶線(11)的一端和第十一微帶線(17)的一端耦合；第一諧振器(I)的開路端與輸入端口(Ι/P)相連接，第三諧振器(3)的第十三微帶線(19)與第一輸出端口(0/P1)相連接；位于下方的單頻帶通濾波電路由三個四分之一波長諧振器耦合組成，分別為第四諧振器(4)、第五諧振器(5)和第六諧振器(6);其中第四諧振器⑷為依次連接的第十六微帶線(22)、第十七微帶線(23)、第十八微帶線(24)和第十九微帶線(25)構成的始端開路，末端接地的微帶線；第五諧振器(5)為依次連接的第二十微帶線(26)、第二十一微帶線(27)、第二十二微帶線(28)、第二十三微帶線(29)、第二十四微帶線(30)和第二十五微帶線(31)構成的始端接地，末端開路的微帶線；第六諧振器(6)為依次連接的第二十六微帶線(31)、第二十七微帶線(32)、第二十八微帶線(33)、第二十九微帶線(34)和第三十微帶線(35)構成的始端接地，末端開路的微帶線；其中第十七微帶線(23)和第二十九微帶線(34)耦合，第十八微帶線(24)和第二十八微帶線(33)耦合，第十九微帶線(25)和第二十微帶線(26)耦合，第二十微帶線(26)的一端和第二十七微帶線(32)的一端耦合；第四諧振器⑷的開路端與輸入端口(Ι/P)相連接，第六諧振器(6)的第二十八微帶線與第二輸出端口(0/P2)相連接；隔離元件的一端與位于上方的第二諧振器(2)的開路端連接，另一端與位于下方的第五諧振器(5)的開路端連接。
4.根據權利要求3所述集成帶通濾波功能的非等分功率分配器，其特征在于四分之一波長諧振器的長度L為所述單頻帶通濾波電路的諧振頻率f對應的波長λ的四分之一；其中，L為實際微帶線長度。
5.根據權利要求Γ4任一項所述的集成帶通濾波功能的非等分功率分配器，其特征在于隔離元件(36)為電 阻、電容或電感。
專利摘要本實用新型公開了集成帶通濾波功能的非等分功率分配器，包括上層微帶結構,隔離元件，中間層介質基板和下層接地金屬板。每一個集成帶通濾波功能的非等分功率分配器包括兩個單頻帶通濾波電路以及連接在該兩個單頻帶通濾波電路之間的隔離元件。非等分功率分配器的輸入阻抗與輸出阻抗相同，每一個單頻帶通濾波電路的輸入輸出阻抗可通過改變諧振器之間的耦合強度和端口位置進行調節以進行不同比率的功率分配并實現匹配。本實用新型可以省去傳統威爾金森非等分功分器在輸出端口處所需要的四分之一波長的阻抗變換段，有效減小了尺寸。本實用新型可用于各類射頻前端系統中，同時具有功率分配和頻率選擇的功能，有利于器件的集成化與小型化。
文檔編號H01P5/16GK202997024SQ201220415600
公開日2013年6月12日 申請日期2012年8月21日 優先權日2012年8月21日
發明者章秀銀, 王凱旭, 余楓林, 李聰, 胡斌杰 申請人:華南理工大學