一種基于槽線的雙頻功分器及其設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種基于槽線的雙頻功分器及其設(shè)計(jì)方法，涉及微波【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明利用槽線代替隔離電阻，避免了現(xiàn)有雙頻功分器必須在輸出端口之間使用集總元件才能實(shí)現(xiàn)隔離的功能，利用槽線的雙頻諧振實(shí)現(xiàn)輸出端口在兩個(gè)工作頻段上的高隔離，能夠?qū)崿F(xiàn)給定頻率的功率分配和各端口的匹配，以及輸出端口之間在雙頻上的良好隔離，從而克服現(xiàn)有Wilkinson功分器需要集總元件實(shí)現(xiàn)隔離功能的缺點(diǎn)。本發(fā)明公開的方案特別適用于多層電路結(jié)構(gòu)如LTCC、MIC需要在層間實(shí)現(xiàn)集總電阻元件的功分器電路，有利于電路的一體化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而保證電路的可靠性、穩(wěn)定性。本發(fā)明可用在微波天線的饋電網(wǎng)絡(luò)、微波功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)以及微波工程的其他功能電路模塊中。
【專利說明】一種基于槽線的雙頻功分器及其設(shè)計(jì)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及微波【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種在給定雙頻段上基于槽線實(shí)現(xiàn)輸出端口 間隔離功能的雙頻功分器及其設(shè)計(jì)方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 近年來(lái)，隨著無(wú)線通信的快速發(fā)展，多頻段收發(fā)前端的應(yīng)用也越來(lái)越多，多頻段電 路的設(shè)計(jì)也越來(lái)越受重視。微波功分器/合成器是一種重要的微波無(wú)源元器件，是通信系 統(tǒng)中不可缺少的關(guān)鍵元器件之一，廣泛應(yīng)用于天線陣的饋電網(wǎng)絡(luò)、功率合成、RF混頻等功能 電路中。1960年，Wilkinson提出一種等幅同相輸出的功分結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)原理清晰，設(shè)計(jì)參 數(shù)簡(jiǎn)單明了，同時(shí)通過在輸出端口之間跨接電阻，實(shí)現(xiàn)輸出端口之間的高隔離度，因而在微 波電路中廣泛應(yīng)用。但是這種功分器只能工作在基本諧振頻率和它的奇次諧波頻率下，在 其他雙頻應(yīng)用中無(wú)法滿足要求，同時(shí)由于隔離電阻的存在，增加了工程實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性。
[0003] 文獻(xiàn) " A Dua 1 _Fr equency Wi 1 kinson Power D i v i der (Le i Wu ; Zengguang Sun ；Hayattin Yilmaz ；Manfred Berroth，IEEE Trans. Microw. Theory Tech.，2006, 54(1) :278-284) "利用雙級(jí)傳輸線以及在輸出端口之間并聯(lián)集總R、L、C元件 的方法實(shí)現(xiàn)任意雙頻功分和輸出端口之間的隔離功能。但該功分器由于采用了幾類集總元 件以及雙級(jí)結(jié)構(gòu)，在增加電路復(fù)雜性的同時(shí)，也增大電路尺寸，電路損耗也隨之增大。
[0004] 文獻(xiàn)"Analytical Design Method of Multiway Dual-Band Planar Power Dividers With Arbitrary Power Division(Yongle ffu ；Yuanan Liu ；Quan Xue ；Shulan Li ;Cuiping Yu，IEEE Trans. Microw. Theory Tech. ,2010, 58 (12): 3832-3841)" 提出一種 多路雙頻功分器的設(shè)計(jì)方法。這種方法在實(shí)現(xiàn)奇數(shù)路功率分配時(shí)，先通過2"路（η > 2的 整數(shù)）不等分的功率分配，再進(jìn)行適當(dāng)?shù)墓β屎铣珊蟮玫狡鏀?shù)路功率分配，其設(shè)計(jì)過程較 復(fù)雜，且需采用多級(jí)結(jié)構(gòu)，同時(shí)含有集總元件，因而其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸大，電路損耗也隨之增 大。
[0005] 文獻(xiàn) "A Novel 92 ?96GHz High Isolated Power Divider Using Microstrip-Slotline Transitions(Longying Qi,International Conference on Computational Problem-Solving, Chengdu，China, 2012) " 給出了一種用微帶一槽線過渡 實(shí)現(xiàn)隔離功能的Wilkinson功分器結(jié)構(gòu)。通過阻抗匹配理論確定槽線的特征阻抗來(lái)實(shí)現(xiàn)輸 出端口之間的隔離，克服了傳統(tǒng)Wilkinson功分器含有集總元件的缺點(diǎn)，但該結(jié)構(gòu)僅適用 于單頻段功分器，無(wú)法實(shí)現(xiàn)雙頻段的工作要求。
[0006] 目前看來(lái)，實(shí)現(xiàn)雙頻功分器的主要方法有階梯阻抗變換法、多級(jí)級(jí)聯(lián)法、并聯(lián)支節(jié) 法等，但這些方法均需用到集總R、L、C元件來(lái)實(shí)現(xiàn)隔離功能。同時(shí)，在相鄰端口由于需要跨 接集總元件來(lái)實(shí)現(xiàn)隔離功能，奇數(shù)路功分器的設(shè)計(jì)就更加困難。因此，在任意路雙頻段工作 下，如何不用集總元件且輸出端口間具有高隔離度的簡(jiǎn)單、緊湊的微波功分器結(jié)構(gòu)及其實(shí) 現(xiàn)方法是微波工程研究與設(shè)計(jì)的突出問題和難點(diǎn)課題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的目的在于提供一種基于槽線實(shí)現(xiàn)輸出端口間隔離功 能的任意路雙頻功分器。本發(fā)明通過設(shè)計(jì)傳輸線與短截線的參數(shù)（即特性阻抗、電長(zhǎng)度） 和在給定雙頻下工作的槽線諧振器，實(shí)現(xiàn)微波功分器的雙頻工作和任意兩個(gè)輸出端口間的 高隔離。為這類電路在微波工程多層結(jié)構(gòu)（如LTCC、MIC等）中的一體化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)提供 解決方法。
[0008] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0009] -種基于槽線實(shí)現(xiàn)輸出端口間隔離功能的雙頻功分器，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示， 包括輸入端口 1，輸出端口 2、3、-·、Ν+1，Ν條特征阻抗為第一傳輸線，N條特征阻抗為 Z2的第二傳輸線，以及一條以上特征阻抗為Z3的短截線；所述短截線以并聯(lián)形式加載于輸 入端口 1處；所述的每一個(gè)輸出端口均通過一段所述的第一傳輸線與輸入端口 1相連，在每 一段第一傳輸線與輸出端口相連的一端還連接有一條所述的第二傳輸線，所述第二傳輸線 的另一端記為第二傳輸線末端，所述N條第二傳輸線的末端均連接于一個(gè)公共節(jié)點(diǎn)；在每 一條第二傳輸線末端對(duì)應(yīng)的接地面上還設(shè)有一條與相應(yīng)第二傳輸線呈正交放置的槽線，在 所述槽線上與對(duì)應(yīng)的第二傳輸線在垂直方向上投影的交點(diǎn)即為對(duì)應(yīng)雙頻諧振的激勵(lì)位置， 通過在槽線上選取雙頻工作頻段均能諧振的激勵(lì)位置實(shí)現(xiàn)各個(gè)輸出端口之間的雙頻段隔 離。
[0010] 進(jìn)一步的，所述的N條第一傳輸線和N條第二傳輸線的電長(zhǎng)度均相同。
[0011] 所述槽線的基本諧振頻率等于所述雙頻功分器的兩個(gè)中心頻率中較低頻段的中 心頻率，且所述槽線的長(zhǎng)度為其基本諧振頻率對(duì)應(yīng)的二分之一波導(dǎo)波長(zhǎng)。
[0012] 本發(fā)明還提供一種實(shí)現(xiàn)所述基于槽線的雙頻功分器的設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：
[0013] 步驟a :確定雙頻功分器的中心工作頻率記為和f2，且f2>f\ ;
[0014] 步驟b :根據(jù)步驟a確定的兩個(gè)工作頻率，計(jì)算所述雙頻功分器的第一傳輸線、第 二傳輸線以及短截線的電長(zhǎng)度和特征阻抗；
[0015] 步驟c :根據(jù)步驟a給出的兩個(gè)工作頻率，確定在所述雙頻功分器兩個(gè)給定工作頻 率處的諧振槽線的激勵(lì)位置。

【權(quán)利要求】
1. 一種雙頻功分器，包括輸入端口（1)和輸出端口（2、3、"·、Ν+1)，其特征在于，還包 括N條第一傳輸線，N條第二傳輸線，以及一條以上的短截線，所述短截線以并聯(lián)形式加載 于輸入端口（1)處；所述的每一個(gè)輸出端口均通過一段所述的第一傳輸線與輸入端口（1) 相連，在每一段第一傳輸線與輸出端口相連處還連接有一條所述的第二傳輸線，所述的第 二傳輸線的另一端記為第二傳輸線末端，所述N條第二傳輸線末端均連接于一個(gè)公共節(jié) 點(diǎn)；在每一條第二傳輸線末端對(duì)應(yīng)的接地面上還設(shè)有一條與相應(yīng)第二傳輸線呈正交放置的 槽線，在所述槽線上與對(duì)應(yīng)的第二傳輸線在垂直方向上投影的交點(diǎn)即為對(duì)應(yīng)雙頻諧振的激 勵(lì)位置，通過在槽線上選取雙頻工作頻段均能諧振的激勵(lì)位置實(shí)現(xiàn)各個(gè)輸出端口之間的雙 頻段隔離。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙頻功分器，其特征在于，所述的N條第一傳輸線和N條 第二傳輸線的電長(zhǎng)度均相同。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙頻功分器，其特征在于，所述槽線的基本諧振頻率等 于所述雙頻功分器的兩個(gè)中心頻率中較低頻段的中心頻率，且所述槽線的長(zhǎng)度為其基本諧 振頻率對(duì)應(yīng)的二分之一波導(dǎo)波長(zhǎng)。
4. 一種如權(quán)利要求1至3任意一項(xiàng)所述的雙頻功分器的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述設(shè) 計(jì)方法在功分器的輸入端引入一條以上的短截線，輸入端口與輸出端口之間通過一段第一 傳輸線連接，在每一段第一傳輸線與輸出端口相連處還連接有一條第二傳輸線，所述第二 傳輸線的另一端記為第二傳輸線末端，所述N條第二傳輸線末端均連接于一個(gè)公共節(jié)點(diǎn)， 由此實(shí)現(xiàn)雙頻功分；在每一條第二傳輸線末端對(duì)應(yīng)的接地面上還設(shè)有一條與相應(yīng)第二傳輸 線呈正交放置的槽線，實(shí)現(xiàn)輸出端口之間在兩個(gè)頻段上的隔離功能，所述設(shè)計(jì)方法包括以 下步驟： 步驟a:確定功分器的兩個(gè)給定的工作頻段； 步驟b:在中心頻率上計(jì)算所述的第一傳輸線、第二傳輸線及傳輸線枝節(jié)的電長(zhǎng)度和 特征阻抗； 步驟c:確定槽線的長(zhǎng)度及其激勵(lì)位置。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種雙頻功分器的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述第一傳輸線、 第二傳輸線的電長(zhǎng)度均相同并記為Θ，具體由以下方程確定：
其中，和f2是所述雙頻功分器的兩個(gè)中心工作頻率，且f2>flt)
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種雙頻功分器的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述的短截線為 開路，則其電長(zhǎng)度為Θ。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種雙頻功分器的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述的短截線為 短路，則其電長(zhǎng)度為2Θ。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種雙頻功分器的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述的第一傳輸 線、第二傳輸線和短截線向端口負(fù)載Ztl作歸一化后的歸一化特征阻抗分別為2(11、2(12、 2(13，具 體由以下方程確定：
其中，r=2yV-W丨+4/Vtan：g_，N為所述雙頻功分器的輸出端口總數(shù)，M為所述 N 雙頻功分器中加載于輸入端口的短截線數(shù)量。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種雙頻功分器的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟c中槽線 的電長(zhǎng)度具體為所述雙頻功分器較低頻段工作頻率對(duì)應(yīng)的二分之一波導(dǎo)波長(zhǎng)，且所述槽線 的激勵(lì)位置由以下方法確定： 由空穴理論可推得槽線模式的特征函數(shù)如下：
其中m為模式階數(shù)，1為槽線長(zhǎng)度，X表示槽線沿X軸放置；通過所述的模式特征函數(shù) 得到槽線的不同諧振模式隨槽線長(zhǎng)度變化的分布圖，在確定雙頻工作的中心頻率后，通過 對(duì)比不同的模式分布圖，找到槽線在所需雙頻工作頻段均能諧振的相應(yīng)特征函數(shù)值所對(duì)應(yīng) 的橫坐標(biāo)，該橫坐標(biāo)即為槽線在所述雙頻功分器兩個(gè)給定工作頻率處諧振的激勵(lì)位置。
【文檔編號(hào)】H01P5/16GK104269601SQ201410505347
【公開日】2015年1月7日 申請(qǐng)日期:2014年9月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月26日
【發(fā)明者】李家林, 王煥燭, 高春燕, 王秉中 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)