全文摘要
本实用新型设计了一种多层一分四不等分宽带功分器。电路由六层介质和七层金属边界组成，中间输入层的输入端Port1和两个中间输出层的输出端Port2和Port3为带状线，顶层和底层的两个输出端Port4和Port5均为微带线；为实现电磁信号在垂直方向上的平滑过渡，将两个弯曲T型基本耦合单元背向级联，形成了具有紧耦合特性、过渡性能更佳的层间耦合结构，同时还可实现信号功率耦合分配的目的。该功分器工作于2.8‑7.5GHz，百分比带宽为91.3%，当各介质层的厚度相等，且各输入输出端口的阻抗为标准的50Ω时，该功分器在工作频段内实现功率的不均匀分配。
主设计要求
1.一种多层一分四不等分宽带功分器，其特征是：电路包含六层介质和七层金属边界，为实现电磁信号在各介质层间平滑过渡，七层金属边界都采用了基本耦合单元为弯曲T型贴片的层间耦合结构，能够实现一分四不等分功分；其中，所述六层介质均采用厚度相同的Rogers4003C介质基板，七层金属边界是以弯曲T型为基本耦合单元构成的金属贴片，分别敷设在由该六层介质压合后的5层中间层、顶层和底层共七层介质面上；所述弯曲T型基本耦合单元由一个矩形金属贴片减去两个直径相等的半圆形金属贴片组成，减去的半圆形贴片的直径对应于电路工作频段内中心频率处四分之一波导波长，改变直径可以调整电路的工作频段；而一个完整的耦合区域由两个弯曲T型基本耦合单元背向级联组成，左右共四个凹形半圆槽，左右半圆直径的值相近，但不一定相同。
设计方案
1.一种多层一分四不等分宽带功分器，其特征是：电路包含六层介质和七层金属边界，为实现电磁信号在各介质层间平滑过渡，七层金属边界都采用了基本耦合单元为弯曲T型贴片的层间耦合结构，能够实现一分四不等分功分；其中，所述六层介质均采用厚度相同的Rogers4003C介质基板，七层金属边界是以弯曲T型为基本耦合单元构成的金属贴片，分别敷设在由该六层介质压合后的5层中间层、顶层和底层共七层介质面上；所述弯曲T型基本耦合单元由一个矩形金属贴片减去两个直径相等的半圆形金属贴片组成，减去的半圆形贴片的直径对应于电路工作频段内中心频率处四分之一波导波长，改变直径可以调整电路的工作频段；而一个完整的耦合区域由两个弯曲T型基本耦合单元背向级联组成，左右共四个凹形半圆槽，左右半圆直径的值相近，但不一定相同。
2.根据权利要求1所述的一种多层一分四不等分宽带功分器，其特征是：各层耦合区域间的相互耦合具有紧耦合特性，电磁信号在各层之间的垂直方向上平滑过渡，实现宽带化。
设计说明书
技术领域
本实用新型涉及无线通信系统中多层微波电路的功率分配技术，设计了一种多层一分四不等分宽带功分器，应用在2.8-7.5GHz频段。
背景技术
功率分配器（简称功分器）是微波系统和电路的一种基础元件，常应用于混频器、功放电路、大规模MIMO阵列天线以及相控阵雷达天线中，主要实现功率分配和组合的功能。传统单层平面电路的功分器，比如Wilkinson、Bagley和Gysel功分器，存在结构复杂、电路尺寸庞大、不适合应用于高频段等技术问题，已经难以满足当前新型无线通信领域多元化的发展需求，寻找新的设计思想和拓扑结构，设计多层、小型化、高性能和大功率分配的功分器结构，已成为当前功分器研究的热点。
发明内容
本实用新型设计了一种多层一分四不等分宽带功分器，应用在2.8-7.5GHz频段，百分比带宽为91.3%。
为实现上述设计目的，本实用新型采用的技术方案如下：电路为一种包含六层介质和七层金属边界的多层结构，每一层介质都采用介电常数为3.55、损耗正切角为0.0029的Rogers4003C介质基板，各层介质基板的厚度均为h=0.508mm。中间输入层以带状线作为功分器电路的输入端（Port1端），而功分器电路的输出端采用了两种传输线，分别是中间层的带状线（Port2端和Port3端）与顶层和底层的微带线（Port4端和Port5端）。中间带状线输入、输出层和中间带状线过渡层在过渡耦合区域采用了将两个基本的弯曲T型耦合单元背向级联的方式实现电磁能量在层间垂直方向上平滑过渡，使得电路能在介质层之间的垂直方向上立体分布，减小电路尺寸，实现耦合功分；同时这种层间耦合结构具有紧耦合特性，能够实现宽带化；顶层和底层的耦合区域为基本的弯曲T型耦合单元，其末端直接与微带线带条相连，作为功分器电路的其中两个输出端。在层间耦合过渡的同时，每一中间层同层中的两个耦合区域通过带状线相连，实现电磁信号同层直接传输。其中，弯曲T型基本耦合单元由一个矩形金属贴片减去两个直径相等的半圆形金属贴片组成，且减去的半圆形贴片的直径对应于功分器工作频段内中心频率处四分之一波导波长，因此，电路的工作频段可以通过改变该直径的值来进行调整；而一个完整的耦合区域由两个弯曲T型基本耦合单元背向级联组成，即左右共四个凹形半圆槽，左右半圆槽的直径相近，但不一定相同。
本实用新型的显著优点是：可以实现在2.8-7.5GHz频段的一分四不等分的功率分配。电路可以通过调整T型基本耦合单元半圆形槽的直径改变电路工作频段，具有良好的设计灵活性。而且该电路总体尺寸为12.6mm×32mm×3.048mm，相比于其它多层多路功分器而言总体尺寸偏小。在该功分器电路中，输入端回波损耗S11<\/sub>优于-10dB，插入损耗S21<\/sub>和S31<\/sub>优于-6.4dB、S41<\/sub>和S51<\/sub>优于-11.3dB，各输出端口间的隔离度S23<\/sub>、S24<\/sub>、S25<\/sub>以及S45<\/sub>分别优于-10dB、-13dB、-18dB和-25dB。由于该功分器的工作频段包含了3.3—5GHz，这一频段属于低频段5G通信频段范畴，可以应用于低频段的5G通信系统。
附图说明
图1是本实用新型一种多层一分四不等分宽带功分器的整体结构示意图。
图2是本实用新型一种多层一分四不等分宽带功分器的侧视图。
图3是功分器电路中间带状线输入层1的几何结构图。
图4是功分器电路中间带状线输出层2（或5）的几何结构图。
图5是功分器电路中间带状线过渡层3（或6）的几何结构图。
图6是功分器电路顶层和底层微带线输出层4（或7）的几何结构图。
图7是本实用新型一种多层一分四不等分宽带功分器输入端回波损耗S11<\/sub>和各个输出端到输入端的插入损耗S21<\/sub>、S31<\/sub>、S41<\/sub>及S51<\/sub>的仿真结果。
图8是本实用新型一种多层一分四不等分宽带功分器各输出端口间隔离度S23<\/sub>、S24<\/sub>、S25<\/sub>及S45<\/sub>的仿真结果。
具体实施方案
下面结合说明书附图，对本实用新型做进一步的详细说明。
如图1所示，功分器电路一共采用了六层介质和七层金属导体面，每一层介质基板的厚度均为h=0.508mm，中间层1以带状线作为电路输入端Port1，中间层2和5以带状线作为电路其中两个输出端Port2和Port3，中间层3和6分别为顶层和底层与中间带状线输出之间的过渡层，顶层4和底层7以微带线作为电路剩下的两个输出端Port4和Port5，且该电路以耦合过渡的形式实现良好的功率分配性能。
如图2所示，整个功分器电路可以分成四个耦合区域，对应长度分别为l1<\/sub>、l2<\/sub>、l3<\/sub>和l4<\/sub>，且l1<\/sub>=l2<\/sub>=l3<\/sub>=l4<\/sub>=8mm，实线为带状线或微带线，粗实线为有限宽度导体带状线或微带线，虚线表示没有金属导体覆盖。图2中标注的各输入输出端口与图1标注的内容一致，且从图2可以直接看出，电路关于中间带状线输入层1上下对称，即层2、层3和层4的结构分别与层5、层6和层7对应相同。后文主要对层1、层2、层3的具体结构作详细说明。
如图3所示，在中间输入层1中，101是输入端带状线，它的长度是l1<\/sub>，宽度为w1<\/sub>=0.6mm；102为长度为l2<\/sub>的耦合区域，由两个弯曲T型基本耦合单元背向级联组成，耦合区域102左侧半圆槽的半径为r1<\/sub>=3mm，故每一层介质宽度（整体电路宽度）w=(4×r1<\/sub>+w1<\/sub>)=12.6mm，右侧半圆槽的半径r3<\/sub>=(w-w3<\/sub>)\/4=3.075mm，其中w3<\/sub>=0.3mm，是长度为l3<\/sub>的带状线103的宽度；带状线103将耦合区域102和耦合区域104连接，实现了电磁信号在同层内直接传输；耦合区域104的长度为l4<\/sub>，左侧半圆槽的半径为r5<\/sub>=r3<\/sub>=3.075mm，右侧没有开槽。
如图4所示，在中间输出层2（或5）中，201是长度为l1<\/sub>的耦合区域，左侧没有开槽，右侧半圆槽的半径为r2<\/sub>=( w-w 2<\/sub>)\/4=3.075mm，其中w2<\/sub>=0.3mm，是长度为l2<\/sub>的带状线202的宽度；带状线202连接了耦合区域201和203；耦合区域203的长度为l3<\/sub>，左侧半圆槽的半径为r4<\/sub>=r2<\/sub>=3.075mm，右侧半圆槽的半径为r6<\/sub>=( w-w 4<\/sub>)\/4=3mm，其中w4<\/sub>=0.6mm，是长度为l4<\/sub>的输出端带状线204的宽度。耦合区域201和203与中间输入层1的耦合区域102和104产生层间耦合作用，实现电磁能量的层间过渡与功率分配。
如图5所示，在中间过渡层3（或6）中，301是长度为l2<\/sub>的耦合区域，左侧没有开槽，右侧半圆槽的半径为r3<\/sub>=(w-w3<\/sub>)\/4=3.075mm，其中w3<\/sub>是长度为l3<\/sub>的带状线302的宽度；带状线302连接了耦合区域301和303；耦合区域303的长度为l4<\/sub>，左侧半圆槽的半径为r5<\/sub>=r3<\/sub>=3.075mm，右侧没有开槽。耦合区域301和303与中间输出层2的耦合区域201和203产生了层间耦合作用，目的是为了实现电磁能量的层间过渡。
如图6所示，在顶层4（或底层7）中，401是长度为l3<\/sub>的耦合区域，左侧没有开槽，右侧半圆槽的半径为r7<\/sub>=(w-w5<\/sub>)\/4=3.075mm，其中w5<\/sub>=1.18mm，是长度为l4<\/sub>的输出端微带线402的宽度。耦合区域401与中间过渡层3的耦合区域301和303再一次通过层间耦合的方式实现了电磁能量层间过渡和功率分配的目的。
如图7所示，是本实用新型一种多层一分四不等分宽带功分器的输入端回波损耗S11<\/sub>以及各输出端到输入端的插入损耗S21<\/sub>、S31<\/sub>、S41<\/sub>和S51<\/sub>的仿真结果，在工作频段2.8-7.5GHz内，S11<\/sub>优于-10dB， S 21<\/sub>和S31<\/sub>优于-6.4dB、S41<\/sub>和S51<\/sub>优于-11.3dB，体现了该功分器电路良好的功率分配性能。
如图8所示，是本实用新型一种多层一分四不等分宽带功分器的各输出端口间的隔离度S23<\/sub>、S24<\/sub>、S25<\/sub>和S45<\/sub>的仿真结果，在工作频段2.8-7.5GHz内，S23<\/sub>优于-11dB、S24<\/sub>优于-9dB、S25<\/sub>优于-15dB，S45<\/sub>优于-22dB，体现了输出端口间良好的隔离性能。
设计图
相关信息详情
申请码:申请号:CN201920084842.8
申请日:2019-01-18
公开号:公开日:国家:CN
国家/省市:12(天津)
授权编号:CN209312979U
授权时间:20190827
主分类号:H01P 5/16
专利分类号:H01P5/16
范畴分类:38G;
申请人:天津职业技术师范大学（中国职业培训指导教师进修中心）
第一申请人:天津职业技术师范大学（中国职业培训指导教师进修中心）
申请人地址:300222 天津市津南区大沽南路1310号天津职业技术师范大学电子工程学院通信工程系
发明人:姬五胜;童荥贇;张志悦
第一发明人:姬五胜
当前权利人:天津职业技术师范大学（中国职业培训指导教师进修中心）
代理人:代理机构:代理机构编号:优先权:关键词:当前状态:审核中
类型名称:外观设计