一种基于混合集总分布参数网络的宽带交叉器【掌桥专利】

技术领域

本发明涉及无线移动通信技术领域，具体而言涉及一种基于混合集总分布参数网络的宽带交叉器。

背景技术

由于高频电子线路间的布局布线容易受相邻信号间的相互串扰、耦合以及混叠的影响，所以为了实现物理相接的多路信号的电气独立性，传统的多层交叉器得到了广泛的应用。这种多层交叉器是通过传输线从第三维度上进行物理分隔，实现期望信号的传输以及串扰的抑制。由于多层交叉器结构传输模式复杂、制作工艺昂贵，故存在着高损耗、高成本等问题，严重影响了应用范围。因此，研究人员开始寻求一种平面级交叉器结构设计。

目前关于平面级交叉器结构更多应用在基于巴特勒矩阵的波束成形网络与多波束系统中，作为其基本组成的结构单元之一，多采用基于传输线的分布式电路结构，电路拓扑尺寸大。在实际应用中，受制于结构自身以及传输特性对于频率响应的敏感程度，传统的平面分布式交叉器可实现的相对带宽约为10％-20％。为了扩大传统平面分布式交叉器的相对带宽，文献中报道了一种贴片-环结构的平面分布交叉器，通过介质基板上设置的贴片使其整体带宽达到40％左右。由于此结构在设计时为了获得更好带宽，在结构尺寸和损耗上做出了一定牺牲，使得整体结构大且辐射损耗严重，导致其效能有限不利于器件集成。

于是乎，现有技术又提出了一种窗型结构交叉器，该结构由外部高阻抗传输线和内部低阻抗传输线构成，外部高阻抗传输线和内部低阻抗传输线组合成“田”字型，由此改善了线路布局，使其尺寸更小，从而有利于集成。由于这种结构在设计过程中只是作为一种信号交叉通路的对称拓扑，并未对分布传输线的频率敏感度做出优化或补偿，因此，其幅度响应中只存在一个隔离零点和一个反射零点，从而只形成了中心频率附近10％左右的匹配带宽与隔离度带宽的工作带宽。然而10％左右的匹配带宽与隔离度带宽并不适合宽带化系统级的应用。

发明内容

基于上述原因，本发明提供了一种基于混合集总分布参数网络的宽带交叉器，以解决窗型结构交叉器难以宽带化的问题。

本发明所解决技术问题采取的技术方案为：

一种基于混合集总分布参数网络的宽带交叉器，由下向上依次包括金属接地板、介质基板以及介质基板上层电路；

所述介质基板上设有金属化过孔；所述介质基板上层电路包括窗型拓扑结构、端口、馈线、以及集总谐振单元；

所述窗型拓扑结构用于实现信号的交叉通过，它是由电阻大于50欧姆的高阻抗微带线和电阻小于50欧姆的低阻抗微带线构成；端口设置在介质基板上，端口至少有2组，每组端口均包含一个输入端口和一个输出端口，输入端口和输出端口分别通过一根馈线与窗型拓扑结构相连后形成信号通路，且所有信号通路的中心点交叉；输入端口输入的信号经高阻抗微带线传输到低阻抗微带线经中心点后，再由低阻抗微带线传输至输出端；

所述馈线均连接有集总谐振单元，集总谐振单元是由电容结构和电感结构并联设置构成；电容结构和电感结构输出端连接金属化过孔，以实现集总谐振单元并联接地。

进一步的，所述集总谐振单元还包括焊盘，焊盘覆盖在金属化过孔上，其上连接电容结构和电感结构的输出端。

进一步的，集总谐振单元的中心频率设置为交叉器工作的中心频率，利用该集总谐振单元谐振响应扩展带宽。

进一步的，所述窗型拓扑结构中的高阻抗微带线构成正方形结构，且该正方形的每条边上均等距离的设有4个凸起的弯折部；低阻抗微带线设置在正方形内，构成十字形结构，且十字形四边的中心位置沿十字形的顺时针方向分别设有1个凸起的弯折部，十字形结构的上下左右四个端部分别与正方形的四条边的中点相交；正方形的4个顶点上分别设有一根馈线，馈线的另一端端部设有端口，4个端口是以对角的两个端口为一组。

进一步的，所述正方形结构采用了8段相同尺寸的高阻抗线，根据奇偶模分析理论推导，并利用网络参数综合交叉器响应得到每段高阻抗线线宽为0.25～0.55mm、线长为16～21.0mm；十字形结构采用了4段尺寸相同的低阻抗线，根据同样的理论计算，得到每段低阻抗线线宽0.7～0.9mm、线长为18～20.5mm。

进一步的，介质基板的相对介电常数为3.43～3.53，厚度为0.508mm，尺寸为50mm×50mm。

本发明所提供的一种基于混合集总分布参数网络的宽带交叉器，通过采用混合分布集总形式电路拓扑结构，实现了平面级交叉器的宽带设计。在本发明中，窗型拓扑结构高阻抗微带和低阻抗微带线参数是依据奇偶模分析理论推导得到的，通过控制窗型拓扑结构高阻抗微带和低阻抗微带线参数，实现相邻端口间的隔离。通过引入的集总谐振单元，且该集总谐振单元由电容结构、电感结构并联设置构成；由于集总谐振单元的存在，相当于在传输特性曲线上引入了附加的匹配零点以及隔离零点，因此能够改善提升交叉器的回波损耗和隔离度带宽。通过将窗型拓扑传输线采用凸起的弯折的方式，减小了交叉器的物理尺寸，使结构更加紧凑。

与现有技术相比，本发明结构紧凑，插入损耗更小，匹配带宽更宽。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为当端口1输入信号时，端口1、2、3、4处的输出信号S参数幅度随频率的变化曲线；

图3为当端口1输入信号时，传输端口3处的输出信号相位随频率的变化曲线；

图中，1-介质基板，2-介质基板上层电路，3-金属接地板，4～7-金属过孔，8～11-金属焊盘，12-窗型拓扑结构，13、15、17、19-电感结构，14、16、18、20-电容结构。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。

参阅图1，本发明提供的一种基于混合集总分布参数网络的宽带交叉器，其整体结构呈方形，由下向上依次包括金属接地板3、介质基板1以及介质基板上层电路2。介质基板1上设有金属化过孔。所述介质基板上层电路2包括窗型拓扑结构12、金属化过孔、端口、馈线、以及集总谐振单元。

窗型拓扑结构12用于实现信号的交叉通过，它是由电阻大于50欧姆的高阻抗微带线和电阻小于50欧姆的低阻抗微带线构成，高低阻抗线形成“田”字窗型拓扑，具体的，高阻抗微带线构成外部的正方形结构，且该正方形的每条边上均等距离的设有4个凸起的弯折部；低阻抗微带线设置在正方形内，构成十字形结构，且十字形四边的中心位置沿顺时针方向分别设有1个起形的弯折部，十字形的上下左右四个端部分别与正方形的四条边的中点垂直相交。实施时，由于窗型拓扑中的微带线具有的凸起弯折部，能够有效减小交叉器的物理尺寸，使整个结构更加紧凑。

所述端口设置在介质基板1上，共有2组。其中端口1、3为一组，端口2、4为一组，每组端口都包括一个输入端口和一个输出端口，输入端口和输出端口分别通过一根馈线与窗型拓扑结构12的高阻抗微带线相连。使用时，一路高频信号从端口1输入后，经高阻抗微带线传输至低阻抗微带线经中心点(十字形的中心点)后，再经低阻抗微带线传输至端口3输出。另一路信号从端口2输入后，经高阻抗微带线传输至低阻抗微带线经中心点(十字形的中心点)后，再经低阻抗微带线传输至端口4输出。

在本发明中，由于高低阻抗的两种微带线尺寸影响相邻端口间的隔离度，为实现两路高频信号从所述结构对角线所对应的端口线性通过，使相邻端口之间产生隔离，根据奇偶模分析理论推导，并利用理想无损耗交叉结电路传输特性对阻抗及电尺寸(窗型拓扑网络参数)进行综合，即可得到交叉器响应时每段高阻抗线线宽为0.25～0.55mm、线长为16～21.0mm；十字形结构采用了4段尺寸相同的低阻抗线，根据同样的理论计算，得到每段低阻抗线线宽0.7～0.9mm、线长为18～20.5mm。

所述馈线均连接有1个集总谐振单元，集总谐振单元包括电容结构、电感结构和焊盘；电容结构和电感结构并联设置；电容结构和电感结构输出端分别金属化过孔，以实现集总谐振单元并联接地。为简化制作工艺，提升操作的方便性，本实施例中增加了焊盘，焊盘覆盖在金属化过孔上，通过金属化过孔将焊盘与金属接地板相连，以实现集总谐振单元并联接地。

实施例1

现在结合实施例来进行说明，在下列实施例中，所述介质基板1为正方形，选用尺寸50mm×50mm，相对介电常数为3.66，厚度为0.508mm；所述窗型拓扑结构的外部的正方形结构式是由八段高阻抗线构成，线宽0.45mm，其中每一段微带线线长19.0mm；其内部传输线为十字形结构，是由4段微带线构成，线宽0.8mm，其中每一节微带线线长19.6mm；。集总谐振单元的中心频率与交叉器工作的中心频率一致，电容结构(14、16、18、20)从采用用陶瓷贴片，其的电容值为1.4pF，电感结构(13、15、17、19)采用固定电感器，其电感值为3.4nH；

在本实施例中，本发明的宽带交叉器工作的中心频率为2.4GHz，四个端口实现了两路信号平面级的独立传输与相互隔离，由于器件具有的无源对称以及互易性，仅考虑端口1输入信号情况。

具体实现交叉器宽带工作的情况可理解如下：参见图2，交叉器工作的中心频率为2.4GHz，S11对应回波(匹配)损耗，其15-dB绝对带宽为1.97GHz至2.77GHz，相对带宽为33.8％；S31对应插入损耗，其1-dB绝对带宽为1.91GHz至2.82GHz，相对带宽为38.5％；S21、S41分别对应端口1与端口2、4之间的隔离度，其15-dB隔离度绝对带宽为1.33GHz至2.90GHz，相对带宽为74.2％；

对应于交叉器工作的宽带频率范围内，参见图3，端口3输出信号相较于端口1输入信号在2.4GHz附近的相移呈现线形变化，表明宽带信号通过该交叉器，各频率分量相对相位关系保持恒定，信号传输无失真。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，其描述较为具体，但不能把此当作对本发明适用范围的限制。本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。因此，本申请的具体保护范围应以所附权利要求为准。