功分器的制作方法

1.本技术涉及通信技术领域，尤其涉及一种功分器。


背景技术：

2.功分器是无线通信系统中的一种非常重要的微波无源器件，在功分器阵馈电系统、功率放大器和无线局域网中都有着广泛的应用。常见的平面功分器，如威尔金森(wilkinson)功分器，因其设计简便且具有良好的幅度相位特性在毫米波集成电路中被广泛地应用。
3.wilkinson功分器主要是在两个输出端口之间加入隔离电阻，从而实现两个输出端口间的高度隔离。然而，当其工作在高频段，如w波段(70
‑
110ghz)时，由于其尺寸将会缩小，电路布局受到限制，无法安装隔离电阻，导致两个输出端口隔离度较差。


技术实现要素：

4.本技术提供了一种功分器，无需安装隔离电阻，即可工作在w波段，且输出端口仍具有高隔离度。
5.本技术提供的技术方案如下：
6.本技术提供一种功分器，包括介质层和附着在所述介质层一侧的第一金属层以及附着在所述介质层另一侧的第二金属层，其中，
7.所述第一金属层包括功分单元，所述功分单元包括输入端口、第一输出端口和第二输出端口；
8.所述第二金属层包括隔离单元，所述隔离单元设置于所述第一输出端口和所述第二输出端口之间，当所述隔离单元被奇模激励时，以使所述隔离单元形成电壁，以对所述第一输出端口和所述第二输出端口进行隔离。
9.在本技术的功分器中，所述功分单元还包括闭合传输线，所述输入端口、第一输出端口和所述第二输出端口之间通过所述闭合传输线相连接；
10.所述隔离单元由在所述第二金属层上设置的槽线部所构成，所述槽线部从所述第一输出端口和所述第二输出端口之间伸入所述闭合传输线，当所述第一输出端口的第一输出信号和所述第二输出端口的第二输出信号从所述闭合传输线流经所述隔离单元，所述隔离单元被奇模激励时，以使所述隔离单元形成电壁，以对所述第一输出端口和所述第二输出端口进行隔离。
11.在本技术的功分器中，所述槽线部包括相连接的圈槽和直线槽，所述直线槽从所述圈槽向所述闭合传输线方向延伸，从所述第一输出端口和所述第二输出端口之间伸入所述闭合传输线中。
12.在本技术的功分器中，所述直线槽的中心轴线的延长线经过所述圈槽的中心点将所述圈槽划分为相对称的第一部和第二部；
13.当目标输出信号从所述闭合传输线流经所述直线槽后，被分为等幅反向的第一目
标输出信号和第二目标输出信号，所述第一目标输出信号流经所述圈槽的第一部，所述第二目标输出信号流经所述圈槽的第二部，所述第一目标输出信号和所述第二目标输出信号在所述圈槽的第一部和第二部的第一连接处相抵消，以对所述第一输出端口和所述第二输出端口进行隔离；
14.其中，所述第一连接处为远离所述直线槽的连接处，所述目标输出信号为所述第一输出信号或所述第二输出信号。
15.在本技术的功分器中，所述圈槽的截面形状包括矩形环，所述矩形环的长度为四分之一工作波长。
16.在本技术的功分器中，所述直线槽的长度大于三分之一所述矩形环的长度，小于二分之一所述矩形环的长度。
17.在本技术的功分器中，所述矩形环的内径大于十一分之一所述矩形环的长度，小于九分之一所述矩形环的长度。
18.在本技术的功分器中，所述矩形环的宽度大于三分之一所述矩形环的长度，小于二分之一所述矩形环的长度。
19.在本技术的功分器中，所述直线槽伸入所述闭合传输线的长度大于五分之一所述矩形环的长度，小于四分之一所述矩形环的长度。
20.在本技术的功分器中，所述闭合传输线为圆环传输线，所述直线槽的远离所述圈槽的端部位于所述圆环传输线的圆心。
21.本技术的有益效果为：区别于现有技术，本技术提供的功分器，包括介质层和附着在介质层一侧的第一金属层以及附着在介质层另一侧的第二金属层，其中，第一金属层包括功分单元，功分单元包括输入端口、第一输出端口和第二输出端口；第二金属层包括隔离单元，隔离单元设置于第一输出端口和第二输出端口之间，当隔离单元被奇模激励时，以使隔离单元形成电壁，以对第一输出端口和第二输出端口的进行隔离，从而使功分器无需安装隔离电阻，即可工作在w波段，且第一输出端口和第二输出端口间仍具有高隔离度。
附图说明
22.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1为本技术实施例提供的传统功分器的结构示意图；
24.图2为本技术实施例提供的功分器的结构示意图；
25.图3为本技术实施例提供的矩形环槽的信号方向示意图；
26.图4为本技术实施例提供的三种测试功分器的结构示意图；
27.图5为本技术实施例提供的四种功分器的仿真曲线图。
具体实施方式
28.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于
本技术中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
29.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
30.在本技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
31.在本技术中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
32.下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本技术的不同结构。为了简化本技术的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本技术。此外，本技术可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本技术提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
33.在通信、雷达系统中，功分器是重要器件之一。功分器全称功率分配器，是一种将一路输入信号能量分成两路或多路输出相等或不相等能量的器件，也可反过来将多路信号能量合成一路输出，此时也可称为合路器。
34.为了便于理解，在此对传统wilkinson功分器作简单介绍。如图1所示，对于基本的wilkinson功分器，包括三个端口，电磁信号由端口1输入，经过阻抗变换段由端口2和端口3输出，端口2和端口3之间采用隔离电阻隔离，其中，输入和输出端口的阻抗均为z0,隔离电阻的阻抗一般取z0的二倍，两段分支微带线的长度均为四分之一工作波长。当该传统wilkinson功分器工作在低频段时(低于ka波段)，通过在端口2和端口3之间加入隔离电阻即可实现两输出端口的良好隔离，然而，当该传统wilkinson功分器工作在高频段时，如w波段时，由于功分器结构尺寸较小，隔离电阻无法安装，将导致两输出端口隔离度较差。为了解决上述问题，本技术采用的技术方案是提供一种功分器，无需安装隔离电阻，即可工作于w波段，且两个输入端口之间具有高隔离度。
35.请参阅图2，图2是本技术实施例提供的功分器的结构示意图。如图2所示，功分器1000主要包括介质层100和附着在介质层100一侧的第一金属层以及附着在介质层100另一侧的第二金属层，其中，第一金属层包括功分单元110，功分单元110包括输入端口111、第一输出端口113和第二输出端口114，第二金属层包括隔离单元120，隔离单元120设置于第一输出端口113和第二输出端口114之间，当隔离单元12被奇模激励时，以使隔离单元120形成电壁，以对第一输出端口113和第二输出端口114进行隔离。
36.容易理解的是，当功分器1000工作于高频段的情况下，电路尺寸将会缩小，电路布局受到限制，并且两输出端口互耦严重进而影响其性能。本技术提供的功分器不需要在输出端口之间安装隔离电阻，可以直接通过隔离单元120对输出端口的输出信号进行隔离，因此连接两个输出端口的传输线可以任意张开弯曲以便连接下一级电路模块，使其之间的耦合作业更小。
37.在一些实施例中，该功分单元110还包括闭合传输线112，输入端口111、第一输出端口113和第二输出端口114均与闭合传输线112相连接，该隔离单元120由在第二金属层上设置的槽线部120所构成，槽线部120从第一输出端口113和第二输出端口114之间伸入闭合传输线112，当第一输出端口113的第一输出信号和第二输出端口114的第二输出信号从闭合传输线112流经隔离单元120，隔离单元120被奇模激励，以使隔离单元120形成电壁，以对第一输出端口113和第二输出端口114进行隔离。
38.具体地，在本实施例中，该功分单元110可以为改进型wilkinson二等分功分器，电磁波可以从输入端口111进入功分单元110，被等分为两个等幅等相的输出信号，经由闭合传输线112传输至第一输出端口113和第二输出端口114，实现功分效果。
39.具体地，通过在第二金属层上设槽线部120，实现功分器1000的缺陷地结构。
40.在本实施例中，通过在介质层100表面附着第一金属层和第二金属层，并在第二金属层上开设槽线构成隔离单元120，这种平面传输结构的设计使得本技术提供的功分器具有成本更低、结构更加紧凑灵活等优点。
41.在一些实施例中，该槽线部120包括相连接的圈槽122和直线槽121，该直线槽121从圈槽122向圆环传输线112方向延伸，从第一输出端口113和第二输出端口114之间伸入闭合传输线112中，以对第一输出端口113和第二输出端口114进行隔离。
42.在本实施例中，圈槽122为闭合连接的槽体。该圈槽122的截面形状可以包括矩形环、圆环、椭圆环等形状中的任一种。例如，可以根据终端设备内实际上给功分器1000预留的面积，来设置该圈槽122的形状和面积。例如，可以根据功分器1000的工作频率范围来确定该圈槽122的形状和面积。例如可以根据功分器1000的工作频率范围，以及功分单元110和隔离单元120的匹配性能来确定该圈槽122的形状和面积。
43.在一些实施例中，该直线槽121的中心轴线的延长线经过圈槽122的中心点将圈槽122划分为相对称的第一部和第二部；
44.当目标输出信号从闭合传输线112流经直线槽121后，被分为等幅反向的第一目标输出信号和第二目标输出信号，第一目标输出信号流经圈槽122的第一部，第二目标输出信号流经圈槽122的第二部，第一目标输出信号和第二目标输出信号在圈槽122的第一部和第二部的第一连接处相抵消，以对第一输出端口和第二输出端口进行隔离；
45.其中，第一连接处为远离直线槽121的连接处，目标输出信号为第一输出信号或第
二输出信号。
46.容易理解的是，本技术实施例提供的功分单元110，结构对称，各路信号经过的电长度相同，因此输入信号被等分为两份从输出端口输出。然而，在实际应用中，信号由于某种原因，输出信号可能在某个输出端口处反射，则反射信号一部分会传输至另一输出端口，另一部分会反射回输入端口，并在传输线处再度分配，重新传输至两个输出端口。在本实施例中，当输出信号在某端口处反射至另一输出端口时，经过直线槽121，反射信号经由直线槽121进入圈槽122，并被等分为两路大小相等、相位相差180
°
的信号，最后可以相遇抵消，从而实现两输出端口之间的相互隔离。
47.值得注意的是，由上述描述中可知，功分器工作于高频段的情况下，对其尺寸要求更高，若隔离单元120尺寸越大，则两个输出端口应该间距更远，因此，圈槽122的形状可以采用宽度较小的矩形环或椭圆环。
48.例如，如图2所示，该圈槽122的截面形状可以为矩形环。该截面为沿介质层100水平面方向截取该圈槽122得到的平面图形。
49.为了便于理解，运用奇偶模理论对功分器1000的结构进行分析。当偶模激励时，第一输出端口113和第二输出端口114的信号等幅同相，槽线部中心面，即槽线部120对称轴所在平面，相当于一磁壁，槽线部120不被激励，信号在输入端口111合成输出。当奇模激励时，第一输出端口113和第二输出端口114的信号等幅反相，槽线部中心面相当于一电壁，以对第一输出端口113和第二输出端口114的输出信号进行隔离。例如，当槽线部120被奇模激励时，如图3所示，箭头方向表示信号传输方向，由于槽线部120的末端是圈槽122，信号由直线槽121进入圈槽122后，被等分为两路大小相等、相位相差180
°
的信号，这两路信号在圈槽122中传输到达aa
′
处时，等幅反向的两路信号相遇抵消，以抑制第一输出端口113和第二输出端口114之间的耦合，从而你对第一输出端口113和第二输出端口114进行隔离。
50.值得注意的是，上述奇偶模理论仅为一种分析方法，实际应用时，功分器1000可以看作这两种模式的线性组合。
51.在一些实施例中，本技术所采用的介质层100的材质可以包括玻璃、聚四氯乙烯(ptfe)以及陶瓷，厚度可以为0.127毫米，介电常数可以为2.95，损耗角正切0.0013。
52.容易理解的是，介质层100的介电常数以及厚度均会对功分单元110以及隔离单元120产生一定的影响，因此，可以根据介质层100的介电常数以及厚度确定槽线部120以及功分单元110的尺寸。
53.具体地，可以根据该公式确定槽线部120的波导波长：其中，ε
r
为介质层100的介电常数，ε
′
re
＝(ε
r
1)/2，λ
g
为槽线的波导波长，其中，得到该波导波长后，需保证槽线部120从左端到右端的总路径在一个波导波长左右，因为电磁波经过一个波导波长就是一个周期，可以保证进入槽线部的信号相位不变，奇模激励时，两个相反的信号相遇抵消。
54.在本实施例中，如图2所示，根据该波导波长，该矩形环122的长度l1可以为四分之一波导波长，该直线槽121的长度范围可以为l1/3<l2<l1/2，矩形环122的宽度范围可以为l1/3<w2<l1/2。该矩形环122的切角半径cut1和cut2可以和槽线的宽度接近，可以减小电磁波的反射。
55.具体地，可以根据该公式确定槽线部120的宽度：
56.在上述公式中，z
s
为槽线部120的特性阻抗，，w为槽线部120的宽度，h为介质层100的厚度，λ0为自由空间波长。其中，c为真空中的光速，f为功分器的工作频率。根据该公式可以计算出槽线部的宽度，即如图2所示的w1。在采用上述介质层100以及本技术提出的工作频段内，经过计算，其范围可以为l1/11<w1<l1/9。
57.在本实施例中，直线槽121伸入圆环传输线112的长度可以大于五分之一矩形环122的长度，小于四分之一矩形环122的长度。
58.具体地，通过调整直线槽121伸入圆环传输线112的长度可以改善端口的匹配度，经过调整确定，直线槽121伸入圆环传输线112的长度范围在大于五分之一矩形环122的长度，小于四分之一矩形环122的长度时，各端口具有良好的阻抗匹配。
59.具体地，直线槽121的远离矩形环122的端部可以位于圆环传输线112的圆心。
60.在本实施例中，直线槽121的远离矩形环122的端部位于圆环传输线112的圆心时，功分器端口具有良好的输出阻抗匹配，改善功分器性能。
61.具体地，可以根据该公式确定功分单元110的尺寸：其中，z0为微带线特性阻抗，ε
re
为介质层100的有效介电常数，ε
r
为介质层100的介电常数，ω为微带线宽度，h为介质厚度，其中，微带线的波导波长根据该波导波长，需保证隔离单元从输入端口至输出端口的路径在一个波导波长左右，得到该功分单元各部分的尺寸。
62.具体地，在本实施例中，功分单元110和隔离单元120各部分的尺寸可以如下：圆环传输线112的内径r1为0.28毫米，圆环传输线112的外径r2为0.38毫米。输入端口111的长度l3为0.57毫米,输入端口111的宽度w3为0.24毫米。两个输出端口的长度l4为0.6毫米,两个输出端口的宽度w4为0.18毫米。两个输出端口与通过微带线与圆环传输线112连接，连接的微带线部分宽度w5为0.12毫米，连接的微带线部分长度l5为0.68毫米。槽线部120的宽度w1为0.12毫米，矩形环122的长度l1为0.57毫米，直线槽121的长度l2为0.5毫米，矩形环122的宽度w2为0.12毫米,矩形环122的内环切角半径cut1和外环切角半径cut2分别为0.05和0.17。
63.在一些实施例中，第一金属层和第二金属层的材质均为铜。
64.容易理解的是，铜的导电性仅次于银，但铜的成本远低于银，本领域多采用铜构成传输线或接地板。
65.在本实施例中，第一金属层和第二金属层的厚度可以为0.035毫米。其中，第二金属层的槽线部120的深度也为0.035毫米。
66.在一些实施例中，该功分器1000还可以包括第二介质层，该第二介质层的位置可以包括以下任一位置：第二介质层位于介质层第一金属层之间；第二介质层位于第一金属层上远离介质层的一侧；第二介质层位于第二金属层上远离介质层的一侧。
67.请参阅图4，作为对比，本技术实施例还提供三种测试功分器结构，结构(1)的功分器不开设槽线也不加入隔离电阻，结构(2)的功分器第一输出端口和第二输出端口间的微带传输线断开，结构(3)的功分器在第一输出端口和第二输出端口之间加入100欧姆电阻，并分别对这三种结构以及功分器1000进行仿真。
68.请参阅图5，仿真结果(1)以及仿真结果(2)为四种功分器的回波损耗示意图，功分器1000的回波损耗约为27db至37db，结构(1)和结构(2)的回波损耗约为26db至29db,结构(3)的回波损耗约为25db至33db，本技术实施例提供的功分器1000的回波损耗最小。仿真结果(3)为四种功分器的插入损耗示意图，本技术实施例提供的功分器1000的插损小于3.6db，与其他三种结构的插损差别不大。仿真结果(4)为四种功分器的隔离度曲线图，功分器1000的隔离度约为24db至30db，结构(1)和结构(2)的隔离度约6db，结构(3)输出端口间的隔离度约为22db至24db。由仿真数据可以看出，功分器1000输出端口间的隔离度至少提升20db。
69.综上，该功分器1000驻波好、输出端口之间的隔离度高、且不需要在输出端口之间安装隔离电阻，使两个输出端口可以任意张开弯曲，使其之间的耦合作用更小。同时，采用平面传输结构可以节约成本，使机构更加紧凑灵活，方便在电路中集成。
70.区别于现有技术，本技术提供的功分器1000介质层100和附着在介质层一侧的第一金属层以及附着在介质层另一侧的第二金属层，其中，第一金属层包括功分单元110，该功分单元包括输入端口111、第一输出端口113和第二输出端口114；第二金属层包括隔离单元120，该隔离单元120设置于第一输出端口113和第二输出端口114之间，当隔离单元120被奇模激励时，以使隔离单元120形成电壁，以对第一输出端口113和第二输出端口114的进行隔离，从而使功分器无需安装隔离电阻，即可工作在w波段，且第一输出端口和第二输出端口间仍具有高隔离度。
71.除上述实施例外，本技术还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效替换形成的技术方案，均落在本技术要求的保护范围。
72.综上所述，虽然本技术已将优选实施例揭露如上，但上述优选实施例并非用以限制本技术，本领域的普通技术人员，在不脱离本技术的精神和范围内，均可作各种更动与润饰，因此本技术的保护范围以权利要求界定的范围为准。