一种高隔离度的无源功分网络的制作方法

1.本技术涉及微电子技术领域，尤其涉及了一种高隔离度的无源功分网络。


背景技术：

2.射频毫米波电路中通常会使用无源功分网络进行功率的分配和合成，通过无源功率分配器件可以将单路毫米波信号的功率分配为两路以上的信号，分别针对该两路以上的信号进行处理（通常由有源电路执行）后再通过无源功率合成器件（从概念上，也认为是一种功率分配器件）进行功率合成，从而得到经过信号处理的单路信号。其中，功率分配器件是一种可将单路输入信号的功率分为多路输出，或者恰恰相反，是一种将多路输入信号的功率合并为单路输出的元器件。其中，所述多路输出/输入的功率可以相等或不相等。而无源功分网络是使用无源功率分配器件的电路网络。
3.但是在一些不同的应用场景中，需要对其中进行信号处理工作的多个有源电路的数量进行调整，也就是说，有时候会需要导通或关闭若干个有源电路。然而由于无源网络的传递性，在一个无源功分网络中增加（导通）或减少（关闭）一路有源电路将引起其他有源电路对地阻抗的变化。例如，如图1所示，从无源功分器件3的端口e输入单路的信号，该信号通过无源功分器件3被分成了2路信号，通过端口a和端口b与有源电路1和有源电路2连接，由有源电路1和有源电路2分别来处理该2路信号。处理后的信号则通过端口b和端口d接入无源合路器件4中，由无源合路器件4将两路信号合并为单路信号，通过端口f输出。当有源电路1这一支路被关闭时，端口a和端口b的到地阻抗明显改变，此时，由于无源功分器件3和无源合路器件4都是无源器件，对端口阻抗具有传递性，因此端口e、端口c、端口d和端口f的到地阻抗也会发生连锁的变化，尤其是有源电路2的输入端（端口c）阻抗和输出端（端口d）阻抗的变化会改变有源电路2的性能，但该改变又很难预测。
4.因此，亟需设计一种高隔离度的无源功分网络，使其中的多路有源电路之间的相关度降低，当一路有源电路打开/关闭时，不会影响到其他有源电路的等效输入/输出阻抗。


技术实现要素：

5.为了解决上述缺陷，本技术提出了一种高隔离度的无源功分网络，包括：第一无源功分器件，具有1个合成端和至少2个分配端；有源电路，包括至少2路并联的所述有源电路，所述有源电路的一端与所述第一无源功分器件的所述分配端一一连接；第一阻抗补偿电路，一端与所述第一无源功分器件的所述分配端连接，另一端接地，所述第一阻抗补偿电路的到地电阻与相应的所述有源电路的所述一端的到地阻抗相当；所述第一阻抗补偿电路受控，当所述有源电路关断时，相应的所述第一阻抗补偿电路用于补偿所述有源电路的到地阻抗，以维持所述第一无源功分器件的所述分配端的到地阻抗保持不变。
6.上述的无源功分网络中，所述第一阻抗补偿电路还设有第一开关，所述第一开关导通时，所述第一阻抗补偿电路接入所述无源功分网络，所述第一开关断开时，所述第一阻抗补偿电路与所述无源功分网络断开。
7.上述的无源功分网络中，所述有源电路与所述第一无源功分器件的所述分配端之间设有第二开关，所述第二开关导通时，所述有源电路接入所述无源功分网络，所述第二开关断开时，所述有源电路与所述无源功分网络断开。
8.上述的无源功分网络中，所述第一开关和所述第二开关的导通/断开的状态保持相反。
9.上述的无源功分网络中，还包括：第二无源功分器件，具有1个合成端和至少2个分配端，所述有源电路的另一端与所述第二功分器件的所述分配端一一连接；第二阻抗补偿电路，一端与所述第二无源功分器件的所述分配端连接，另一端接地，所述第二阻抗补偿电路的到地电阻与相应的所述有源电路的所述另一端的到地阻抗相当；所述第一阻抗补偿电路和所述第二阻抗补偿电路同步受控，当所述有源电路关断时，相应的所述第一阻抗补偿电路和所述第二阻抗补偿电路分别补偿所述有源电路两端的到地阻抗，以维持所述第一无源功分器件的所述分配端和所述第二无源功分器件的所述分配端的到地阻抗保持不变。
10.上述的无源功分网络中，所述第二阻抗补偿电路还设有第三开关，所述第三开关导通时，所述第二阻抗补偿电路接入所述无源功分网络，所述第三开关断开时，所述第二阻抗补偿电路与所述无源功分网络断开。
11.上述的无源功分网络中，所述有源电路与所述第二无源功分器件的所述分配端之间设有第四开关，所述第四开关导通时，所述有源电路接入所述无源功分网络，所述第四开关断开时，所述有源电路与所述无源功分网络断开。
12.上述的无源功分网络中，所述第三开关和所述第四开关的导通/断开的状态保持相反。
13.与现有技术相比，本技术在无源器件与有源电路之间设置阻抗补偿网络，在相应的有源电路导通的时候，所述阻抗补偿网络不接入无源功分网络（即不起到补偿作用），当相应的有源电路关闭的时候，所述阻抗补偿网络接入无源功分网络，以补偿该有源电路关断所造成的端口阻抗的改变，从而保证了所述的无源功分网络各端口的阻抗保持不变，消除了有源电路的导通/关闭的状态改变对各端口阻抗的不良影响，即，提高了无源网络中各端口之间的隔离度。
附图说明
14.图1是现有技术中无源功分网络的一个示意图；图2是本技术的包含阻抗补偿网络的无源功分网络的示意框图；图3是图2的对比图，其中有源电路1这一支路被关闭（断开），由阻抗补偿网络进行阻抗补偿；图4是一组两路功率合成网络的对比图，其中，状态改变前，两路放大器amp1、amp2
都处于导通（工作）状态，状态改变后，放大器amp2被关闭（断开），切换开关有相应变化，以使阻抗补偿网络起到阻抗补偿的作用；图5是以正交耦合器作为功率分配器件的无源功分网络的一个应用示意图；图6是利用巴伦耦合原理作为功率分配器件的无源功分网络的一个应用示意图；图7是在利用巴伦耦合电路构成的差分电路中进行阻抗补偿的一个应用示意图；图8是在多种电路嵌套的情况下，设置阻抗补偿网络的应用示意图。
具体实施方式
15.以下由特定的具体实施例说明本技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本技术的其他优点及功效。虽然本技术的描述将结合较佳实施例一起介绍，但这并不代表此发明的特征仅限于该实施方式。恰恰相反，结合实施方式作发明介绍的目的是为了覆盖基于本技术的权利要求而有可能延伸出的其它选择或改造。为了提供对本技术的深度了解，以下描述中将包含许多具体的细节。本技术也可以不使用这些细节实施。此外，为了避免混乱或模糊本技术的重点，有些具体细节将在描述中被省略。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
16.应注意的是，在本说明书中，相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释，默认为同一定义。
17.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本技术的实施方式作进一步地详细描述。
18.图2是本技术所提出的一种高隔离度的无源功分网络的示意框图，所述无源功分网络包括：第一无源功分器件（作为功率分配器使用，例如，图中所示的无源功分器件3）、第二无源功分器件（作为功率合成器使用，例如，图中所示的无源合路器件4）、有源电路（例如，图中所示的有源电路1、2）、第一阻抗补偿电路（例如，图中所示的补偿电路5、7）以及第二阻抗补偿电路（例如，图中所示的补偿电路6、8）。
19.功分器是一种可以将一路输入信号的能量分成两路或多路输出信号，或者反过来，将两路或多路输入信号的能量合成为一路信号的器件。在后一种情况下，有时将功分器称为合路器。基于图2所示的电路模块图，本实施例中为了使说明清楚，将第一无源功分器件称为无源功分器件3，将第二无源功分器件称为无源合路器件4。
20.具体的，无源功分器件3具有一个合成端e和两个分配端a、c，无源合路器件4具有一个合成端f和两个分配端b、d。输入信号从合成端e输入图示电路后，分成两路信号，分别从分配端a和c输入有源电路1和2，经过有源电路1和2处理的两路信号从分配端b、d输入无源合路器件4，从而将经过处理的两路信号再次合成一路信号，并从合成端f输出。当有源电路1处于工作状态（也可以说是导通状态）时，其与分配端a、b分别电连接，有源电路1在分配端a处具有输入阻抗zi_on，在分配端b出具有输出阻抗zo_on。同理，有源电路2在工作状态下，在分配端c也具有相应的输入阻抗，在分配端d也具有相应的输出阻抗，而有源电路1和有源电路2在断开状态（即非工作状态）时，对于与其连接的无源功分器件3和无源合路器件4来说，有源电路1和有源电路2的输入阻抗和输出阻抗产生变化，从而会影响无源功分网络各端口的输入/输出阻抗。
21.为了消除有源电路1断开对有源电路2的影响，或者正好相反，为了消除有源电路2的导通/闭合对有源电路1的影响，本实施例在分配端a、b、c、d处分别增加了阻抗补偿电路。
22.以下结合图3，对照着来分析。图3是图2的对比图，其中有源电路1这一支路被关闭（断开），由阻抗补偿网络5和6进行阻抗补偿。如图2和3所示，在分配端a和地之间增加了补偿电路5，在分配端b和地之间增加了补偿电路6，在分配端c和地之间增加了补偿电路7，在分配端d和地之间增加了补偿电路8。补偿电路5~8的结构可以是一样的，例如，如图2和3的补偿电路5~8所示，均采用了补偿阻抗（如图2和3中z1~4所示）加控制开关（如图2和3中sw1-8所示）的结构。其中，补偿阻抗z1~4的值分别与有源电路1和有源电路2的输入/输出端口的到地阻抗相当。具体的，如图2和3所示，有源电路1的输入端的到地阻抗为zi_on，当开关sw1导通、sw2断开的情况下（如图2所示），无源功分器件3的分配端a的到地阻抗也是zi_on。但是，当开关sw1断开、sw2也断开时，分配端a悬空，阻抗出现大幅度变化，为了保证分配端a的到地阻抗稳定，此时，按图3所示，令开关sw1断开，开关sw2导通，以使补偿电路5中的补偿阻抗z1来代替有源电路1的输入阻抗，即补偿阻抗z1的取值与有源电路1的输入端的到地阻抗zi_on相当，以补偿开关sw1断开而导致的分配端a的到地阻抗的剧烈变化。或者说，可以令开关sw1和sw2的导通/断开状态维持在相反的状态下，这样，无论是有源电路1接入无源功分网络还是补偿电路5接入无源功分网络，分配端a的到地阻抗可以始终维持不变，从而不会对同一无源功分网络中的其他电路，例如有源电路2产生不良的影响。
23.同理，在有源电路1的输出端，即无源合路器件的分配端b处，补偿电路6中的补偿电阻z3的取值与有源电路1的输出端的到地阻抗为zo_on相当，开关sw5和sw6的导通/断开状态维持在相反的状态，则无论是有源电路1接入无源功分网络还是补偿电路6接入无源功分网络，分配端b的到地阻抗可以始终维持不变，从而不会对同一无源功分网络中的其他电路，例如有源电路2产生不良的影响。
24.对于有源电路2，补偿电路7中的补偿阻抗z2的取值与有源电路2的输入阻抗相当，则当开关sw3断开，sw4导通时，由补偿阻抗z2来补偿有源电路2的输入端阻抗；补偿电路8中的补偿阻抗z4的取值与有源电路2的输出阻抗相当，则当开关sw7断开，sw8导通时，由补偿阻抗z4来补偿有源电路2的输出端阻抗。从而有源电路2的导通/断开的状态改变不会影响到如图2和图3所示的无源功分网络中的其他端口的阻抗。
25.图2及图3所示的框图是以一分二（或者二合一）的功分器为例来进行说明的，本领域普通技术人员当知，当无源功分器件3和无源合路器件4为多路的功分器时，只需在相应端口相应增加上述的补偿电路即可。
26.并且，图2和图3所示的无源功分网络是同时具有功率分配器（例如，无源功分器件3）和功率合成器（例如，无源合路器件4）的，但是，在有些应用场合，可能只需要功率分配器或只需要功率合成器，对于这样的应用场合，上述的在端口设置补偿电路的方法也同样可行。
27.图4所示即是一组仅有功率合成器的无源功分网络的示意图。图中示出了二输入的功率合成器p1，两路输入信号通过端口a和c（相当于图2和图3中的分配端a和c）输入到功率合成器p1中，从而在功率合成器p1的输出端f（相当于图2和图3中的合成端f）得到合成后的单路信号。图4中，端口a和c处没有其他的无源网络，因此不需要设置补偿电路，功率合成器p1的输入端b、d（相当于图2和图3中的分配端b、d）处设有补偿电路6和8。左图中，开关sw5
和开关sw7导通，开关sw6和开关sw8断开，两路放大器amp1、amp2都处于导通（工作）状态，补偿电路6和8均未接入电路中。右图中，开关sw5继续导通，开关sw6则保持断开状态，即放大器amp1继续工作，补偿电路6不起作用，而放大器amp2则停止了工作，即开关sw7断开，开关sw8导通，补偿电路8接入电路中，补偿阻抗z4取代放大器amp2将功率合成器p1的输入端d的到地阻抗固定在原有的阻抗值上，从而不影响放大器amp1的工作，即补偿电路8起到阻抗补偿的作用。
28.图5是以正交耦合器作为功率分配器件的无源功分网络的一个应用示意图。本技术中，功分器件用于限定功率分配这一功能，实际的功分器件可以是一个独立的功分器（例如，图4中所示的功率合成器p1和图5中所示的正交耦合器），也可以是多个功分器叠加组合构成的功分器网络，还可以是利用多个独立元器件构成的实现功分作用的电路（例如，图6中所示的，利用巴伦耦合的原理构建的电感组）。
29.图5所示无源功分网络与图2所示相类似，差别只在于以正交耦合器分别作为无源功分器件3和无源合路器件4来使用，并且，图2中的无源功分器件3和无源合路器件4不改变信号的相位，而本实施例中的正交耦合器不仅将从端口e输入的信号一分为二，还将输出的两路信号的相位调整为正交的两路信号。图5所示电路中，当放大器amp1和放大器amp2同时工作时（即开关sw1、sw5、sw3、sw7均导通，而开关sw2、sw6、sw4、sw8均断开时），补偿电路中的开关sw2、sw6、sw4、sw8没有接入电路中，不起（也不需要）补偿的作用。而当开关sw1和sw5断开，即放大器amp1不工作时，如图5所示，开关sw2则导通，引入补偿阻抗z1，使其补偿放大器amp1的输入端阻抗，开关sw6导通，引入补偿阻抗z3，使其补偿放大器amp1的输出端阻抗。同时，流向放大器amp2的信号则是导通状态（开关sw3和sw7导通），补偿电路7和8不起作用。图6是利用巴伦耦合原理作为功率分配器件的无源功分网络的一个应用示意图。图中所示的是电压合成的模式，在其他的实施例中，还可以使用电流合成的模式。图中，利用电感组l作为无源合路器件4，将经放大器amp1、amp2放大的两路信号都耦合到端口f，使其合成为一路信号。本实施例中，可以将补偿阻抗z3和z4直接取值为0。理想情况下，加一个和放大器的输出端口阻抗相同的补偿阻抗是最优的，但是实践中考虑版图布局等因素，也可以选择只保留补偿电路的开关，如图6所示。因此，图中未示出补偿阻抗z3和z4，而仅保留了同一支路上的开关sw6和sw8。图中，当开关sw6关闭时，放大器amp1不工作，放大器的输出端，即电感组l（即无源合路器件4）的分配端b的阻抗固定在0。此时不工作的放大器amp1的输出阻抗即使产生变化，对端口b来说阻抗依旧是0不会改变，也不会影响到放大器amp2的正常工作，提高了端口间隔离度。
30.图7是在利用巴伦耦合电路构成的差分电路中进行阻抗补偿的一个应用示意图。图中，电感组l1和l3相当于图2中的无源功分器件3，电感组l2和l4相当于图2中的无源合路器件4，放大器amp1和amp2相当于有源电路1和2。将差分对短接后，取得了虚地的效果，阻抗补偿网络中的补偿阻抗z1~z4可以取值为0，即如图所示，可以省略补偿阻抗z1~z4，而只保留开关sw2、sw4、sw6和sw8。当放大器amp1不工作时，开关sw2和sw6导通后，该两处节点等效为虚地，电感组l1和l2与放大器amp1之间的阻抗固定为0。
31.图8是在多种电路嵌套的情况下，设置阻抗补偿网络的应用示意图。图中，为了幅面清洁，未将所有元器件都标注上序号。图中，第一层无源功分网络由二输出的功率分配器p2，二输入的功率合成器p1以及它们之间的电路组成。与图2相对照，补偿阻抗z1、开关sw2
和sw1组成了补偿电路5，用来补偿开关sw1断开所造成的阻抗的变化；补偿阻抗z2、开关sw3和sw4组成了补偿电路7，用来补偿开关sw3断开所造成的阻抗的变化；补偿阻抗z3、开关sw5和sw6组成了补偿电路6，用来补偿开关sw5断开所造成的阻抗的变化；补偿阻抗z4、开关sw7和sw8组成了补偿电路8，用来补偿开关sw7断开所造成的阻抗的变化。
32.第二层无源功分网络由正交耦合器o1和o2以及它们之间的电路组成（另一组正交耦合器即它们之间的电路结构与正交耦合器o1和o2以及它们之间的电路相同，此处不赘述，后文中相同的结构也不反复说明）。与图2和图5相对照，补偿阻抗z1a和开关sw2a组成了补偿电路5，用来补偿正交耦合器o1的i路关断后所引起的输出端的阻抗变化；补偿阻抗z2a和开关sw4a组成了补偿电路7，用来补偿正交耦合器o1的q路关断后所引起的输出端的阻抗变化；补偿阻抗z3a和开关sw6a组成了补偿电路6，用来补偿正交耦合器o2的i路关断后所造成的阻抗的变化；补偿阻抗z4a和开关sw8a组成了补偿电路8，用来补偿正交耦合器o2的q路关断后所造成的阻抗的变化。
33.第三层无源功分网络是利用巴伦耦合构成的差分电路，与图7所示的差分电路相同，这一层的无源功分网络中，补偿阻抗均设为0，即各补偿电路中只保留开关即可。与图2相对照，开关sw2b构成了补偿电路5，开关sw6b构成了补偿电路6用来补偿i_1支路关闭时所造成的阻抗的变化；开关sw4b构成了补偿电路7，开关sw8b构成了补偿电路8用来补偿i_2支路关闭时所造成的阻抗的变化。
34.图8所示的电路中，综合运用了功分器（合路器）、正交耦合器和巴伦耦合电路进行功率的分配和合成，可以对8路有源电路进行组合，可以按同时开启的支路数量1、2、4、8来合成信号，从而对于一路射频输入来说，可以实现4种不同功率的射频输出。并且，由于在电路网络中加入了阻抗补偿网络，可以有效提高8路支路之间的隔离度，使得无论同时开启的支路数量是多少，都可以稳定的工作，而不受关断支路的影响。
35.综上，本技术为了提高无源网络中各端口之间的隔离度，在无源器件与有源电路之间设置阻抗补偿网络，在相应的有源电路导通的时候，所述阻抗补偿网络不接入无源功分网络（即不起到补偿作用），当相应的有源电路关闭的时候，所述阻抗补偿网络接入无源功分网络，以补偿该有源电路关断所造成的端口阻抗的改变，从而保证了所述的无源功分网络各端口的阻抗保持不变，消除了有源电路的导通/关闭的状态改变对其他各支路造成的不良影响。
36.需声明的是，本技术所提供的说明书中提供了大量具体细节。然而，能够理解，本技术的实施例可以在没有部分或全部这些具体细节的情况下实施。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
37.类似地，为了精简本技术并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本技术的示例性实施例的描述中，本技术的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本技术要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本技术的单独实施例。
38.本领域的技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改
变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的替代特征来代替。
39.此外，本领域的技术人员应当理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本技术的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。