[发明专利]支持微波毫米波频段协同工作的功率分配器及其设计方法

说明书

本发明公开了一种支持微波毫米波频段协同工作的功率分配器及其设计方法，该功率分配器包含顶层向内折叠的微带分支线，四条端口线；介于顶层和中间层金属地之间的介质基板；中间层的金属地以及刻在其上的四条开槽；底层微单元以及若干个沿着微带单元边缘分布的金属化过孔、介质基板。微带分支线、四条端口线、介质基板和中间层金属地用来构成微波频段的定向耦合器。中间层的四条开槽用于抑制微带线耦合器在毫米波频段的谐波和激励毫米波电路。底层微单元以及若干个沿着微带单元边缘分布的金属化过孔、介质基板构成毫米波频段的功率分配器。微波和毫米波频段的器件可独立工作互不影响，可实现任意的频率比、任意的耦合因数和功率分配形式。

技术领域

本发明涉及微波、毫米波通信中使用的功率分配器领域，更具体地，涉及一种支持微波毫米波频段协同工作的功率分配器及其设计方法。

背景技术

移动互联网颠覆了传统移动通信业务模式，为用户提供前所未有的使用体验，深刻影响着人们工作生活的方方面面。物联网扩展了移动通信的服务范围，从人与人通信延伸到物与物、人与物智能互联，使移动通信技术渗透至更加广阔的行业和领域。为了应对未来爆炸性的移动数据流量增长、海量的设备连接、不断涌现的各类新业务和应用场景，发展第五代移动通信(5G)技术已成为一个必然趋势。为此，2013年2月，中国工业和信息化部、国家发展和改革委员会、科学技术部联合成立了IMT-2020(5G)推进组。2014年5月，IMT-2020(5G)推进组发布了第一份5G白皮书——《5G愿景与需求白皮书》。该白皮书指出，5G需要具备比4G更高的数据传输速率以及频谱效率。传统移动通信系统的工作频段主要集中在3GHz以下，这使得频谱资源十分拥挤，而在高频段(如毫米波频段)可用频谱资源丰富，能够有效缓解频谱资源紧张的现状，可以实现极高速短距离通信，支持5G容量和传输速率等方面的需求。因此我国的5G频谱将会是6GHz以下的微波频段加上毫米波高频段的组合。与此同时，随着支持全高清(FHD)视频流媒体和4K视频的移动设备逐渐成为主流，消费者对数据带宽的需求持续成倍数增长，现有的WIFI等室内无线通信技术已不能满足人们对带宽的要求，未来室内无线通信迫切需要一种新的高速无线传输技术。因此WiGig联盟与WiFi联盟共同提出IEEE 802.11ad标准，引入60G毫米波频段以解决现有无线局域网频谱拥挤以及传输速率不足等问题。根据标准约定，802.11ad通信系统需要在2.4/5/60G三个频段上随意切换。上述两个场景中所需要的微波和毫米波协同工作给下一代无线通信系统的实现带来巨大挑战。对于网络侧，需要满足异构组网，支持系统兼容，满足系统间切换漫游等。对于设备而言，硬件设备需要同时支持微波频段和毫米波频段。因此无线通信系统的重要组件譬如天线、有源电路、无源电路等都需要同时支持微波和毫米波这两个频段。但是现有的双频/多频结构仅限于单一频段工作制式，不能满足上述要求。因此只能通过采用两套分别独立工作在微波和毫米波频段的系统来进行切换，但随之带来的是更大的尺寸、更高的成本、劣化的性能，这不满足现代通信系统在小型化、低成本、高性能等方面的要求。

随着无线通信技术的迅猛发展，兼容多个通信标准的通信系统以其低成本、高兼容性等优势成为无线通信发展的必然趋势，因而系统中的各个重要电路组件亦需要同时支持多个工作频率。当枝节加载在一个单频电路上可产生两个工作模式，因此该结构被用于实现双频滤波器，并应用到功分器，耦合器等器件上。而耦合线结构本身具备双频特性也可用以实现双频功分器和耦合器等。除此之外，可利用共面波导(CPW)馈电结构的独特性，同时对基于不同介电常数介质基板的两个单元进行馈电，从而实现双频带通滤波器。采用加载不同缝隙的两个片状单元结合共面波导馈电结构来实现双频工作。为进一步提高系统的集成度，相关的组件也相应扩展到三频工作制式。除此之外，申请人通过在片状单元上加载互补开口谐振环实现可在两个工作频率上提供不同功分比的双频正交耦合器。以上各种双频/三频结构所能提供的最大工作频率比大约为4，并不足以同时覆盖微波和毫米波两个频段，无法应对下一代无线通信微波毫米波协同工作的要求。

发明内容