本发明公开了一种基于E型谐振器的四路正交信号发生器，包括介质板(2)、位于介质板下表面的金属地板(1)、位于介质板上表面的输入端口馈线(3)、第二输出端口馈线(4)、第三输出端口馈线(5)、第四输出端口馈线(6)、第五输出端口馈线(7)、第一和第二E型谐振器(8，9)，第一和第二E型谐振器均包含二分之一波长谐振器(81，91)和对称面枝节加载单元(82，92)。第四输出端口馈线(6)的一端通过贯通介质板(2)的金属通孔(10)与金属地板(1)相接，第五输出端口馈线(7)的一端通过贯通介质板(2)的金属通孔(11)与金属地板(1)相接。本发明结构紧凑、相位偏差小、低损耗、低成本，适用于现代无线通信系统。
1.一种基于E型谐振器的四路正交信号发生器，其特征在于，包括介质板(2)，介质板(2)的上表面设有输入端口馈线(3)、第二输出端口馈线(4)、第三输出端口馈线(5)、第四输出端口馈线(6)、第五输出端口馈线(7)、第一E型谐振器(8)和第二E型谐振器(9)，介质板(2)的下表面设有金属地板(1)；所述第一E型谐振器(8)和第二E型谐振器(9)分别位于输入端口馈线(3)的左右两侧，且关于输入端口馈线(3)对称，且第一E型谐振器(8)和第二E型谐振器(9)的开口方向均朝上；所述第四输出端口馈线(6)位于第一E型谐振器(8)的左侧，且其一端通过贯通介质板(2)的第一金属通孔(10)与金属地板(1)相接，第一金属通孔(10)位于第一E型谐振器(8)的左上方；所述第五输出端口馈线(7)位于第二E型谐振器(9)的右侧，且其一端通过贯通介质板(2)的第二金属通孔(11)与金属地板(1)相接，第二金属通孔(11)位于第二E型谐振器(9)的右上方；所述第二输出端口馈线(4)位于第二E型谐振器(9)的右侧开口内，所述第三输出端口馈线(5)位于第一E型谐振器(8)的左侧开口内，且所述第二输出端口馈线(4)、第三输出端口馈线(5)关于输入端口馈线(3)对称；
所述输入端口馈线(3)包括相连的输入端口50欧姆微带线导带(31)、输入端口二分之一波长传输线(32)，其中输入端口二分之一波长传输线(32)弯折成平行的不等长两段；第一E型谐振器(8)包括第一二分之一波长谐振器(81)和第一对称面枝节加载单元(82)，第一对称面枝节加载单元(82)加载于第一二分之一波长谐振器(81)的中心；第二E型谐振器(9)包括第二二分之一波长谐振器(91)和第二对称面枝节加载单元(92)，第二对称面枝节加载单元(92)加载于第二二分之一波长谐振器(91)的中心；第二输出端口馈线(4)包括相连的第二输出端口50欧姆微带线导带(41)和第二输出端口四分之一波长耦合线(42)；第三输出端口馈线(5)包括相连的第三输出端口50欧姆微带线导带(51)和第三输出端口四分之一波长耦合线(52)；第四输出端口馈线(6)包括依次连接的第四输出端口50欧姆微带线导带(61)、第四输出端口四分之一波长耦合线(62)、第四输出端口接地部分传输线(63)，其中第四输出端口四分之一波长耦合线(62)为两臂不等长的L形折线段；第五输出端口馈线(7)包括依次连接的第五输出端口50欧姆微带线导带(71)、第五输出端口四分之一波长耦合线(72)、第五输出端口接地部分传输线(73)，其中第五输出端口四分之一波长耦合线(72)为两臂不等长的L形折线段；输入端口二分之一波长传输线(32)、第一对称面枝节加载单元(82)、第三输出端口四分之一波长耦合线(52)、第四输出端口四分之一波长耦合线(62)的长臂四者两两平行；输入端口二分之一波长传输线(32)、第二对称面枝节加载单元(92)、第二输出端口四分之一波长耦合线(42)、第五输出端口四分之一波长耦合线(72)的长臂四者两两平行；
所述输入端口馈线(3)的二分之一波长传输线(32)弯折形成的平行的两段分别与第一二分之一波长谐振器(81)、第二二分之一波长谐振器(91)进行平行耦合激励；第二输出端口馈线(4)的第二输出端口四分之一波长耦合线(42)与第二二分之一波长谐振器(91)进行平行耦合输出；第三输出端口馈线(5)的第三输出端口四分之一波长耦合线(52)与第一二分之一波长谐振器(81)进行平行耦合输出；第四输出端口馈线(6)的第四输出端口四分之一波长耦合线(62)的长臂与第一二分之一波长谐振器(81)进行平行耦合输出；第五输出端口馈线(7)的第五输出端口四分之一波长耦合线(72)的长臂与第二二分之一波长谐振器(91)进行平行耦合输出；
输入端口50欧姆微带线导带(31)、第二输出端口50欧姆微带线导带(41)、第三输出端口50欧姆微带线导带(51)、第四输出端口50欧姆微带线导带(61)、第五输出端口50欧姆微带线导带(71)尺寸相同；第一E型谐振器(8)和第二E型谐振器(9)尺寸相同；第二输出端口四分之一波长耦合线(42)和第三输出端口四分之一波长耦合线(52)尺寸相同；第四输出端口四分之一波长耦合线(62)和第五输出端口四分之一波长耦合线(72)尺寸相同；第四输出端口接地部分传输线(63)和第五输出端口接地部分传输线(73)尺寸相同；第二输出端口四分之一波长耦合线(42)和第二二分之一波长谐振器(91)之间的耦合距离与第三输出端口四分之一波长耦合线(52)和第一二分之一波长谐振器(81)之间的耦合距离相同；第四输出端口四分之一波长耦合线(62)的长臂和第一二分之一波长谐振器(81)之间的耦合距离与第五输出端口四分之一波长耦合线(72)的长臂和第二二分之一波长谐振器(91)之间的耦合距离相同。
一种基于E型谐振器的四路正交信号发生器
技术领域
[0001] 本发明涉及微波无源器件技术领域，特别是一种基于E型谐振器的四路正交信号发生器。
背景技术
[0002] 近年来，随着现代无线通讯技术的发展，正交信号被广泛地应用在各个领域的无线通讯设备上，比如在天线领域中，圆极化天线有时就需要正交信号来为其馈电。因此，低成本、结构紧凑、低损耗、相位偏差小已经成为正交信号发生器设计中十分重要的考虑因素。为了实现这些设计目标，采用何种方式产生正交信号成为目前国内外的研究热点。目前微波集成电路中最常见的信号传输线是微带线，它有着尺寸小，易于集成，便于应用，低成本等特点。
[0003] 文献1(T.Kusaga and T.Shima“,Four‑stage ring oscillator for quadrature signal generation,”in Proc.Int.Conf.Signals Electron.Syst.,Sep.2008,pp.89–92.)中提出了两种基于四面体振荡器的正交振荡器电路，可产生正交信号，但是其为有源技术功耗高，相位噪声影响比较大。
[0004] 文献2(H.Ren,B.Arigong,M.Zhou,J.Ding,and H.Zhang,“A novel design of 4×4butler matrix with relatively flexible phase differences,”IEEE Antennas Wireless Propag.Lett.,vol.15,pp.1277–1280,2016.)通过巴特勒矩阵可产生各种相位信号，包括正交信号，其为无源技术功耗低，但是结构复杂且尺寸较大，不便于应用。
[0005] 文献3(Mohammad,Abu,Khater,“Quadrature Phase Generation Using a Ring Resonator,”IEEE Microw.Wireless Compon.Lett.,vol.29,no.1,pp.26–28,Jan.2019.)利用环形谐振器基模下电场和磁场的耦合产生四路正交信号，方法新颖，但是其为单模，通带窄，且输出信号幅度差较大。
[0006] 由上可知，现有技术存在的问题是：设计结构复杂，不紧凑，不便于加工集成；损耗大；通带窄，幅度差大，不适用于一些现代无线通讯系统。
发明内容
[0007] 本发明的目的在于提供一种基于E型谐振器的四路正交信号发生器，其具有结构紧凑、相位偏差小，低损耗，低成本，多端口输出等优点。
[0008] 实现本发明目的的技术解决方案为：
[0009] 本发明的一种基于E型谐振器的四路正交信号发生器，包括介质板，介质板的上表面设有输入端口馈线、第二输出端口馈线、第三输出端口馈线、第四输出端口馈线、第五输出端口馈线、第一E型谐振器和第二E型谐振器，介质板的下表面设有金属地板；所述第一E型谐振器和第二E型谐振器分别位于输入端口馈线的左右两侧，且关于输入端口馈线对称，且第一E型谐振器和第二E型谐振器的开口方向均朝上；所述第四输出端口馈线位于第一E型谐振器的左侧，且其一端通过贯通介质板的第一金属通孔与金属地板相接，第一金属通孔位于第一E型谐振器的左上方；所述第五输出端口馈线位于第二E型谐振器的右侧，且其一端通过贯通介质板的第二金属通孔与金属地板相接，第二金属通孔位于第二E型谐振器的右上方；所述第二输出端口馈线位于第二E型谐振器的右侧开口内，所述第三输出端口馈线位于第一E型谐振器的左侧开口内，且所述第二输出端口馈线、第三输出端口馈线关于输入端口馈线对称。
[0010] 所述输入端口馈线包括相连的输入端口50欧姆微带线导带、输入端口二分之一波长传输线，其中输入端口二分之一波长传输线弯折成平行的不等长两段；第一E型谐振器包含第一二分之一波长谐振器和第一对称面枝节加载单元，第一对称面枝节加载单元加载于第一二分之一波长谐振器的中心；第二E型谐振器包含第二二分之一波长谐振器和第二对称面枝节加载单元，第二对称面枝节加载单元加载于第二二分之一波长谐振器的中心；第二输出端口馈线包括相连的第二输出端口50欧姆微带线导带和第二输出端口四分之一波长耦合线；第三输出端口馈线包括相连的第三输出端口50欧姆微带线导带和第三输出端口四分之一波长耦合线；第四输出端口馈线包括依次连接第四输出端口50欧姆微带线导带、第四输出端口四分之一波长耦合线、第四输出端口接地部分传输线，其中第四输出端口四分之一波长耦合线为两臂不等长的L形折线段；第五输出端口馈线包括依次连接第五输出端口50欧姆微带线导带、第五输出端口四分之一波长耦合线、第五输出端口接地部分传输线，其中第五输出端口四分之一波长耦合线为两臂不等长的L形折线段；其中输入端口二分之一波长传输线、第一对称面枝节加载单元、第三输出端口四分之一波长耦合线、第四输出端口四分之一波长耦合线的长臂四者两两平行；其中输入端口二分之一波长传输线、第二对称面枝节加载单元、第二输出端口四分之一波长耦合线、第五输出端口四分之一波长耦合线的长臂四者两两平行。
[0011] 所述输入端口馈线的二分之一波长传输线平行的两段分别与第一二分之一波长谐振器、第二二分之一波长谐振器进行平行耦合激励；第二输出端口馈线的第二输出端口四分之一波长耦合线与第二二分之一波长谐振器进行平行耦合输出；第三输出端口馈线的第三输出端口四分之一波长耦合线与第一二分之一波长谐振器进行平行耦合输出；第四输出端口馈线的第四输出端口四分之一波长耦合线的长臂与第一二分之一波长谐振器进行平行耦合输出；第五输出端口馈线的第五输出端口四分之一波长耦合线的长臂与第二二分之一波长谐振器进行平行耦合输出。
[0012] 所述输入端口50欧姆微带线导带、第二输出端口50欧姆微带线导带、第三输出端口50欧姆微带线导带、第四输出端口50欧姆微带线导带、第五输出端口50欧姆微带线导带尺寸相同；第一E型谐振器和第二E型谐振器尺寸相同；第二输出端口四分之一波长耦合线和第三输出端口四分之一波长耦合线尺寸相同；第四输出端口四分之一波长耦合线和第五输出端口四分之一波长耦合线尺寸相同；第四输出端口接地部分传输线和第五输出端口接地部分传输线尺寸相同；第二输出端口四分之一波长耦合线和第二二分之一波长谐振器之间的耦合距离与第三输出端口四分之一波长耦合线和第一二分之一波长谐振器之间的耦合距离相同；第四输出端口四分之一波长耦合线的长臂和第一二分之一波长谐振器之间的耦合距离与第五输出端口四分之一波长耦合线的长臂和第二二分之一波长谐振器之间的耦合距离相同。
[0013] 本发明与现有技术相比，其显著优点为：
[0014] (1)本发明结构简单，可在单片PCB板上实现，便于加工，生产成本低；
[0015] (2)本发明利用耦合线及E型谐振器的双模谐振原理，提供四个端口输出等幅正交信号；
[0016] (3)本发明采用无源技术，具有功耗低，相位偏差小等优点，适用于现代无线通讯系统。
附图说明
[0017] 图1是本发明基于E型谐振器的四路正交信号发生器的立体结构示意图；
[0018] 图2是本发明基于E型谐振器的四路正交信号发生器的俯视结构示意图；
[0019] 图3是本发明基于E型谐振器的四路正交信号发生器实施例1的结构尺寸示意图；
[0020] 图4是本发明基于E型谐振器的四路正交信号发生器实施例1的S参数仿真图；
[0021] 图5是本发明基于E型谐振器的四路正交信号发生器实施例1的四个输出端口相位仿真图；
[0022] 图6是本发明基于E型谐振器的四路正交信号发生器实施例1的四个输出端口相位差仿真图；
[0023] 图7是本发明基于E型谐振器的四路正交信号发生器实施例1的四个输出端口幅度差仿真图。
具体实施方式
[0024] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述。
[0025] 结合图1～2，本发明基于E型谐振器的四路正交信号发生器，包括介质板2，介质板2的上表面设有输入端口馈线3、第二输出端口馈线4、第三输出端口馈线5、第四输出端口馈线6、第五输出端口馈线7、第一E型谐振器8和第二E型谐振器9，介质板2的下表面设有金属地板1；所述第一E型谐振器8和第二E型谐振器9分别位于输入端口馈线3的左右两侧，且关于输入端口馈线3对称，且第一E型谐振器8和第二E型谐振器9的开口方向均朝上；所述第四输出端口馈线6位于第一E型谐振器8的左侧，且其一端通过贯通介质板2的第一金属通孔10与金属地板1相接，第一金属通孔10位于第一E型谐振器8的左上方；所述第五输出端口馈线
7位于第二E型谐振器9的右侧，且其一端通过贯通介质板2的第二金属通孔11与金属地板1相接，第二金属通孔11位于第二E型谐振器9的右上方；所述第二输出端口馈线4位于第二E型谐振器9的右侧开口内，所述第三输出端口馈线5位于第一E型谐振器8的左侧开口内，且所述第二输出端口馈线4、第三输出端口馈线5关于输入端口馈线3对称。
[0026] 所述输入端口馈线3包括输入端口50欧姆微带线导带31、输入端口二分之一波长传输线32，其中输入端口二分之一波长传输线32弯折成平行的不等长两段；第一E型谐振器8包含第一二分之一波长谐振器81和第一对称面枝节加载单元82，第一对称面枝节加载单元82加载于第一二分之一波长谐振器81的中心；第二E型谐振器9包含第二二分之一波长谐振器91和第二对称面枝节加载单元92，第二对称面枝节加载单元92加载于第二二分之一波长谐振器91的中心；第二输出端口馈线4包括第二输出端口50欧姆微带线导带41和第二输出端口四分之一波长耦合线42；第三输出端口馈线5包括第三输出端口50欧姆微带线导带
51和第三输出端口四分之一波长耦合线52；第四输出端口馈线6包括依次连接第四输出端口50欧姆微带线导带61、第四输出端口四分之一波长耦合线62、第四输出端口接地部分传输线63，其中第四输出端口四分之一波长耦合线62为两臂不等长的L形折线段；第五输出端口馈线7包括依次连接第五输出端口50欧姆微带线导带71、第五输出端口四分之一波长耦合线72、第五输出端口接地部分传输线73，其中第五输出端口四分之一波长耦合线72为两臂不等长的L形折线段；其中输入端口二分之一波长传输线32、第一对称面枝节加载单元
82、第三输出端口四分之一波长耦合线52、第四输出端口四分之一波长耦合线62的长臂四者两两平行；其中输入端口二分之一波长传输线32、第二对称面枝节加载单元92、第二输出端口四分之一波长耦合线42、第五输出端口四分之一波长耦合线72的长臂四者两两平行。
[0027] 所述输入端口馈线3的二分之一波长传输线32平行的两段分别与第一二分之一波长谐振器81、第二二分之一波长谐振器91进行平行耦合激励；第二输出端口馈线4的第二输出端口四分之一波长耦合线42与第二二分之一波长谐振器91进行平行耦合输出；第三输出端口馈线5的第三输出端口四分之一波长耦合线52与第一二分之一波长谐振器81进行平行耦合输出；第四输出端口馈线6的第四输出端口四分之一波长耦合线62的长臂与第一二分之一波长谐振器81进行平行耦合输出；第五输出端口馈线7的第五输出端口四分之一波长耦合线72的长臂与第二二分之一波长谐振器91进行平行耦合输出。
[0028] 所述输入端口50欧姆微带线导带31、第二输出端口50欧姆微带线导带41、第三输出端口50欧姆微带线导带51、第四输出端口50欧姆微带线导带61、第五输出端口50欧姆微带线导带71尺寸相同；第一E型谐振器8和第二E型谐振器9尺寸相同；第二输出端口四分之一波长耦合线42和第三输出端口四分之一波长耦合线52尺寸相同；第四输出端口四分之一波长耦合线62和第五输出端口四分之一波长耦合线72尺寸相同；第四输出端口接地部分传输线63和第五输出端口接地部分传输线73尺寸相同；第二输出端口四分之一波长耦合线42和第二二分之一波长谐振器91之间的耦合距离与第三输出端口四分之一波长耦合线52和第一二分之一波长谐振器81之间的耦合距离相同；第四输出端口四分之一波长耦合线62的长臂和第一二分之一波长谐振器81之间的耦合距离与第五输出端口四分之一波长耦合线72的长臂和第二二分之一波长谐振器91之间的耦合距离相同。
[0029] 本发明基于E型谐振器的四路正交信号发生器，其中第一E型谐振器8的第一二分之一波长谐振器81和第二E型谐振器的第二二分之一波长谐振器91的耦合线段长度L1决定了奇模谐振频率；第一E型谐振器8的第一二分之一波长谐振器81和第二E型谐振器的第二二分之一波长谐振器91的耦合线段长度L1与第一E型谐振器8的第一对称面枝节加载单元82和第二E型谐振器的第二对称面枝节加载单元92的长度L2共同决定了偶模谐振频率；调节第二输出端口四分之一波长耦合线42和第二二分之一波长谐振器91之间的耦合距离G1、第三输出端口四分之一波长耦合线52和第一二分之一波长谐振器81之间的耦合距离G1与第四输出端口四分之一波长耦合线62的长臂和第一二分之一波长谐振器81之间的耦合距离G2、第五输出端口四分之一波长耦合线72的长臂和第二二分之一波长谐振器91之间的耦合距离G2，从而使得第二输出端口和第五输出端口输出幅度吻合度、第三输出端口和第四输出端口输出幅度吻合度提高；调节输入端口馈线3的输入端口二分之一波长传输线32的弯折宽度L6与第一E型谐振器8、第二E型谐振器9和输入端口二分之一波长传输线32耦合距离S，从而使得四个输出端口输出幅度吻合度提高。
[0030] 本发明基于E型谐振器的四路正交信号发生器，在制造上通过印制电路板制造工艺对电路基板正面及背面的金属面进行加工腐蚀从而形成所需的金属图案。
[0031] 下面结合实施例对本发明作进一步详细描述。
[0032] 实施例1
[0033] 基于E型谐振器的四路正交信号发生器的结构图如图1所示，俯视图如图2所示，有关尺寸规格如图3所示。所采用的介质板2相对介电常数为3.55，厚度为0.508mm，损耗角正切为0.0027。结合图3，四路正交信号发生器的各尺寸参数如下：W＝1.18mm，L＝3mm，W1＝0.31mm，W2＝0.23mm，W3＝1mm，L1＝19.2mm，L2＝22.1mm，L3＝9.2mm，L4＝4mm，L5＝2mm，L6＝
1.2mm，S＝0.18mm，G＝0.3mm，G1＝0.42mm，G2＝0.21mm。四路正交信号发生器的整体总面积
2
为31.81×35mm。
[0034] 本实例四路正交信号发生器是在电磁仿真软件HFSS.15中建模仿真的。图4是本实例中四路正交信号发生器的S参数仿真图，从图中可以看出，该四路正交信号发生器的通带中心频率为2GHz，相对带宽为5.5％，通带内回波损耗低于15dB。
[0035] 图5是本实例中四路正交信号发生器的四个输出端口相位仿真图，图6是本实例中四路正交信号发生器的四个输出端口相位差仿真图，从图中可以看出，该实例四路正交信号发生器通带内第二输出端口和第五输出端口、第三输出端口和第五输出端口、第三输出端口和第四输出端口相位差在90±6°以内，由此可实现0°，90°，180°，270°相位信号输出。
[0036] 图7是本实例中四路正交信号发生器的四个输出端口幅度差仿真图，从图中可以看出，该实例四路正交信号发生器通带内四个输出端口幅度差在0.4dB以内。
[0037] 综上所述，本发明基于E型谐振器的四路正交信号发生器，采用无源方法，实现了一种结构紧凑、相位偏差小、低损耗、低成本的四路正交信号发生器，非常适用于现代无线通信系统。
[0038] 应当指出，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也在本申请权利要求的保护范围内。
