CN100546097C - 基于复合左右手传输线的任意双频功分器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于复合左右手传输线的任意双频Wilkinson功分器包括三个端口、四个右手传输线和两个左手传输线及隔离电阻；方法包括获取工作频点频率比、建立传输线相移值、建立端口传输线、建立右手传输线、建立左手传输线、建立隔离电路步骤。本发明制作的普通型任意双频Wilkinson功分器、基于复合左右手传输线和负相移技术的缩小型和双节阻抗变换技术的紧凑型任意双频功分器，克服传统功分器只能奇次倍频工作的缺陷，分支线长度能够缩短到小于λ_g/4，满足双频工作的同时结构紧凑。本发明功分器设计简单，所需微波板材和元器件均易于获得，便于加工。本发明提出的功分器在两个工作频点处均能很好的满足功分器的性能要求。

Description

基于复合左右手传输线的任意双频功分器及其制作方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种基于复合左右手传输线的任意双频Wilkinson功分器。

背景技术

基于现代无线通信的双频标准，为减少系统中的器件数目，要求所使用的器件应尽量满足双频工作的要求。Wilkinson功分器在通信系统中经常被用来对天线进行馈电，但传统的Wilkinson功分器只能工作在基频和它的奇次谐波频率下，而目前的GSM无线通信通常使用的是900M和1800M两个工作频段，因此传统的Wilkinson功分器已不能满足现代通信的需要。

传统的Wilkinson功分器结构如图1，图1中Z₀为端口特性阻抗，Z₁为分支线特性阻抗，R＝2Z₀为隔离电阻。分支线特性阻抗为

线长为λ_g/4。这种情况下的功分器能将从1口输入的功率从2、3口等分输出，并且能满足在工作频率下，三个口均有很好的匹配，且两个输出口之间相互隔离。另外，如果将2、3口作为输入，1口作为输出，这种情况下可以当作功率合成器来使用。但是，这种λ_g/4支节的功分器只能工作在基频和它的奇次谐波频率下，其中 $Z_1=\sqrt{2}{Z}_0,$ 隔离电阻R＝2Z₀。即图2中RH曲线所示的相移90度和270度所对应的频率，分别为f₁、3f₁。

为克服传统功分器只能奇次倍频工作的缺点，Lei Wu等人在文献[1](Lei Wu，Zengguang Sun，Hayattin Yilmaz，and Manfred Berroth，“ADual-Frequency Wilkinson Power Divider”，IEEE TRANSACTIONS ONMICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES，to be published)中基于双节阻抗变换提出了一种能工作在任意双频下的新型Wilkinson功分器，可以满足现代通信的双频要求。但是这种结构需要将原来的λ_g/4支节线变成两个特性阻抗不同的支节的串联，其总长度大于λ_g/4，因此这种结构的双频特性是以牺牲器件的结构紧凑特性为代价的，这也与现代通信系统的小型化趋势相违背。

另一方面，自2000年Smith等人制作出介电常数和磁导率均为负的人工左手材料^[2](D R Smith，Willie J Padilla，Vier D C，et al..Composite Medium withSimultaneously Negative Permeability and Permittivity.Phys.Rev.Lett.，2000，84：4184～4187.)，并用实验证明负折射现象的存在以来^[3](Shelby R A，Smith D R，Schultz S.Experimental Verification of a Negative Index of Refraction.Science，2001，292：77～79.)，左手材料越来越受到世界各地研究小组的关注。但这种左手材料是基于谐振结构，其较大的衰减和较窄的带宽限制了它在微波领域的应用。

2002年，美国UCLA大学的Itoh等人提出一种用传输线实现左手材料的新方法^[4](Caloz C，Itoh T.Application of the transmission line theory ofleft-handed(LH)materials to the realization of a microstrip LH transmission line.IEEE-APS Int.Symp.Dig..TX：San Antonio，2002，2：412-415.)，并将其命名为左手传输线(LH-TL)。传统的传输线也被称为右手传输线(RH-TL)；将左手传输线和右手传输线结合起来，构成复合左右手传输线(CRLH-TL)。这种左手传输线基于高通滤波器的拓扑结构，与谐振结构的左手材料相比具有宽频带、低损耗的特性，它特殊的相移特性在微波电路领域的应用也被深入研究^[5-8]([5]C.Caloz，A.Sanada，L.Liu，and T.Itoh，“A BroadbandLeft-Handed(LH)Coupled-Line Backward Coupler with Arbitrary Coupling Levels”，IEEE-MTT Int′l Symp.，vol.1，pp.317-320，Philadelphia，PA，June 2003.

[6]A.Sanada，C.Caloz，and T.Itoh，“Zeroth Order Resonance in CompositeRight/Left-Handed Transmission Line Resonators”，accepted at Asia-Pacific MicrowaveConference，Seoul，Korea，November 2003.

[7]Hiroshi Okabe，Christophe Caloz，and Tatsuo Itoh，“A CompactEnhanced-Bandwidth Hybrid Ring Using an Artificial Lumped-Element Left-HandedTransmission-Line Section”，IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY ANDTECHNIQUES，VOL.52，NO.3，MARCH 2004，p798-804

[8]L.Liu，C.Caloz，and T.Itoh，“Dominant Mode(DM)Leaky-Wave Antenna withBackfire-to-Endfire Scanning Capability”，Electron.Lett.，vol.38，no.23，pp.1414-1416，Nov.2000.)。

2003年Caloz提出了基于复合左右手传输线的双频设计思想，并设计制作出一种能工作在任意两个频点的分支线电桥和环形电桥^[9](I-Hsiang Lin，Marc DeVincentis，Christophe Caloz，and Tatsuo Itoh，“ArbitraryDual-Band Components Using Composite Right/Left-Handed Transmission Lines”，IEEETRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES，VOL.52，NO.4，APRIL 2004，1142-1149)。根据Caloz提出的双频设计思想，在右手传输线中加入左手传输线，构成复合左右手传输线(CRLH)，能改变整个传输线的相移特性，达到在任意两个频率点f₁、f₂下，相移分别为90度和270度，如图2中的CRLH曲线所示。

发明内容

为了解决传统的功分器只能工作在基频和它的奇次谐波频率下，分支线长度为λ_g/4，它的尺寸虽小，但不能在任意双频下工作的问题；

为了解决基于双节阻抗变换的双频功分器，分支线为两个λ_g/6支节串联，虽然能在任意双频下工作，但功分器尺寸较大的问题；

为了解决基于负相移技术谐振结构功分器，其较大的衰减和较窄的带宽限制了它在微波领域应用的问题；

本发明的第一个目的是：提供一种基于复合左右手传输线的普通型任意双频Wilkinson功分器的制作方法；

本发明的第二个目的是：提供一种尺寸小于现有技术、基于复合左右手传输线和负相移技术的缩小型任意双频Wilkinson功分器的制作方法；

本发明的第三个目的是：基于复合左右手传输线和双节阻抗变换技术的紧凑型任意双频Wilkinson功分器的制作方法。

为了实现本发明的第一个目的，本发明基于传统功分器和复合左右手传输线的双频设计思想，将只能工作在奇次倍频下的传统功分器改进成具有任意双频工作性能的新型功分器。

本发明的第一个方面，提供一种基于复合左右手传输线的普通型任意双频功分器的制作方法，制作步骤如下：

获取工作频点频率比步骤：确定任意两个工作频点，并计算二者频率比；

建立传输线相移值步骤：基于复合左右手传输线的相移特性，分别获得右手传输线和左手传输线的相移值；

建立端口传输线步骤：利用端口特性阻抗、相移值和介质板参数，获取端口传输线的线宽和长度；

建立右手传输线步骤：利用分支线特性阻抗、相移值和介质板参数，获取分支线中右手传输线的线宽和长度；

建立左手传输线步骤：确定左手传输线的结构单元数，获取左手传输线的电容值和电感值；

建立隔离电路步骤：根据两输出端口之间电路关系，确定隔离电路所采用具体元器件及参数。

本发明一种基于复合左右手传输线的普通型任意双频功分器，包括第一端口、第二端口、第三端口，其特征在于还包括：两个分支线均为复合左右手传输线为：包括四个右手传输线即第一右手传输线、第二右手传输线、第三右手传输线、第四右手传输线和两个左手传输线即第一左手传输线、第二左手传输线，隔离电阻；其中第一分支线为第一右手传输线、第一左手传输线、第二右手传输线三者串联连接，第二分支线为第三右手传输线、第二左手传输线、第四右手传输线三者串联连接；第一右手传输线和第三右手传输线的输入端与第一端口连接；在第二右手传输线、第四右手传输线的两个输出端并联连接有隔离电阻；第二右手传输线的输出端与第二端口的输入端和隔离电阻一端连接；第四右手传输线的输出端与第三端口的输入端和隔离电阻另一端连接。

所述基于复合左右手传输线的普通型任意双频功分器，隔离电阻R＝2Z₀，其中第一右手传输线、第二右手传输线、第三右手传输线、第四右手传输线具有相同的特性阻抗分别为Z₁、相移长度分别为Pf₁/2，其中工作频率f₁、右手传输线频率系数p；第一左手传输线、第二左手传输线具有相同的特性阻抗分别为Z₁、相移长度分别为Q/f₁，其中工作频率f₁、左手传输线频率系数Q；第一右手传输线、第二右手传输线、第三右手传输线、第四右手传输线分别由微带电路来实现，第一左手传输线、第二左手传输线分别由N节贴片电容C_L和贴片电感L_L组合构成。

为了实现本发明的第二个目的，主要考虑在1＜α＜3条件下，对功分器进行改进，使其尺寸缩小。

本发明的第二个方面，提供一种基于负相移技术和复合左右手传输线的缩小型任意双频功分器的制作，根据复合左右手传输线的负相移特性，可以将分支线的长度缩短，从而使整个功分器的尺寸缩小。这种缩小型功分器的分支线由具有负相移特性的复合左右手传输线构成，其长度缩小为

所述建立传输线相移值步骤还包括：根据Negative复合左右手传输线相移曲线把f₁、f₂两个频点下传输线的相移分别设为-π/2和π/2，计算f₁频率下右手传输线和左手传输线的相移Pf₁、Q/f₁，得到频移系数P、Q值为：

$P\≈\frac{\mathrm{\π}}{2}\frac{1}{f_2-f_1}=\frac{\mathrm{\π}}{2}\frac{1}{\mathrm{\α}-1}\frac{1}{f_1},$ $Q\≈\frac{\mathrm{\π}}{2}\frac{f_1{f}_2}{f_2-f_1}=\frac{\mathrm{\π}}{2}\frac{\mathrm{\α}}{\mathrm{\α}-1}{f}_1.$

所述建立右手传输线步骤包括：分支线长度为

当2＜α＜3时，分支线长度小于四分之一波长，当1＜α＜2时，分支线长度大于四分之一波长。

为了实现本发明的第三个目的，是利用双节阻抗变换技术和复合左右手传输线特性设计任意双频Wilkinson功分器，使其尺寸进一步缩小。

本发明的第三个方面，提供一种利用双节阻抗变换和复合左右手传输线特性制作紧凑型任意双频功分器的方法，这种功分器的分支线由两节特性阻抗不同的左手传输线和右手传输线构成，所述建立右手传输线步骤包括：分支线长度为

其中两工作频率点的比值为α，当1＜α＜3时，分支线长度小于四分之一波长。

所述建立隔离电路步骤包括：隔离电路由隔离电阻R，隔离电容C_x和隔离电感L_x组成，其值分别为：

R＝2Z₀、 $C_x=\frac{\frac{B}{{\mathrm{\ω}}_1}-\frac{A}{{\mathrm{\ω}}_2}}{\frac{2{\mathrm{\ω}}_2}{{\mathrm{\ω}}_1}-\frac{2{\mathrm{\ω}}_1}{{\mathrm{\ω}}_2}},$ $L_x=\frac{\frac{2{\mathrm{\ω}}_2}{{\mathrm{\ω}}_1}-\frac{2{\mathrm{\ω}}_1}{{\mathrm{\ω}}_2}}{B{\mathrm{\ω}}_1-A{\mathrm{\ω}}_2}$

其中 $A=\frac{Z_2-Z_1{p}^2}{Z_{2}p(Z_1+Z_2)},$ $B=\frac{Z_2-Z_1{q}^2}{Z_{2}q(Z_1+Z_2)},$ p＝tan(Pf₁)，q＝tan(Q/f₁)。

所述建立传输线相移值步骤和建立右手传输线步骤包括：右手传输线的特性阻抗Z₂和相移Pf₁分别为：

$Z_2=Z_0\sqrt{\frac{1}{2\mathrm{\ξ}}+\sqrt{\frac{1}{4{\mathrm{\ξ}}^2}+2}},$ ${\mathrm{Pf}}_1=\frac{\mathrm{\π}}{1+\mathrm{\α}},$ 其中ξ＝(tan(Pf₁))²。

所述建立传输线相移值步骤和建立左手传输线步骤包括：左手传输线的特性阻抗特性阻抗Z₁和相移Q/f₁分别为：

$Z_1=\frac{2Z_0^2}{Z_2},$ $Q/f_1=-\frac{\mathrm{\π}}{1+\mathrm{\α}};$

所述建立传输线相移值步骤、建立右手传输线步骤和建立左手传输线步骤包括：右手传输线特性阻抗Z₁和左手传输线特性阻抗Z₂的值互换，计算公式变为：

$Z_1=Z_0\sqrt{\frac{1}{2\mathrm{\ξ}}+\sqrt{\frac{1}{4{\mathrm{\ξ}}^2}+2}},$ $Z_2=\frac{2Z_0^2}{Z_1}$

其中ξ＝(tan(Pf₁))²。

本发明一种结合双节阻抗变换和复合左右手传输线的紧凑型任意双频功分器，包括输入端口、第一输出端口、第二输出端口，第一左手传输线、第一右手传输线、第二左手传输线、第二右手传输线，隔离电路由隔离电阻R，隔离电容C_x和隔离电感L_x构成；第一分支线包括第一左手传输线和第一右手传输线串联连接，第二分支线包括第二左手传输线和第二右手传输线串联连接；第一左手传输线和第二左手传输线的输入端与输入端口连接；在第一右手传输线与第二右手传输线的输出端之间和第一输出端口、第二输出端口的输入端之间分别与并联连接有隔离电阻R，隔离电容C_x和隔离电感L_x，所述第一分支线和第二分支线中特性阻抗Z₁、Z₂不同，其中第一左手传输线和第二左手传输线的特性阻抗为Z₁，相移长度为Q/f₁，第一右手传输线与第二右手传输线为Z₂，相移长度为Pf₁；右手传输线由普通的微带电路来实现，左手传输线由N节贴片电容C_L和贴片电感L_L组合构成。

附图说明

通过以下结合附图的详细描述，本发明的上述和其它方面、特征和优点将变得更加显而易见。附图中：

图1是背景技术传统Wilkinson功分器原理图

图2是背景技术与本发明功分器中支节线的相移特性曲线，RH曲线为右手传输线相移特性曲线，CRLH曲线为复合左右手传输线相移特性曲线，Negative CRLH曲线为结合负相移的复合左右手传输线相移曲线。

图3是本发明普通型任意双频Wilkinson功分器的结构原理图

图4是背景技术左手传输线的电路图

图5是本发明基于复合左右手传输线制作的普通型任意双频Wilkinson功分器

图6a和图6b是本发明制作的工作在0.9G和1.8G的基于复合左右手传输线的普通型任意双频Wilkinson功分器S参数曲线

图7是本发明制作的基于复合左右手传输线和负相移技术制作的缩小型任意双频Wilkinson功分器

图8a和图8b是本发明制作的工作在0.9G和1.8G的基于复合左右手传输线和负相移技术的缩小型任意双频Wilkinson功分器S参数曲线

图9是背景技术提出的基于双节阻抗变换制作的任意双频Wilkinson功分器原理图

图10是本发明紧凑型任意双频Wilkinson功分器的结构原理图

图11是本发明制作的基于复合左右手传输线和双节阻抗变换技术的紧凑型任意双频Wilkinson功分器

图12a和图12b是本发明制作的工作在0.9G和1.8G的基于复合左右手传输线和双节阻抗变换技术的紧凑型任意双频Wilkinson功分器S参数曲线

具体实施方式

下面结合附图对本发明作具体说明。应该指出，所描述的施例仅仅视为说明的目的，而不是对本发明的限制。

根据本发明的第一个方面，具体实施例1表示如下：

根据Caloz提出的双频设计思想，在右手传输线中加入左手传输线，构成复合左右手传输线(CRLH)，能改变整个传输线的相移特性，达到在任意两个频率点f₁、f₂下，相移分别为90度和270度，如图2中的CRLH曲线所示，将这一技术应用于Wilkinson功分器，采用复合左右手传输线来实现支节阻抗变换，可设计出工作在任意两个频率下的Wilkinson功分器。本发明把这种采用复合左右手传输线制作出的能工作在任意两个频点的新型功分器称为普通型任意双频Wilkinson功分器。

图3是本发明普通型任意双频Wilkinson功分器的结构原理图，图中所示包括第一端口1、第二端口2、第三端口3，两个分支线均为复合左右手传输线为：包括四个右手传输线即第一右手传输线4、第二右手传输线6、第三右手传输线7、第四右手传输线9和两个左手传输线即第一左手传输线5、第二左手传输线8，隔离电阻R；其中第一分支线为第一右手传输线4、第一左手传输线5、第二右手传输线6三者串联连接，第二分支线为第三右手传输线7、第二左手传输线8、第四右手传输线9三者串联连接；第一右手传输线4和第三右手传输线7的输入端与第一端口1连接；在第二右手6传输线、第四右手传输线9的两个输出端并联连接有隔离电阻R；第二右手传输线6的输出端与第二端口2的输入端和隔离电阻R一端连接；第四右手传输线9的输出端与第三端口3的输入端和隔离电阻R另一端连接。

所述基于复合左右手传输线任意双频功分器，其特征在于包括：隔离电阻为R＝2Z₀，其中第一右手传输线4、第二右手传输线6、第三右手传输线7、第四右手传输线9具有相同的特性阻抗分别为Z₁、相移长度分别为Pf₁/2，其中工作频率f₁、右手传输线频率系数p；第一左手传输线5、第二左手传输线8具有相同的特性阻抗分别为Z₁、相移长度分别为Q/f₁，其中工作频率f₁、左手传输线频率系数Q；第一右手传输线4、第二右手传输线6、第三右手传输线7、第四右手传输线9分别由微带电路来实现；第一左手传输线5、第二左手传输线8分别由N节贴片电容C_L和贴片电感L_L组合构成如图4。

本发明普通型任意双频率功分器的分支线长度为

其中两工作频率点的比值为α，当1＜α＜3时，分支线长度大于四分之一波长，当α＞3时，分支线长度小于四分之一波长。

制作普通型任意双频功分器方法的具体执行步骤为：

步骤a1.根据用户需要，确定工作频点f₁、f₂，令f₂＞f₁，二者频率比值α＝f₂/f₁；

步骤b1.根据图2中的复合左右手传输线相移曲线把f₁、f₂两个频率点下的传输线相移分别设为π/2和3π/2，

步骤c1.计算f₁频率点下右手传输线和左手传输线的相移分别为Pf₁、Q/f₁，得到频移系数P、Q值为：

$P\≈\frac{\mathrm{\π}}{2}\frac{{3f}_2-f_1}{f_2^2-f_1^2}=\frac{\mathrm{\π}}{2}\frac{3\mathrm{\α}-1}{{\mathrm{\α}}^2-1}\frac{1}{f_1},$ $Q\≈\frac{\mathrm{\π}}{2}\frac{\frac{3}{f_2}-\frac{1}{f_1}}{\frac{1}{f_1^2}-\frac{1}{f_2^2}}=\frac{\mathrm{\π}}{2}\frac{3\mathrm{\α}-{\mathrm{\α}}^2}{{\mathrm{\α}}^2-1}{f}_1.$

步骤d1.根据用户需求确定传输线中的特性阻抗Z₀，再根据所选介质板参数计算传输线线宽；

步骤e1.计算功分器中隔离电阻R＝2Z₀；

步骤f1.计算功分器中分支线特性阻抗 $Z_1=\sqrt{2}{Z}_0,$ 再根据所选介质板参数和相移位Pf₁计算分支线中右手传输线的线宽和长度；

步骤g1.确定实现左手传输线的结构单元数N，所选N值必须确保满足条件 $\frac{Q}{{\mathrm{Nf}}_1}<\frac{\mathrm{\&pi;}}{2};$

步骤h1.：确定实现左手传输线的电容值C_L和电感值L_L为：

$C_L=\frac{N}{2\mathrm{\&pi;}{Z}_{1}Q},$ $L_L=\frac{{\mathrm{NZ}}_1}{2\mathrm{\&pi;Q}}.$

步骤i1.利用微波仿真软件例如ADS，Ansoft Designer等，对功分器仿真并优化，使工作频点f₁、f₂下端口驻波比和隔离度满足设计要求；

步骤j1.根据功分器的仿真结果制作加工版图，进行加工；

步骤k1.对加工电路板进行测量，判断测量结果是否满足设计要求，根据需要进行电路调试例如：改变线宽、贴片电容电感值等，直到满足设计要求，完成基于复合左右手传输线的普通型任意双频Wilkinson功分器的制作。

图2是背景技术与本发明功分器中支节线的相移特性曲线，下面对图2图面进行说明，图中包括有：横轴为频率轴，纵轴为传输线相移值；

(1)RH曲线代表传统λ_g/4传输线的相移曲线，在f₁、3f₁处相移分别为90°和270°；

(2)CRLH曲线是代表现有技术复合左右手传输线的相移曲线，在f₁、f₂处相移分别为90°和270°；

(3)Negative CRLH曲线代表利用负相移进行改进后，本发明复合左右手传输线的相移曲线，在f₁、f₂处相移分别为-90°和90°。

图5是本发明基于复合左右手传输线制作的普通型任意双频Wilkinson功分器，根据以上设计步骤制作加工的Wilkinson功分器，它是工作在0.9G和1.8G两个频率点处的Wilkinson功分器，它的α＝2，Pf₁＝5π/6，即两个支线长度为5λ_g/12。

图5中左手传输线由贴片电容和贴片电感来实现，且并联电感终端由通孔接地，隔离电阻并联在两输出端口中间。

图6a和图6b是本发明制作的工作在0.9G和1.8G的基于复合左右手传输线的普通型任意双频Wilkinson功分器S参数曲线，图6a是仿真结果，图6b是实验测量的结果，可以看到，制作的功分器在两个工作频率上三个端口均能达到良好的匹配，计算得到的端口驻波比小于1.2，且两个输出口间的隔离度大于15dB。

图6a横轴为频率轴，左纵轴为s11、s22和s33值，右纵轴为s12值；图6b横轴为频率轴，左纵轴为s11、s22和s33值，右纵轴为s12值。

根据本发明的第二个方面，具体实施例2表示如下：

图7是本发明制作的基于复合左右手传输线和负相移技术制作的缩小型任意双频Wilkinson功分器。

基于本发明的第二个方面，复合左右手传输线的总长度主要由右手传输线的相移Pf₁来决定，分析可知，当1＜α＜3时， ${\mathrm{Pf}}_1>\frac{\mathrm{\&pi;}}{2},$ 复合左右手传输线长度将大于原来的λ_g/4；当α＞3时， ${\mathrm{Pf}}_1<\frac{\mathrm{\&pi;}}{2},$ 复合左右手传输线的长度小于λ_g/4。也就是说，在频率比值为1＜α＜3范围内，所设计的功分器在获得双频性能的同时增大了器件的尺寸，此结构不利于器件的小型化。而且，1＜α＜3，是实际中经常应用到的双频工作器件的频率比例范围。根据本发明的第二个方面的主要考虑在1＜α＜3条件下，对功分器进行改进，使其尺寸缩小，本发明提供一种基于负相移制作缩小型的任意双频Wilkinson功分器。

根据左手传输线的负相移特性，把f₁、f₂下传输线的相移分别设为-π/2和π/2，如图2中Negative CRLH相移曲线所示，则复合左右手传输线的频移系数为P、Q。

将上式和发明内容一中P的计算式进行比较，可得P′＜P，即利用负相移对发明内容一进行改进后，分支线中的右手传输线长度将缩短，

整个缩小型功分器的尺寸有了一定程度的缩小。这种缩小型的任意双频Wilkinson功分器的结构原理图和图3基本一致，只不过其中的参数P、Q的计算公式不一样。所述第一分支线和第一分支线其分支线长度缩小为当2＜α＜3时，分支线长度小于传统功分器的四分之一波长，能同时满足双频工作和结构紧凑的要求；当1＜α＜2时，大于四分之一波长，仍然大于传统功分器的尺寸。

本发明内容二提出的缩小型任意双频Wilkinson功分器的具体执行步骤基本上和本发明内容一的具体执行步骤一致，只需将其中的步骤b1、c1改成如下所述的b2、c2：

步骤b2.根据图2中的结合负相移的复合左右手传输线相移曲线把f₁、f₂两个频点下传输线的相移分别设为-π/2和π/2；

步骤c2.计算f₁频率下右手传输线和左手传输线的相移Pf₁、Q/f₁，得到频移系数P、Q值为：

$P\&ap;\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}\frac{1}{f_2-f_1}=\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}\frac{1}{\mathrm{\&alpha;}-1}\frac{1}{f_1},$ $Q\&ap;\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}\frac{f_1{f}_2}{f_2-f_1}=\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}\frac{\mathrm{\&alpha;}}{\mathrm{\&alpha;}-1}{f}_1;$

图7是本发明应用负相移改进技术制作加工了能工作在0.9G和1.8G两个频率点处的Wilkinson功分器，其α＝2时， ${\mathrm{Pf}}_1=\frac{\mathrm{\&pi;}}{2},$ 即两个支线长度为λ_g/4。其结构尺寸较图3有很大缩小。

图8a和图8b是本发明基于负相移制作的双频功分器工作在0.9G和1.8G的双频的S参数曲线，仿真结果如图8a，实验测量结果如图6b，在两个工作频率上实际制作的功分器的三个端口均能达到良好的匹配，由此计算得到的端口驻波比小于1.2，且两个输出口间的隔离度大于15dB。

图8a横轴为频率轴，左纵轴为s11、s22和s33值，右纵轴为s12值；图8b横轴为频率轴，左纵轴为s11、s22和s33值，右纵轴为s12值。

根据本发明的第三个方面，具体实施例3表示如下：图11是本发明基于复合左右手传输线和双节阻抗变换的紧凑型任意双频Wilkinson功分器的结构图。本发明结合双节阻抗变换技术，采用双节复合左右手传输线替代传统的四分之一波长阻抗变换，隔离电路由并联的电容、电感和电阻构成，分支节长度缩小为

小于传统功分器的四分之一波长。

图9是背景技术提出的基于双节阻抗变换制作的任意双频Wilkinson功分器原理图，是Lei Wu提出的一种可工作在任意两个频点的Wilkinson功分器结构图(文献[1])，图9中Z₀为端口特性阻抗，Z₁、Z₂分别为双节阻抗变换分支线的特性阻抗，l₁、l₂分别为其电长度，R、L、C为两输出端口的隔离电路，它基于双频工作的双节阻抗变换器(文献[10]C.Monzon，“A small dual-frequency transformer in two section，”IEEE Trans.Microw.Theory Tech.，vol.51，no.4，pp.1157-1161，Apr.2003.)。

当1＜α＜3时，图中分支线参数的计算为

$l_1=l_2=\frac{\mathrm{\&pi;}}{{\mathrm{\&beta;}}_1+{\mathrm{\&beta;}}_2}=\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_g}{2(1+\mathrm{\&alpha;})}$

$Z_2=Z_0\sqrt{\frac{1}{2\mathrm{\&xi;}}+\sqrt{\frac{1}{4{\mathrm{\&xi;}}^2}+2}}$

$Z_1=\frac{2Z_0^2}{Z_2}$

其中ξ＝(tan(β₁l₁))²，支线总长度 $l_{\mathrm{total}}=l_1+l_2=\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_g}{1+\mathrm{\&alpha;}}>\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_g}{4},$ 也就是说这种基双节变换的双频Wilkinson功分器仍然大于传统功分器的尺寸。

对这种基于双节变换功分器进行奇偶摸分析时，各参数的计算以传输线阻抗变换公式为基础(文献[9])

$Z_{\mathrm{in}}=Z_0\frac{Z_L+j{Z}_0\tan \left(\mathrm{\&beta;l}\right)}{Z_0+j{Z}_L\tan \left(\mathrm{\&beta;l}\right)}$

本发明利用tanθ＝tan(θ-π)，进行如下变换：

$\tan \mathrm{\&beta;l}=\tan (\mathrm{\&beta;l}-\mathrm{\&pi;})$

$=\tan [-\mathrm{\&beta;}(\frac{\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{\&beta;}}-l)]=\tan [-\mathrm{\&beta;}(\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_g}{2}-\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_g}{2(1+\mathrm{\&alpha;})})]$

$=\tan [-\mathrm{\&beta;}*\frac{\mathrm{\&alpha;}{\mathrm{\&lambda;}}_g}{2(1+\mathrm{\&alpha;})}]$

也就是说，背景技术中相移常数为β、电长度为 $l=\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_g}{2(1+\mathrm{\&alpha;})}$ 的传输线和本发明中相移常数为-β、电长度为

$l^{\&prime;}=\frac{\mathrm{\&alpha;}{\mathrm{\&lambda;}}_g}{2(1+\mathrm{\&alpha;})}$

的阻抗变换效果是相同的。将图9中双节阻抗变换的其中一节传统传输线替换成相移常数为负的左手传输线，在其它参数不变的情况下，Wilkinson功分器仍能达到同样的双频工作性能；同时由于左手传输线由集总元件来实现，其尺寸很小，相对于右手传输线的尺寸可以忽略不计，分支线长度可以减少到 $l_{\mathrm{total}}=l_1+l_2\&ap;l_2=\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_g}{2(1+\mathrm{\&alpha;})}<\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_g}{4}.$ 这样，在1＜α＜3范围内，结合双节阻抗变换进行改进后的功分器在达到双频工作的同时尺寸小于传统功分器，实现了结构紧凑性的要求。

本发明将这种结合双节阻抗变换和复合左右手传输线的功分器称为紧凑型任意双频Wilkinson功分器。图10是本发明紧凑型任意双频Wilkinson功分器的结构原理图，图中包括：输入端口101、第一输出端口102、第二输出端口103，第一左手传输线104、第一右手传输线105、第二左手传输线106、第二右手传输线107，隔离电路由隔离电阻R，隔离电容C_x和隔离电感L_x构成；第一分支线包括第一左手传输线104和第一右手传输线105串联连接，第二分支线包括第二左手传输线106和第二右手传输线107串联连接；第一左手传输线104和第二左手传输线106的输入端与输入端口101连接；在第一右手传输线105与第二右手传输线107的输出端之间和第一输出端口102、第二输出端口103的输入端之间分别与并联连接有隔离电阻R，隔离电容C_x和隔离电感L_x，所述第一分支线和第二分支线中特性阻抗Z₁、Z₂不同，其中第一左手传输线104和第二左手传输线106的特性阻抗为Z₁，相移长度为Q/f₁，第一右手传输线105与第二右手传输线107为Z₂，相移长度为Pf₁；右手传输线由普通的微带电路来实现，左手传输线由N节贴片电容C_L和贴片电感L_L组合构成。

图中的功分器有三个端口，端口特性阻抗为Z₀，左手传输线特性阻抗为Z₁，相移长度为Q/f₁，右手传输线的特性阻抗为Z₂，相移长度为Pf₁。右手传输线由普通的微带电路来实现，左手传输线的电路具体实现方式见图4，由N节贴片电容C_L和贴片电感L_L组合构成。

本发明设计出的紧凑型功分器的分支线长度为

其中两工作频率点的比值为α，当1＜α＜3时，分支线长度小于四分之一波长。

根据本发明的第三个方面的实施例，具体执行步骤为：

步骤a3.根据用户要求，确定工作频点f₁、f₂，令f₂＞f₁，并使二者比值α＝f₂/f₁；

步骤b3.根据用户需求确定端口传输线中的特性阻抗Z₀，再根据所选介质板参数计算传输线线宽；

步骤c3.根据以下公式计算分支线中右手传输线的特性阻抗Z₂和相移Pf₁，并根据所选介质板参数计算分支线中右手传输线的线宽和长度 $Z_2=Z_0\sqrt{\frac{1}{2\mathrm{\&xi;}}+\sqrt{\frac{1}{4{\mathrm{\&xi;}}^2}+2}},$ ${\mathrm{Pf}}_1=\frac{\mathrm{\&pi;}}{1+\mathrm{\&alpha;}},$ 其中ξ＝(tan(Pf₁))²

步骤d3.根据以下公式计算分支线中左手传输线的特性阻抗Z₁和相移Q/f₁：

$Z_1=\frac{2Z_0^2}{Z_2},$ $Q/f_1=-\frac{\mathrm{\&pi;}}{1+\mathrm{\&alpha;}};$

注：右手传输线特性阻抗Z₁和左手传输线特性阻抗Z₂的值互换，计算公式变为：

$Z_1=Z_0\sqrt{\frac{1}{2\mathrm{\&xi;}}+\sqrt{\frac{1}{4{\mathrm{\&xi;}}^2}+2}},$ $Z_2=\frac{2Z_0^2}{Z_1}$

其中ξ＝(tan(Pf₁))²。

步骤e3.确定实现左手传输线的结构单元数N，并确保N满足条件 $\frac{Q}{{\mathrm{Nf}}_1}<\frac{\mathrm{\&pi;}}{2};$

步骤f3.根据以下公式计算实现左手传输线的贴片电容值C_L和贴片电感值L_L为：

$C_L=\frac{N}{2\mathrm{\&pi;}{Z}_{1}Q},$ $L_L=\frac{{\mathrm{NZ}}_1}{2\mathrm{\&pi;Q}};$

步骤g3.隔离电路由隔离电阻R，隔离电容C_x和隔离电感L_x组成，其值分别为：

R＝2Z₀、 $C_x=\frac{\frac{B}{{\mathrm{\&omega;}}_1}-\frac{A}{{\mathrm{\&omega;}}_2}}{\frac{2{\mathrm{\&omega;}}_2}{{\mathrm{\&omega;}}_1}-\frac{2{\mathrm{\&omega;}}_1}{{\mathrm{\&omega;}}_2}},$ $L_x=\frac{\frac{2{\mathrm{\&omega;}}_2}{{\mathrm{\&omega;}}_1}-\frac{2{\mathrm{\&omega;}}_1}{{\mathrm{\&omega;}}_2}}{B{\mathrm{\&omega;}}_1-A{\mathrm{\&omega;}}_2}$

其中 $A=\frac{Z_2-Z_1{p}^2}{Z_{2}p(Z_1+Z_2)},$ $B=\frac{Z_2-Z_1{q}^2}{Z_{2}q(Z_1+Z_2)},$ p＝tan(Pf₁)，q＝tan(Q/f₁)

步骤h3.根据Wilkinson功分器原理结构和以上所计算的参数用微波仿真软件进行仿真、优化，使工作频点f₁、f₂下端口驻波比和隔离度满足设计要求；

步骤i3.根据仿真结果制作加工版图，并进行加工；

步骤j3.对加工电路板进行测量，判断测量结果是否满足设计要求，根据需要进行电路调试(如改变线宽、电容电感值等)，直到满足设计要求，完成基于复合左右手传输线的紧凑型任意双频Wilkinson功分器的制作。

图11是本发明制作的基于复合左右手传输线和双节阻抗变换技术的紧凑型任意双频Wilkinson功分器，图中功分器可工作在0.9G和1.8G两个频率点处，其中α＝2， $l_{\mathrm{total}}=\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_g}{6}.$ 图11中左手传输线由贴片电容和电感来实现，且并联电感终端由通孔接地，隔离电阻、电感和电容均并联在两输出端口中间。

图12a和图12b是本发明制作的工作在0.9G和1.8G的基于复合左右手传输线和双节阻抗变换技术的紧凑型任意双频Wilkinson功分器S参数曲线，图12a是仿真结果，图12b是实验测量结果，可以看到，在两个工作频率上实际制作的功分器的三个端口均能达到良好的匹配，由此计算得到的端口驻波比小于1.2，且两个输出口间的隔离度大于15dB。

图12a横轴为频率轴，左纵轴为s11、s22和s33值，右纵轴为s12值；图12b横轴为频率轴，左纵轴为s11、s22和s33值，右纵轴为s12值。

本发明的有益效果是：

(一)利用复合左右手传输线的特殊性质，设计出新型的任意双频Wilkinson功分器，该功分器可以工作在任意两个频率点，克服了传统功分器只能奇次倍频工作的缺陷。

(二)根据本发明二提出的结合负相移和复合左右手传输线的相移曲线，所设计的缩小型功分器的分支线长度缩短到

当1＜α＜3时，分支线长度大于四分之一波长，当α＞3时，分支线长度小于四分之一波长，克服了Caloz在文献[9]中提出的双频设计技术中器件结构尺寸较大的缺陷。

(三)根据发明三提出的结合复合左右手传输线和双节阻抗变换技术，其中的一节阻抗变换线采用左手传输线的相移 $Q/f_1=-\frac{\mathrm{\&pi;}}{1+\mathrm{\&alpha;}}$ 为负相移的技术方案，使本发明设计出的紧凑型功分器的分支线长度缩短到

当1＜α＜3时，分支线长度小于四分之一波长，满足双频工作的同时结构紧凑，克服了Lei Wu在文献[1]中提出的双频设计技术中器件结构尺寸较大的缺陷。

(四)本发明提出的新型任意双频Wilkinson功分器设计过程简单，所需微波板材和元器件均易于获得，便于加工。

(五)仿真和实验测量结果证明，本发明提出的新型任意双频Wilkinson功分器设计在两个工作频点处均能很好的满足功分器的性能要求，技术切实可行。

上面描述是用于实现本发明及其实施例，本领域普通技术人员可以根据实际情况确定要使用的多种实现方法，因此，本发明的范围不应由该描述来限定。本领域的技术人员应该理解，在不脱离本发明的范围的任何修改或局部替换，均属于本发明权利要求来限定的范围。

Claims (7)

1、一种基于复合左右手传输线的任意双频功分器，包括第一端口、第二端口、第三端口，其特征在于：还包括两个分支线，这两个分支线均为复合左右手传输线，该复合左右手传输线包括四个右手传输线，即第一右手传输线、第二右手传输线、第三右手传输线、第四右手传输线和两个左手传输线即第一左手传输线、第二左手传输线，以及隔离电阻；其中第一分支线为第一右手传输线、第一左手传输线、第二右手传输线三者串联连接，第二分支线为第三右手传输线、第二左手传输线、第四右手传输线三者串联连接；第一右手传输线和第三右手传输线的输入端与第一端口连接；在第二右手传输线、第四右手传输线的两个输出端并联连接有隔离电阻；第二右手传输线的输出端与第二端口的输入端和隔离电阻一端连接；第四右手传输线的输出端与第三端口的输入端和隔离电阻另一端连接。

2、根据权利要求1所述基于复合左右手传输线的任意双频功分器，其特征在于：隔离电阻R＝2Z₀，Z₀为功分器端口特性阻抗，其中第一右手传输线、第二右手传输线、第三右手传输线、第四右手传输线具有相同的特性阻抗分别为Z₁、相移长度分别为Pf₁/2，其中工作频率f₁、右手传输线频率系数P；第一左手传输线、第二左手传输线具有相同的特性阻抗分别为Z₁、相移长度分别为Q/f₁，其中工作频率f₁、左手传输线频率系数Q；第一右手传输线、第二右手传输线、第三右手传输线、第四右手传输线分别由微带电路来实现，第一左手传输线、第二左手传输线分别由N节贴片电容C_I和贴片电感L_L组合构成，其中N为整数，并且所选N值必须确保满足条件 $\frac{Q}{N{f}_1}<\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}.$

3、一种基于复合左右手传输线的任意双频功分器，包括输入端口、第一输出端口、第二输出端口，其特征在于还包括：第一左手传输线、第一右手传输线、第二左手传输线、第二右手传输线，隔离电路由隔离电阻R，隔离电容C_x和隔离电感L_x构成；第一分支线包括第一左手传输线和第一右手传输线串联连接，第二分支线包括第二左手传输线和第二右手传输线串联连接；第一左手传输线和第二左手传输线的输入端与输入端口连接；在第一右手传输线与第二右手传输线的输出端之间和第一输出端口、第二输出端口的输入端之间分别并联连接有隔离电阻R，隔离电容C_x和隔离电感L_x，所述第一分支线和第二分支线中特性阻抗Z₁、Z₂不同，其中第一左手传输线和第二左手传输线的特性阻抗为Z₁，相移长度为Q/f₁，第一右手传输线与第二右手传输线的特性阻抗为Z₂，相移长度为Pf₁，其中f₁为工作频率，Q为左手传输线频率系数，P为右手传输线频率系数；右手传输线由普通的微带电路来实现，左手传输线由N节贴片电容C_L和贴片电感L_L组合构成，其中N为整数，并且所选N值必须确保满足条件 $\frac{Q}{{\mathrm{Nf}}_1}<\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}.$

4、一种基于复合左右手传输线的任意双频功分器制作方法，其特征在于，制作步骤如下：

获取工作频点频率比步骤：根据用户需要，确定任意两个工作频点f₁、f₂，令f₂＞f₁，并计算二者频率比值α＝f₂/f₁；

建立传输线相移值步骤：基于复合左右手传输线的相移特性，分别获得右手传输线和左手传输线的相移值；

建立端口传输线步骤：利用端口特性阻抗、相移值和介质板参数，获取端口传输线的线宽和长度；

建立右手传输线步骤：利用分支线特性阻抗、相移值和介质板参数，获取分支线中右手传输线的线宽和长度；

建立左手传输线步骤：确定实现左手传输线的结构单元数N，所选N值必须确保满足条件 $\frac{Q}{{\mathrm{Nf}}_1}<\frac{\mathrm{\&pi;}}{2},$ 其中f₁为工作频率，Q为左手传输线频率系数，确定实现左手传输线的电容值C_L和电感值L_L为： $C_L=\frac{N}{2\mathrm{\&pi;}{Z}_{1}Q},$ $L_L=\frac{{\mathrm{NZ}}_1}{2\mathrm{\&pi;Q}},$ 其中Z₁为第一左手传输线和第二左手传输线的特性阻抗；

建立隔离电路步骤：根据两输出端口之间电路关系，确定隔离电路所采用具体元器件及参数。

5、根据权利要求4所述基于复合左右手传输线的任意双频功分器制作方法，其特征在于，所述建立传输线相移值步骤包括：根据复合左右手传输线相移曲线把f₁、f₂两个频率点下的传输线相移分别设为π/2和3π/2，计算f₁频率点下右手传输线和左手传输线的相移分别为Pf₁、Q/f₁，得到频移系数P、Q值为：

$P\&ap;\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}\frac{3f_2-f_1}{{f_2}^2-{f_1}^2}=\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}\frac{3\mathrm{\&alpha;}-1}{{\mathrm{\&alpha;}}^2-1}\frac{1}{f_1},$ $Q\&ap;\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}\frac{\frac{3}{f_2}-\frac{1}{f_1}}{\frac{1}{{f_1}^2}-\frac{1}{{f_2}^2}}=\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}\frac{3\mathrm{\&alpha;}-{\mathrm{\&alpha;}}^2}{{\mathrm{\&alpha;}}^2-1}{f}_1,$

其中α为两工作频率的比值α＝f₂/f₁；

所述建立右手传输线步骤包括：功分器分支线长度为

其中λ_g为工作频率f₁下的波导波长；其中两工作频率点的比值为α，当1＜α＜3时，分支线长度大于四分之一波长，当α＞3时，分支线长度小于四分之一波长。

6、根据权利要求4所述基于复合左右手传输线的任意双频功分器制作方法，其特征在于，所述建立传输线相移值步骤包括：根据结合负相移的复合左右手传输线相移曲线把f₁、f₂两个频点下传输线的相移分别设为-π/2和π/2，计算f₁频率下右手传输线和左手传输线的相移Pf₁、Q/f₁，得到频移系数P、Q值为：

$P\&ap;\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}\frac{1}{f_2-f_1}=\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}\frac{1}{\mathrm{\&alpha;}-1}\frac{1}{f_1},$ $Q\&ap;\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}\frac{f_1{f}_2}{f_2-f_1}=\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}\frac{\mathrm{\&alpha;}}{\mathrm{\&alpha;}-1}{f}_1,$ 其中α为两工作频率的比值α＝f₂/f₁；

所述建立右手传输线步骤包括：功分器分支线长度为

其中λ_g为工作频率f₁下的波导波长；当2＜α＜3时，分支线长度小于四分之一波长，当1＜α＜2时，分支线长度大于四分之一波长。

7、根据权利要求4所述基于复合左右手传输线的任意双频功分器制作方法，其特征在于，所述建立传输线相移值步骤、建立右手传输线步骤和建立左手传输线步骤包括：右手传输线的特性阻抗Z₂、相移Pf₁和左手传输线的特性阻抗Z₁和相移Q/f₁分别为：

$Z_2=Z_0\sqrt{\frac{1}{2\mathrm{\&xi;}}+\sqrt{\frac{1}{4{\mathrm{\&xi;}}^2}+2}},$ $P=\frac{\mathrm{\&pi;}}{1+\mathrm{\&alpha;}}\frac{1}{f_1}$

$Z_1=\frac{2Z_0^2}{Z_2},$ $Q=-\frac{\mathrm{\&pi;}}{1+\mathrm{\&alpha;}}{f}_1$

其中ξ＝(tan(Pf₁))²或右手传输线特性阻抗Z₁和左手传输线特性阻抗Z₂的值互换为：

$Z_1=Z_0\sqrt{\frac{1}{2\mathrm{\&xi;}}+\sqrt{\frac{1}{4{\mathrm{\&xi;}}^2}+2}},$ $Z_2=\frac{2Z_0^2}{Z_1}$

其中ξ＝(tan(Pf₁))²，Z₀为功分器端口特性阻抗，f₁、f₂分别为两工作频率，α为两工作频率的比值α＝f₂/f₁，Z₁为第一左手传输线和第二左手传输线的特性阻抗，Z₂为第一右手传输线与第二右手传输线的特性阻抗，P为右手传输线频率系数，Q为左手传输线频率系数；

功分器第一分支线和第二分支线长度为其中λ_g为工作频率f₁下的波导波长；当1＜α＜3时，分支线长度小于四分之一波长；

隔离电路由隔离电阻R，隔离电容C_x和隔离电感L_x组成，其值分别为：

R＝2Z₀、 $C_x=\frac{\frac{B}{{\mathrm{\&omega;}}_1}-\frac{A}{{\mathrm{\&omega;}}_2}}{\frac{2{\mathrm{\&omega;}}_2}{{\mathrm{\&omega;}}_1}-\frac{2{\mathrm{\&omega;}}_1}{{\mathrm{\&omega;}}_2}},$ $L_x=\frac{\frac{2{\mathrm{\&omega;}}_2}{{\mathrm{\&omega;}}_1}-\frac{2{\mathrm{\&omega;}}_1}{{\mathrm{\&omega;}}_2}}{{\mathrm{B\&omega;}}_1-A{\mathrm{\&omega;}}_2}$

其中 $A=\frac{Z_2-Z_1{p}^2}{Z_{2}p(Z_1+Z_2)},$ $B=\frac{Z_2-Z_1{q}^2}{Z_{2}q(Z_1+Z_2)},$ p＝tan(Pf₁)，q＝tan(Q/f₁)；

其中ω₁＝2πf₁，ω₂＝2πf₂。

Images