CN101589506A

CN101589506A - 一种利用双频带-crlh传输线的功率分配器及功率组合器

Info

Publication number: CN101589506A
Application number: CNA2007800487400A
Authority: CN
Inventors: 柳秉勳; 成元模; 申东律; 朴昶炫; 金政杓
Original assignee: EMW Antenna Co Ltd
Current assignee: Kespion Co Ltd
Priority date: 2006-12-29
Filing date: 2007-12-27
Publication date: 2009-11-25
Also published as: WO2008082148A1; KR100883529B1; US20100026416A1; JP2010515331A; EP2127018A1; EP2127018A4; KR20080062587A

Abstract

本发明提供一种利用双频带－CRLH(dual band－Composite Right/Left－Handed)传输线的功率分配器及功率组合器。本发明包括一个输入端子及两个输出端子的功率分配器，包括：两条传输线，其两端各连接于上述输入端子及上述输出端子；两个短路残段(short－stub)，其一端各连接于上述输出端子，另一端接地。此时，上述传输线可使用第一双频带－CRLH(dual band－Composite Right/Left Handed)传输线，其特性阻抗取连接于上述输出端子的终端阻抗两倍的值；上述短路残段可使用第二双频带－CRLH传输线，其特性阻抗取与上述终端阻抗一样的值。对于输入信号，上述第一双频带－CRLH传输线及上述第二双频带－CRLH传输线，在高频带产生90度的相位延迟；在低频带产生－90度的相位延迟。

Description

一种利用双频带-CRLH传输线的功率分配器及功率组合器

技术领域

本发明涉及一种利用双频带-CRLH(混合右/左手：CompositeRight/Left-Handed)传输线的功率分配器及功率组合器，尤其是一种通过利用上述双频带-CRLH传输线提高威尔金森功率分配器/组合器阻带特性，解决有限工作频率及宽带所引起的阻带特性问题的功率分配器及功率组合器。

背景技术

功率分配器是在RF(射频：Radio Frequency)电路中将所输入功率按一定比率进行分配并分配至输出端口的电路，不仅可以在无功率损耗的情况下按所需比率分配功率，而且通过在两输出端口之间进行绝缘(isolation)，有效防止两端口相互影响所导致的电路特性变化。另外，功率分配器还可通过转换输入/输出端口，将其用作功率组合器。

现有技术中，最常用的功率分配器/组合器为威尔金森功率分配器(Wilkinson power divider)。通常，威尔金森功率分配器，是利用有RH(Right-Handed)特性的传输线设计成具有设计者所希望频带的功率分配器，为用于两个信号组合或分配的微波元件。

图1为现有技术威尔金森功率分配器概略示意图。如图1所示，威尔金森功率分配器100包括一个输入端子101及两个输出端子102、103，输入至输入端子101的功率按相同比率分配至输出端子102、103。传输线104、105的特性阻抗ZOT设定为

Z_{OT} = \sqrt{2} Z_{O},

其值取70.7Ω。此时，ZO为输出端子102、103的终端阻抗。上述传输线104、105的长度，在电路工作波长为λ时，设定为λ/4。另外，电阻106取值100Ω，即终端阻抗的两倍2ZO。

上述威尔金森功率分配器利用RH传输线实现，所以其尺寸与波长成比例。因此在低频带威尔金森功率分配器的尺寸很大，只能在数倍于所设计频率的频带重新使用。另外，因宽带特性，其阻带特性较差。

解决上述问题为目的之现有技术，有组合RH传输线及LH(Left-Handed)传输线的CRLH(Composite Right/Left-Handed)。图2为现有技术利用CRLH的威尔金森功率分配器概略电路示意图；图3为现有技术威尔金森功率分配器插入损耗及反射系数示意图。威尔金森功率分配器200与图1所示威尔金森功率分配器100相同，只是将传输线104、105替换为CRLH201。

上述CRLH 201，尤其是设计为具有双频特性的双频带-CRLH(dual band-CRLH)，可在特定的双频带使用。但可通过图3所示图表300可知，因威尔金森功率分配器的宽带特性，上述CRLH不能改进现有的阻带特性问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种利用双频带-CRLH(dual band-Composite Right/Left-Handed)传输线的功率分配器。

本发明的目的在于，使利用双频带-CRLH(dual band-Composite Right/Left-Handed)传输线的威尔金森功率分配器，具有设计者所希望的双频带工作特性。

本发明的另一目的在于，通过利用双频带-CRLH传输线的短路残段(short-stub)，提高阻带特性，解决有限工作频率问题及宽带所引起的阻带特性问题。

为达到上述目的，解决上述现有技术中存在的问题，本发明一实施例中的包括一个输入端子及两个输出端子的功率分配器，包括：两条传输线，其两端各连接于上述输入端子及上述输出端子；两个短路残段(short-stub)，其一端各连接于上述输出端子，另一端接地。

根据本发明的一个方面，上述传输线可包括第一双频带-CRLH(dual band-Composite Right/Left Handed)传输线，其特性阻抗取主要连接于上述输出端子的终端阻抗两倍的值；上述短路残段可包括第二双频带-CRLH传输线，其特性阻抗取与上述终端阻抗一样的值。

根据本发明的另一方面，对于输入信号，上述第一双频带-CRLH传输线及上述第二双频带-CRLH传输线，可在高频带产生90度的相位延迟；在低频带产生-90度的相位延迟。

根据本发明的又一方面，上述第一双频带-CRLH传输线及上述第二双频带-CRLH传输线，可各包括至少一个相当于RH传输线及LH传输线之组合的单元，其中：RH传输线，包括两个串联感应器及一个并联电容器；LH传输线，包括两个串联电容器及并联感应器。此时，上述RH传输线，可对输入信号，在高频带产生正相位迟延；上述LH传输线，可对上述输入信号，在低频带产生负相位迟延。

根据本发明另一实施例，包括一个输出端子及两个输入端子的功率组合器，包括：两条传输线，其两端各连接于上述输出端子及上述输入端子；两个短路残段，其一端各连接于上述输入端子，另一端接地。

根据本发明，使利用双频带-CRLH(dual band-Composite Right/Left-Handed)传输线的威尔金森功率分配器，可实现设计者所希望的双频带工作特性。

根据本发明，通过利用双频带-CRLH传输线的短路残段(short-stub)，提高阻带特性，可解决有限工作频率问题及宽带所引起的阻带特性问题。

附图说明

关于本发明的其它目的及优点，可通过如下结合附图所进行的详细说明变得更加清楚。

图1为现有技术威尔金森功率分配器概略电路示意图；

图2为现有技术利用CRLH的威尔金森功率分配器概略电路示意图；

图3为现有技术威尔金森功率分配器插入损耗及反射系数示意图；

图4为根据本发明一实施例的功率分配器的电路示意图；

图5为根据本发明一实施例的构成双频带-CRLH传输线的单元其内部结构示意图；

图6为根据本发明的功率分配器的插入损耗、绝缘度及反射系数一例的图解。

具体实施方式

下面，参考附图并结合具体实施例对本发明进行详细说明。在本说明书中，术语“连接”表示两个元件之间电气连接，即使其他元件介于其中，但只要在两元件之间形成电子移动通道，则均可视为连接。另外，“收发器”是指发送或接收RF信号的装置，包括发送器及接收器。而且，下面的说明虽以功率分配器为例，但也相应地适用于功率组合器。

本发明涉及一种可在设计者所希望的双频带使用，且提高了阻带特性的威尔金森功率分配器，尤其是一种通过利用上述双频带-CRLH传输线提高威尔金森功率分配器的阻带特性，解决有限工作频率及宽带所引起的阻带特性问题的功率分配器。

图4为根据本发明一实施例的功率分配器电路示意图。如图4所示，此时，功率分配器400可包括一个输入端子401、两个输出端子402、403、两个传输线404、短路残段405、406及电阻407，为在双频带900MHz及2.4GHz提高阻带特性而设计的示例电路。

此时，连接于输入端子401及输出端子402、403的终端阻抗，可取值50Ω。对于上述终端阻抗，上述传输线404可使用双频带-CRLH传输线实现，其特性阻抗取上述终端阻抗的倍的值70.7Ω；上述短路残段405、406可使用双频带-CRLH传输线实现，其特性阻抗取与上述终端阻抗一样的值50Ω。另外，连接两个输出端子402、403的电阻407，可取值上述终端阻抗两倍的值100Ω。对于如何设置双频带-CRLH传输线的特性阻抗，将在下面的内容中详述。

构成上述传输线404及短路残段405、406的上述双频带-CRLH传输线，可设计成具有低频带及高频带的双频带特性，且为此可具有N个单元。上述单元具有相同的电磁特性。具体而言，双频带-CRLH传输线，可设计成在低频带产生-90度的相位延迟；在高频带产生90度的相位延迟。即，可设计成在低频带，通过CRLH传输线相位提前90度；在高频带，通过CRLH传输线相位延迟90度，从而获得与现有功率分配器一样的效果。各单元500相位特性及构成传输线的单元500的数量N，可被设置为实现上述相位迟延。这将在后面的内容中详述。

图5为根据本发明一实施例的构成双频带-CRLH传输线的单元其内部结构的示意图。单元500大体上包括LH传输线502，包括两个串联电容器及一个并联感应器；RH传输线501，包括两个串联感应器及一个并联电容器。此时，RH传输线501，可利用如微带等分布元件的传输线实现；LH传输线502，可利用LC集总元件实现。上述单元500虽然显示为包括两个单独传输线501、502的组合，RH传输线501可基本上由简单地连接构成LH传输线502的集总元件的传输线来实现。

下面，详述单元500的特性阻抗及相位特性。如图5所示，单元500的传播常数(propagation constant)βCRLH可近似地表示为如下数学式1：

【数学式1】

β_{CRLH} \approx &PlusMinus; ω \sqrt{(L_{R} - \frac{1}{ω^{2} C_{L} p}) (C_{R} - \frac{1}{ω^{2} L_{L} p})}

在此，ω为角频率，p为单元大小。

从上式可知，低频条件下，L_L及C_L产生主要影响；而在高频条件下，L_R及C_R产生主要影响。因此，在低频条件下，主要利用通过LH线路的负相位迟延(-90度)；而在高频条件下，与现有功率分配器中一样，主要利用通过RH线路的正相位迟延(90度)，从而可在两个频带都能实现所需相位迟延。尤其是，在低频带，可通过LH线路实现相位提前，因此与现有技术中不同，传输线长度不受波长的影响，可成为低频信号波长的1/4。相反，在高频带，主要通过RH线路实现相位迟延，其长度成为高频信号波长的1/4。但是，因为低频信号的波长更长，仍可利用LH线路实现电路小型化。

另外，从上式可决定：在两个使用频率中，使相位迟延Φ_CRLH达到90度(π/2)或-90度(-π/2)所需的感应L_L、电容C_L、传输线长度(即，它的L_R及C_R)及单元数量N。尤其是，当单元500的LH传输线502及RH传输线501相匹配时，即

\sqrt{\frac{L_{R}}{C_{R}}} = \frac{L_{L}}{C_{L}}

时，LH传输线的电容和电感，可表示为如下数学式2及数学式3：

【数学式2】

L_{L} = \frac{N \cdot Z_{0} (1 - {(\frac{f_{1}}{f_{2}})}^{2})}{2 π \cdot f_{1} (\frac{π}{2} + (\frac{π}{2} \cdot \frac{f_{1}}{f_{2}}))}

【数学式3】

C_{L} = \frac{N (1 - \frac{f_{1}}{f_{2}})}{2 π \cdot Z_{0} (\frac{π}{2} + (\frac{π}{2} \cdot \frac{f_{1}}{f_{2}}))}

在上述数学式2及数学式3中，f₁、f₂各为低频及高频的中心频率；ZO为传输线特性阻抗，在传输线404中为70.7Ω，在短路残段405中为50Ω。从而，可利用单元500实现传输线404及短路残段405。尤其是，f₁远小于f₂时，通过控制L_L的值，能够自由地主要调整f₁。

如图5所示，在单元500的例子中，上述两个串联电容器，可各使用电容C_L/2，而上述并联感应器，可使用感应L_L。

图6为根据本发明的功率分配器的插入损耗(细实线)、绝缘度(粗实线)及反射系数(波形线)的一例图解。如图6所示，从图表600可知，功率分配器的绝缘度，在900MHz及2.4GHz中具有-45dB或其以下的很小的值。即，两输出端子之间的绝缘度很好。

另外，在900MHz低频带中，反射系数601为-36.743dB，插入损耗602接近-3dB，可知上述两个输出端子之间的功率分配也很准确。不仅如此，在2.4GHz高频带中，反射系数603为-27.717dB，插入损耗604接近-3dB，可知在上述高频带，上述两个输出端子之间的功率准确地分配为一半。

另外，在900MHz及2.4GHz之间阻带中，绝缘度及反射系数605大大增加至0dB左右，因此比起具有-3dB或其以下的反射系数的现有功率分配器(请参考图3)，本发明的功率分配器具有优秀的阻带特性。

如上所述，如果利用根据本发明的功率分配器，可将利用CRLH传输线的威尔金森功率分配器设计成具有设计者所希望的双频带工作特性；进而通过利用双频带-CRLH传输线的短路残段，提高阻带特性，从而能够解决有限工作频率问题及宽带所引起的阻带特性问题。

如上所述，本发明对于具体的事项进行了说明，例如详细的构成元件、限制性的实施例以及其附图，但这些是为了有助于全面理解本发明。上述实施例仅用以说明本发明而非限制，本领域的普通技术人员可以根据上述内容对本发明进行各种修改和变形。例如，应该理解本说明书中描述为集总元件的任何构成元件，可用分布常数电路替代，也可逆向实现。另外，如任一描述为集总元件的构成元件与本说明书中描述的电路等价，则该构成元件均涵盖于本发明范围内，并且与电路的具体构成无关。

虽然为了说明目的对本发明的具体实施例进行了公开，但是本领域的普通技术人员会意识到在不脱离随附权利要求书中所公开的本发明精神和范围的情况下可以做出各种修改、增加以及替换。

因此，本发明并不局限于所示实施例，而相反均应涵盖包括在随附权利要求书精神和范围内的各种修改及等同布置。

Claims

1、一种功率分配器，包括一个输入端子及两个输出端子，其特征在于包括：

两条传输线，其两端各连接于上述输入端子及上述输出端子；

两个短路残段，其一端各连接于上述输出端子，另一端接地。

2、根据权利要求1所述的功率分配器，其特征在于：上述传输线包括第一双频带-CRLH传输线，其特性阻抗取主要连接于上述输出端子的终端阻抗两倍的值；上述短路残段包括第二双频带-CRLH传输线，其特性阻抗取与上述终端阻抗一样的值。

3、根据权利要求2所述的功率分配器，其特征在于：对于输入信号，上述第一双频-CRLH传输线及上述第二双频-CRLH传输线，在高频带产生90度的相位延迟；在低频带产生-90度的相位延迟。

4、根据权利要求2所述的功率分配器，其特征在于：上述第一双频-CRLH传输线及上述第二双频-CRLH传输线，可各包括至少一个相当于RH传输线及LH传输线之组合的单元，其中：

RH传输线，包括两个串联感应器及一个并联电容器；

LH传输线，包括两个串联电容器及一个并联感应器。

5、根据权利要求4所述的功率分配器，其特征在于：上述RH传输线，对输入信号，在高频带产生正相位迟延；上述LH传输线，对上述输入信号，在低频带产生负相位迟延。

6、一种收发器，其特征在于：包括根据权利要求1至5所述的任意一种功率分配器。

7、一种功率组合器，包括一个输出端子及两个输入端子，其特征在于包括：

两个短路残段，其一端各连接于上述输入端子，另一端接地。

8、根据权利要求7所述的功率分配器，其特征在于：上述传输线包括第一双频带-CRLH传输线，其特性阻抗取主要连接于上述输入端子的终端阻抗两倍的值；上述短路残段包括第二双频带-CRLH传输线，其特性阻抗取与上述终端阻抗一样的值。

9、根据权利要求8所述的功率组合器，其特征在于：对于输入信号，上述第一双频-CRLH传输线及上述第二双频-CRLH传输线，在高频带产生90度的相位延迟；在低频带产生-90度的相位延迟。

10、根据权利要求8所述的功率组合器，其特征在于：上述第一双频-CRLH传输线及上述第二双频-CRLH传输线，可各包括至少一个相当于RH传输线及LH传输线之组合的单元，其中：

RH传输线，包括两个串联感应器及一个并联电容器；

LH传输线，包括两个串联电容器及一个并联感应器。

11、根据权利要求10所述的功率组合器，其特征在于：上述RH传输线，对输入信号，在高频带产生正相位迟延；上述LH传输线，对上述输入信号，在低频带产生负相位迟延。

12、一种收发器，其特征在于：包括根据权利要求7至11所述的任意一种功率组合器。