CN101938815B - 功率分配器及双输出的无线信号发射器 - Google Patents

功率分配器及双输出的无线信号发射器 Download PDF

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Abstract

一种功率分配器，包括有一基板；一信号接收端，形成在该基板的一第一层中，用来接收待发射信号；一第一输出端，形成在该第一层中，用来输出射频信号；一阻抗匹配端，形成在该基板的一第三层中；一第二输出端，形成在该第三层中，用来输出射频信号；一接地板，形成在该基板的一第二层中，环绕一孔洞而呈环状；一第一块状传输线，形成在该第一层中对应于该孔洞的位置，耦接到该信号接收端及该第一输出端；以及一第二块状传输线，形成在该第三层中对应于该孔洞的位置，耦接到该阻抗匹配端及该第二输出端，具有与该第一块状传输线相同的形状。

Description

功率分配器及双输出的无线信号发射器
技术领域
本发明关于一种功率分配器及双输出的无线信号发射器，特别是一种体积小、构造精简且可应用于多频或宽频的操作的功率分配器及无线信号发射器。 
背景技术
随着无线通信技术不断演进，越来越多无线通信系统支持多输入多输出(Multi-input Multi-output，MIMO)通信技术，如采用符合IEEE802.11无线区域网路标准的无线通信系统等，用以提升无线通信系统的频谱效率及传输速率，以改善通信品质。多输入多输出通信技术的概念通过多重(或多组)天线同步收发无线信号，以在不增加频宽或总发射功率耗损(Transmit PowerExpenditure)的情况下，增加系统的数据吞吐量(Throughput)及传送距离，因而可提升频谱效率及传输速率。 
要在多输入多输出系统上达成以智能型天线收发信号的目的，射频处理电路需适当地将待发射信号传送至各个发射天线，因此需要配置功率分配器。举例来说，在一2T/2R(2发射器、2接收器)的多输入多输出系统下，射频处理电路可将待发射信号平均地分配为两个功率相等，但相位差90度的射频信号，以通过两个发射天线发送无线信号。这种带有90度相位差的功率分配器，在射频信号处理领域中是重要的元件之一。然而，传统90度相位差的功率分配器除了需较大的布局面积外，由于其通常是针对窄频或是单一频带的应用，当用于宽频及多频带的操作时，会造成功率损耗与相位差偏移，因而不符合目前无线电子产品多频带应用的趋势。 
发明内容
因此，本发明的主要目的即在于提供一种功率分配器及双输出的无线信号发射器。 
本发明公开一种功率分配器，包括有一基板，包括有一第一层、一第二 层及一第三层，该第二层介于该第一层与该第三层之间；一信号接收端，形成在该基板的该第一层中，用来接收一待发射信号；一第一输出端，形成在该基板的该第一层中，用来输出一第一射频输出信号；一阻抗匹配端，形成在该基板的该第三层中，用来耦接一阻抗；一第二输出端，形成在该基板的该第三层中，用来输出一第二射频输出信号；一接地板，形成在该基板的该第二层中，并环绕一孔洞而呈环状；一第一块状传输线，形成在该基板的该第一层中对应于该孔洞的位置，并耦接到该信号接收端及该第一输出端；以及一第二块状传输线，形成在该基板的该第三层中对应于该孔洞的位置，并耦接到该阻抗匹配端及该第二输出端，具有与该第一块状传输线相同的形状。 
本发明还公开一种双输出的无线信号发射器，包括有一射频信号处理电路，用来产生一待发射信号；一第一天线；一第二天线；以及一功率分配器。该功率分配器包括有一基板，包括有一第一层、一第二层及一第三层，该第二层介于该第一层与该第三层之间；一信号接收端，形成在该基板的该第一层中，用来接收该待发射信号；一第一输出端，形成在该基板的该第一层中，用来输出一第一射频输出信号至该第一天线；一阻抗匹配端，形成在该基板的该第三层中，用来耦接一阻抗；一第二输出端，形成在该基板的该第三层中，用来输出一第二射频输出信号至该第二天线；一接地板，形成在该基板的该第二层中，并环绕一孔洞而呈环状；一第一块状传输线，形成在该基板的该第一层中对应于该孔洞的位置，并耦接到该信号接收端及该第一输出端；以及一第二块状传输线，形成在该基板的该第三层中对应于该孔洞的位置，并耦接到该阻抗匹配端及该第二输出端，具有与该第一块状传输线相同的形状。 
附图说明
图1A为本发明实施例一功率分配器的示意图。 
图1B、图1C及图1D为图1A的功率分配器的各层示意图。 
图2为图1A的功率分配器的频率响应图。 
图3为图1A的功率分配器的相位示意图。 
图4为本发明一变化实施例的示意图。 
图5为本发明一变化实施例的示意图。 
主要元件符号说明 
10                    功率分配器 
100                    基板 
P1                      信号接收端 
P2、P3                   输出端 
P4                      阻抗匹配端 
GND_PLT                   接地板 
TML_B1、TML_B2、TML_Ba、TML_Bb 块状传输线 
HL、HL_a、HL_b             孔洞 
S11、S21、S31、S41            曲线 
具体实施方式
请参考图1A至图1D，图1A为本发明实施例一功率分配器10的示意图，图1B至图1D为功率分配器10的各层示意图。功率分配器10包括有一基板100、一信号接收端P1、输出端P2、P3、一阻抗匹配端P4、一接地板GND_PLT、块状传输线TML_B1、TML_B2。信号接收端P1用来接收一待发射信号，输出端P2、P3用来输出射频输出信号，而阻抗匹配端P4则耦接到一阻抗(未示出在图中)，如50欧姆。此外，由P2和P3所输出的射频输出信号在分别经过块状传输线TML_B1与TML_B2的电气路径优选地相差待发射信号的四分之一波长。以结构来说，基板100为三层印刷电路板，其上层(如图1B所示)印刷有信号接收端P1、输出端P2及块状传输线TML_B1，中层(如图1C所示)印刷有接地板GND_PLT，下层(如图1D所示)则印刷有输出端P3、阻抗匹配端P4及块状传输线TML_B2。更进一步地，由图1A至图1D可知，接地板GND_PLT环绕一孔洞HL，而对应于孔洞HL的上、下方则为形状相同的块状传输线TML_B1、TML_B2，其中，孔洞HL投影在中层的形状大于块状传输线TML_B1投影在上层的形状。在此情形下，由于块状传输线TML_B1与TML_B2之间未被接地板GND_PLT隔绝，因此通过信号耦合后，输出端P2及P3的射频输出信号的相位差为90度。此外，块状传输线TML_B1与TML_B2间的距离由中层印刷电路板的厚度决定。块状传输线TML_B1与TML_B2间的距离则视有多少的能量从TML_B1耦合至TML_B2，例如3dB、6dB或是其他特定的比例。 
另一方面，块状传输线TML_B1、TML_B2的宽度非定值，而是由窄变宽，再由宽变窄。换句话说，对块状传输线TML_B1上传输的信号(即信号接收端P1所接收的待发射信号)来说，所面对的阻抗会由小变大，再由大变小，因此，经由耦合作用后，可将待发射信号的能量依特定比例分配至输出端P2及P3。此特定比例与块状传输线TML_B1、TML_B2的形状的变化有关，换句话说，块状传输线TML_B1、TML_B2的形状相关于输出端P2及P3的能量分布。此外，由于接地板GND_PLT会影响块状传输线TML_B1与TML_B2间的信号耦合情形，因此，孔洞HL的形状也会影响输出端P2及P3的能量分布。在此情形下，设计者可借由调整块状传输线TML_B1、TML_B2及孔洞HL的形状，使输出端P2及P3所输出的射频信号的能量呈特定比例。例如，针对2T/2R的系统，可产生功率相等的射频输出信号。 
简单来说，借由块状传输线TML_B1与TML_B2，本发明可由输出端P2及P3输出相位差90度的射频输出信号，再通过调整块状传输线TML_B1与TML_B2的形状或孔洞HL的形状，可控制输出端P2及P3的信号功率比，进而达到功率分配的目的。由于块状传输线TML_B1与TML_B2间是通过耦合作用，不需借由组合无源元件(如电感、电容等)，即可达到功率分配及相位差90度的效果，因此可应用于多频或宽频的应用。 
举例来说，若应用于符合IEEE802.11标准的无线通信系统，适当调整功率分配器10的尺寸后，可得图2的频率响应图及图3的相位示意图。在图2中，曲线S21表示在不同频率下，由信号接收端P1传输(耦合)至输出端P2的能量比例；曲线S31表示在不同频率下，由信号接收端P1传输(耦合)至输出端P3的能量比例；曲线S11表示在不同频率下，由信号接收端P1反射回信号接收端P1的能量比例；以及曲线S41表示在不同频率下，由信号接收端P1传输(耦合)至阻抗匹配端P4的能量比例。因此，由图2可知，在IEEE802.11的操作频段，即2.4GHz及5GHz附近，曲线S21、S31的振幅均在-3dB附近，表示输出端P2、P3的信号能量约为信号接收端P1的信号能量的一半。另外，在图3中，虚线表示输出端P2的信号相位，而实线表示输出端P3的信号相位，可知输出端P2与P3的信号相位差为90度。因此，由图2及图3可知，在IEEE802.11的操作频段，功率分配器10可输出相位差90度且功率相等的射频信号。换句话说，本发明适用于多频及宽频的应用。 
除此之外，由于功率分配器10不需复杂的电子元件，可减少布局面积，提升产品竞争力。另一方面，将功率分配器10应用到一无线信号发射器时，可将功率分配器10设在一射频信号处理电路与多重(两个)天线之间，亦即，将信号接收端P1耦接到射频信号处理电路，并将输出端P2、P3分别耦接到两天线，则功率分配器10可将射频信号处理电路所输出的待发射信号，分配至输出端P2、P3，并使输出端P2、P3的信号相位差为90度，而功率相等或呈特定比例。 
需注意的是，图1A至图1D所示的功率分配器10为本发明的一实施例，本领域具通常知识者当可根据所需的功率分配比例或操作频段等，适当地调整各元件的形状、尺寸、材料。例如，在图4中，一块状传输线TML Ba的形状为线性增加，再对称地线性减少，而对应的孔洞HL a则为长方形；而在图5中，一块状传输线TML Bb的形状与块状传输线TML Ba相同，但其孔洞HL b则为八角形。当然，图4及图5仅用以说明本发明可能的变化，而非用以限制本发明。 
在传统技术中，功率分配器需较大的布局面积，且不适用于宽频及多频带的操作。相比较之下，本发明不需复杂的电子元件，可减少布局面积，并可应用于多频或宽频的应用。本发明除了可输出相位差90度的射频信号，另外可通过改变块状传输线或接地板的孔洞的形状，调整射频输出信号的功率比，更进一步地扩大应用范围。 
综上所述，本发明通过耦合作用，输出相位差90度的射频信号，并通过改变块状传输线或接地板的孔洞的形状，调整射频输出信号的功率比。因此，本发明的功率分配器不仅具有体积小、构造精简的优点外，同时可应用于多频或宽频的操作。 
以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明所做的均等变化与修饰，均应属本发明的涵盖范围。 

Claims (22)

1.一种功率分配器，包括：
一基板，包括一第一层、一第二层及一第三层，该第二层介于该第一层与该第三层之间；
一信号接收端，形成在该基板的该第一层中，用来接收一待发射信号；
一第一输出端，形成在该基板的该第一层中，用来输出一第一射频输出信号；
一阻抗匹配端，形成在该基板的该第三层中，用来耦接一阻抗；
一第二输出端，形成在该基板的该第三层中，用来输出一第二射频输出信号；
一接地板，形成在该基板的该第二层中，并环绕一孔洞而呈环状；
一第一块状传输线，形成在该基板的该第一层中对应于该孔洞的位置，并耦接到该信号接收端及该第一输出端；以及
一第二块状传输线，形成在该基板的该第三层中对应于该孔洞的位置，并耦接到该阻抗匹配端及该第二输出端，具有与该第一块状传输线相同的形状。
2.根据权利要求1所述的功率分配器，其中该第一射频输出信号及该第二射频输出信号分别经过该第一块状传输线与该第二块状传输线的电气路径相差该待发射信号的四分之一波长。
3.根据权利要求1所述的功率分配器，其中该第一射频输出信号与该第二射频输出信号的相位差为90度。
4.根据权利要求1所述的功率分配器，其中该第一射频输出信号与该第二射频输出信号的能量和等于该待发射信号的能量。
5.根据权利要求1所述的功率分配器，其中该孔洞的形状与该第一射频输出信号与该第二射频输出信号的能量比相关。
6.根据权利要求1所述的功率分配器，其中该孔洞为长方形。
7.根据权利要求1所述的功率分配器，其中该孔洞为八角形。
8.根据权利要求1所述的功率分配器，其中该孔洞投影在该基板的该第二层的形状大于该第一块状传输线投影在该基板的该第一层的形状。
9.根据权利要求1所述的功率分配器，其中该第一块状传输线与该第二块状传输线的形状与该第一射频输出信号与该第二射频输出信号的能量比相关。
10.根据权利要求1所述的功率分配器，其中该第一块状传输线投影在该基板的该第一层的形状的宽度为呈窄至宽再至窄的变化。
11.根据权利要求1所述的功率分配器，其中该阻抗为50欧姆。
12.一种双输出的无线信号发射器，包括有：
一射频信号处理电路，用来产生一待发射信号；
一第一天线；
一第二天线；以及
一功率分配器，包括有：
一基板，包括有一第一层、一第二层及一第三层，该第二层介于该第一层与该第三层之间；
一信号接收端，形成在该基板的该第一层中，用来接收该待发射信号；
一第一输出端，形成在该基板的该第一层中，用来输出一第一射频输出信号至该第一天线；
一阻抗匹配端，形成在该基板的该第三层中，用来耦接一阻抗；
一第二输出端，形成在该基板的该第三层中，用来输出一第二射频输出信号至该第二天线；
一接地板，形成在该基板的该第二层中，并环绕一孔洞而呈环状；
一第一块状传输线，形成在该基板的该第一层中对应于该孔洞的位置，并耦接到该信号接收端及该第一输出端；以及
一第二块状传输线，形成在该基板的该第三层中对应于该孔洞的位置，并耦接到该阻抗匹配端及该第二输出端，具有与该第一块状传输线相同的形状。
13.根据权利要求12所述的无线信号发射器，其中该第一射频输出信号及该第二射频输出信号分别经过该第一块状传输线与该第二块状传输线的电气路径相差该待发射信号的四分之一波长。
14.根据权利要求12所述的无线信号发射器，其中该第一射频输出信号与该第二射频输出信号的相位差为90度。
15.根据权利要求12所述的无线信号发射器，其中该第一射频输出信号与该第二射频输出信号的能量和等于该待发射信号的能量。
16.根据权利要求12所述的无线信号发射器，其中该孔洞的形状与该第一射频输出信号与该第二射频输出信号的能量比相关。
17.根据权利要求12所述的无线信号发射器，其中该孔洞为长方形。
18.根据权利要求12所述的无线信号发射器，其中该孔洞为八角形。
19.根据权利要求12所述的无线信号发射器，其中该孔洞投影在该基板的该第二层的形状大于该第一块状传输线投影在该基板的该第一层的形状。
20.根据权利要求12所述的无线信号发射器，其中该第一块状传输线与该第二块状传输线的形状与该第一射频输出信号与该第二射频输出信号的能量比相关。
21.根据权利要求12所述的无线信号发射器，其中该第一块状传输线投影在该基板的该第一层的形状的宽度为呈窄至宽再至窄的变化。
22.根据权利要求12所述的无线信号发射器，其中该阻抗为50欧姆。
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