发明内容
本发明针对双频Wilkinson型功分器不适合高功率应用,传统Gysel型功分器只能工作在基频和它的奇次谐波下,已有双频Gysel型功分器只能等功率分配、端口负载相同的不足,提供一种双频功分器及其设计方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下:一种双频功分器的设计方法包括负载阻值为Zp1的第一端口,负载阻值为Zp2的第二端口,负载阻值为Zp3的第三端口,特性阻抗为Z1的第一分支传输线,特性阻抗为Z2的第二分支传输线,特性阻抗为Z3的第三分支传输线,特性阻抗为Z4的第四分支传输线,特性阻抗为Z5的第五分支传输线,特性阻抗为Z6的第六分支传输线,特性阻抗为Z7的短路枝节,特性阻抗为Z8的开路枝节,阻值为R1的第一隔离电阻和阻值为R2的第二隔离电阻,其中,各分支传输线具有相同的相移值分别为θ,所述设计方法包括以下步骤:
步骤a:确定所述第一端口、第二端口和第三端口所接负载的电阻值,功分器的任意两个工作频率f1、f2,并计算任意两个工作频率的频率比以及第二端口和第三端口的功率分配因子;
步骤b:根据任意两个工作频率的频率比计算出传输线分别在两个工作频率f1、f2上的相移值,其中,在所述工作频率f1上的相移值为θ1,在所述工作频率f2上的相移值为θ2;
步骤c:根据第一端口、第二端口和第三端口所接负载的电阻值,任意两个工作频率的频率比,第二端口和第三端口的功率分配因子,以及传输线分别在两个工作频率f1、f2上的相移值,计算出各个分支传输线特性阻抗值、短路枝节特性阻抗值、开路枝节特性阻抗值、第一隔离电阻值和第二隔离电阻值。
进一步,所述步骤a中第二端口和第三端口的功率分配因子为
其中P2为第二端口功率大小,P3为第三端口功率大小。
进一步,所述步骤b中工作频率f1上的相移值θ1和工作频率f2上的相移值θ2分别为:
进一步,所述步骤c包括:
步骤c1:将功分器的所有阻抗值对第一端口负载阻抗Zp1做归一化处理,所述第二端口负载归一化阻值为zp2,所述第三端口负载归一化阻值为zp3;
步骤c2:给定任意第一分支传输线归一化特性阻抗值z1,计算出第二分支传输线归一化特性阻抗z2,第四分支传输线归一化特性阻抗z4,短路枝节归一化特性阻抗z7,第五分支传输线归一化特性阻抗z5,开路枝节归一化特性阻抗z8,第三分支传输线归一化特性阻抗z3,第六分支传输线归一化特性阻抗z6,其值分别为:
其中 a=tan θ1,
步骤c3:给定任意第一隔离电阻归一化阻值r1,计算出第二隔离电阻归一化阻值r2其值分别为:
步骤c4:将计算出的所有阻抗值对第一端口负载阻抗Zp1做反归一化处理,得到第一分支传输线特性阻抗值Z1,第二分支传输线特性阻抗值Z2,第三分支传输线特性阻抗值Z3,第四分支传输线特性阻抗值Z4,第五分支传输线特性阻抗值Z5,第六分支传输线特性阻抗值Z6,短路枝节特性阻抗值Z7,开路枝节特性阻抗值Z8,第一隔离电阻值R1,第二隔离电阻值R2。
本发明还提供一种解决上述技术问题的技术方案如下:一种双频功分器包括负载阻值为Zp1的第一端口,负载阻值为Zp2的第二端口,负载阻值为Zp3的第三端口,特性阻抗为Z1的第一分支传输线,特性阻抗为Z2的第二分支传输线,特性阻抗为Z3的第三分支传输线,特性阻抗为Z4的第四分支传输线,特性阻抗为Z5的第五分支传输线,特性阻抗为Z6的第六分支传输线,特性阻抗为Z7的短路枝节,特性阻抗为Z8的开路枝节,阻值为R1的第一隔离电阻和阻值为R2的第二隔离电阻;所述第一分支传输线、第二分支传输线、第三分支传输线、第六分支传输线、第五分支传输线和第四分支传输线依次首尾相连呈一闭合的传输线路;所述第一端口的输入端连接于第一分支传输线和第四分支传输线的连接处;所述第二端口的输入端连接于第一分支传输线和第二分支传输线的连接处;所述第三端口的输入端连接于第四分支传输线和第五分支传输线的连接处;所述短路枝节一端连接于第一分支传输线和第四分支传输线的连接处,另一端短路接地;所述开路枝节一端连接于第三分支传输线和第六分支传输线的连接处,另一端开路;所述第一隔离电阻一端连接于第二分支传输线和第三分支传输线的连接处,另一端短路接地;所述第二隔离电阻一端连接于第五分支传输线和第六分支传输线的连接处,另一端短路接地。
本发明的有益效果是:本发明双频功分器设计方法得到的功分器能够实现任意双频、任意功率分配比、任意电阻性负载的功率分配与合成,克服了传统Gysel型功分器只能奇次倍频工作、等功率分配、等端口负载的缺陷,在任意双频工作点上实现三个端口的好的匹配,第二端口和第三端口的好的隔离,第一端口与第二、第三端口功率低损耗传输,满足双频工作的同时结构简单紧凑;本发明双频功分器的设计简单,传输线特性阻抗和隔离电阻阻值动态可调范围大,既能方便取用标准电阻值又能兼顾微带线工艺对传输线特性阻抗的要求;本发明双频功分器在获得双频特性的同时保留了Gysel型传统功分器适合高功率应用的优点,尤其适合微波双频及高功率分配合成应用。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述,所举实例只用于解释本发明,并非用于限定本发明的范围。
图2是本发明实施例双频功分器的结构示意图。所述双频功分器包括第一端口11、第二端口12、第三端口13、第一分支传输线1、第二分支传输线2、第三分支传输线3、第四分支传输线4、第五分支传输线5、第六分支传输线6、短路枝节7、开路枝节8、第一隔离电阻9和第二隔离电阻10。其中,第一端口11的输入端连接于第一分支传输线1和第四分支传输线4的连接处;第二端口12的输入端连接于第一分支传输线1和第二分支传输线2的连接处;第三端口13的输入端连接于第四分支传输线4和第五分支传输线5的连接处;短路枝节7一端连接于第一分支传输线1和第四分支传输线4的连接处,另一端短路接地;开路枝节8一端连接于第三分支传输线3和第六分支传输线6的连接处,另一端开路;第一隔离电阻9一端连接于第二分支传输线2和第三分支传输线3的连接处,另一端短路接地;第二隔离电阻10一端连接于第五分支传输线5和第六分支传输线6的连接处,另一端短路接地。
本发明双频功分器第一分支传输线1特性阻抗为Z1,第二分支传输线2特性阻抗为Z2,第三分支传输线3特性阻抗为Z3,第四分支传输线4特性阻抗为Z4,第五分支传输线5特性阻抗为Z5,第六分支传输线6特性阻抗为Z6,短路枝节7特性阻抗为Z7,开路枝节8特性阻抗为Z8,各传输线具有相同的相移值分别为θ;第一隔离电阻9阻值为R1,第二隔离电阻10阻值为R2。
设计双频功分器的具体执行步骤为:
步骤a1:确定第一端口负载阻值为Zp1,第二端口负载阻值为Zp2,第三端口负载阻值为Zp3。
步骤a2:确定任意两个工作频点f1、f2,并计算两者频率比f2/f1。
步骤a3:确定第二端口和第三端口的功率分配因子
其中P2为第二端口功率大小,P3为第三端口功率大小。
步骤b1:根据频率比计算出传输线在任意两个工作频点上的相移值,计算在第一工作频点f1上的相移值θ1和在第二工作频点f2上的相移值θ2分别为:
步骤c1:将所有阻抗值对第一端口负载阻抗Zp1做归一化处理,第二端口负载归一化阻值zp2,第三端口负载归一化阻值zp3,给定任意第一分支传输线归一化特性阻抗值z1。
步骤c2:计算第二分支传输线归一化特性阻抗z2,其值为:
其中 a=tan θ1。
步骤c3:计算第四分支传输线归一化特性阻抗z4,其值为:
步骤c4:计算短路枝节归一化特性阻抗z7,其值为:
步骤c5:计算第五分支传输线归一化特性阻抗z5,其值为:
步骤c6:计算开路枝节归一化特性阻抗z8,其值为:
其中
步骤c7:计算第三分支传输线归一化特性阻抗z3,其值为:
步骤c8:计。算第六分支传输线归一化特性阻抗z6,其值为:
步骤d1:给定任意第一隔离电阻归一化阻值r1,计算出第二隔离电阻归一化阻值r2,其值分别为:
步骤e1:将计算出的所有阻抗值对第一端口负载阻抗Zp1做反归一化处理,得到第一分支传输线特性阻抗值Z1,第二分支传输线特性阻抗值Z2,第三分支传输线特性阻抗值Z3,第四分支传输线特性阻抗值Z4,第五分支传输线特性阻抗值Z5,第六分支传输线特性阻抗值Z6,短路枝节特性阻抗值Z7,开路枝节特性阻抗值Z8,第一隔离电阻值R1,第二隔离电阻值R2。
步骤f1:根据计算出的传输线阻抗值和相移值以及所用板材特性综合出实际传输线线宽和线长。
本发明提供的双频功分器可直接印制在高频PCB印制板上。本发明的传输线线长及线宽等根据使用频率及PCB板材的不同而不同。
图3是本发明实施例双频功分器的实物图,所用的双频工作点为1GHz和2GHz,端口负载阻抗均为50Ω,第三端口和第二端口的功率分配比为2:1,高频PCB板材是Taconic TLX-8,介电常数2.55,厚度0.787mm。设计具体执行步骤为:
步骤a1:确定第一端口负载阻值为Zp1=50Ω,第二端口负载阻值为Zp2=50Ω,第三端口负载阻值为Zp3=50Ω。
步骤a2:确定任意两个工作频点f1=1GHz、f2=2GHz,并计算两者频率比f2/f1=2。
步骤a3:确定第二端口和第三端口的功率分配因子
其中P2为第二端口功率大小,P3为第三端口功率大小。
步骤b1:根据频率比计算出传输线在任意两个工作频点上的相移值,计算在第一工作频点f1上的相移值θ1和在第二工作频点f2上的相移值θ2分别为:
步骤c1:将所有阻抗值对第一端口负载阻抗Zp1做归一化处理,第二端口负载归一化阻值zp2=1,第三端口负载归一化阻值zp3=1,给定任意第一分支传输线归一化特性阻抗值z1=1.076。
步骤c2:计算第二分支传输线归一化特性阻抗z2,其值为:
其中a=tan θ1。
步骤c3:计算第四分支传输线归一化特性阻抗z4,其值为:
步骤c4:计算短路枝节归一化特性阻抗z7,其值为:
步骤c5:计算第五分支传输线归一化特性阻抗z5,其值为:
步骤c6:计算开路枝节归一化特性阻抗z8,其值为:
其中
步骤c7:计算第三分支传输线归一化特性阻抗z3,其值为:
步骤c8:计算第六分支传输线归一化特性阻抗z6,其值为:
步骤d1:给定任意第一隔离电阻归一化阻值r1=1.24,计算出第二隔离电阻归一化阻值r2,其值分别为:
步骤e1:将计算出的所有阻抗值对第一端口负载阻抗Zp1做反归一化处理,得到第一分支传输线特性阻抗值Z1=53.8Ω,第二分支传输线特性阻抗值Z2=28.0Ω,第三分支传输线特性阻抗值Z3=45.7Ω,第四分支传输线特性阻抗值Z4=38.0Ω,第五分支传输线特性阻抗值Z5=35.7Ω,第六分支传输线特性阻抗值Z6=41.2Ω,短路枝节特性阻抗值Z7=106.4Ω,开路枝节特性阻抗值Z8=65.0Ω,第一隔离电阻值R1=62Ω,第二隔离电阻值R2=39.2Ω。
步骤f1:根据计算出的传输线阻抗值和相移值以及所用板材特性综合出实际传输线线宽和线长。
如图4所示,双频功分器的端口负载阻抗均为50Ω,第三端口和第二端口的功率分配比为2:1,第一端口反射系数为S11,第二端口反射系数为S22,第三端口反射系数为S33,从图中可以看出,在双频工作点1GHz和2GHz时,三个端口的反射系数模值均小于-18dB,有好的端口匹配特性。
如图5所示,双频功分器的端口负载阻抗均为50Ω,第三端口和第二端口的功率分配比为2:1,第一端口到第二端口的传输系数S21,第一端口到第三端口传输系数S31,第二、第三端口间的隔离系数S23,从图中可以看出,在双频工作点1GHz和2GHz时,第一端口到第二端口的传输系数模值大于-5.3dB,第一端口到第三端口的传输系数模值大于-2.0dB,有好的功率分配特性和低传输损耗特性,第二端口到第三端口的隔离系数模值小于-23dB,有好的端口隔离特性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。