CN102868010B - 耦合微带线巴格莱多边形(Bagley Polygon)功率分配器 - Google Patents

Abstract

一种耦合微带线Bagley Polygon功率分配器，设有：一个输入端口，三个或三个以上奇数个输出端口，位于输入与输出端口之间、能实现相应奇数路功率等分的耦合微带线；其中，连接输入端口的耦合微带线电长度为设定长度，后续各节耦合微带线的节数及其电长度、各节耦合微带线的线宽、线间距都取决于应用场合和器件特性而任意选择；相邻输出端口和其他非对称输出端口之间的相位差是根据耦合微带线的电长度变化而改变的，即通过改变耦合微带线的节数实现输出端口数量的选择和调整、和/或通过电长度实现各个输出端口的相位的选择和调整。特点是：结构紧凑，参数灵活，易于工程实现和集成化，能控制各输出端口相位。

Description

耦合微带线巴格莱多边形(Bagley Polygon)功率分配器

技术领域

本发明涉及一种无源微波传输器件，确切地说，涉及一种耦合微带线巴格莱多边形(Bagley Polygon)功率分配器，属于微波传输技术领域。 

背景技术

功率分配器是在微波射频电路中用于功率分配或组合的一种重要无源器件，因为微带功率分配器具有结构紧凑、性能稳定、成本低和易于实现的特点，故其被广泛应用于平衡功率放大器、Doherty功率放大器、平衡混频器和阵列天线等微波射频电路中。随着通信技术迅猛发展，需要将功率分配为三路或多路(奇数路)的需求，使得目前广泛应用的威尔金森(Wilkinson)功率分配器很难实现这个功能；而Bagley Polygon功率分配器能很好地解决这个难题，并且其不包含诸如电阻之类的集总元件。 

传统的Bagley Polygon功率分配器是利用四分之一和二分之一波长传输线的阻抗变换特性来实现的，其几何尺寸相对庞大，输出端口的信号相位存在固定且不可调整的差异。另外，传输线的特性阻抗是固定值，不具备灵活性和可调性，并且其只能端接标准的50Ω负载。因此，传统的Bagley Polygon功率分配器已经无法满足现在高性能通信的发展需求。 

经过对国内外相关技术文献和专利进行检索发现，有关Bagley Polygon功率分配器的研究主要集中于日本科学家Iwata Sakagami教授的研究小组，并且，其只是对传统的Bagley Polygon功率分配器进行一般性的改进研究，并没有涉及到对耦合微带线的Bagley Polygon功率分配器进行相关研究。而且，目前国内对Bagley Polygon功率分配器的研究仍然属于空白。 

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种耦合微带线Bagley Polygon的功率 分配器，本发明特点是具有奇数路的等分功率输出，且对称输出端口相位及和其相邻的输出端口相位差能够任意控制。再者，该装置各项参数指标都可灵活设计：如耦合微带线之间距离可任意设置，电路尺寸可控而实现小型化，使得该装置的耦合微带线在工程上容易制造，并且，除了第一节电长度为设定的0.25波长以外，其他各节的耦合微带线的电长度可为任意值。另外，采用简单的平面结构、没有额外配件、易于集成化，价格低廉。 

为了达到上述发明目的，本发明提供了一种耦合微带线Bagley Polygon(巴格莱多边形)功率分配器，其特征在于：因Bagley Polygon功率分配器的阻抗匹配和传输特性只取决于该耦合微带线的偶模特性阻抗，耦合微带线的奇模特性阻抗具有在工程上容易实现前提下，能够任意选取奇模特性阻抗数值而不改变功率分配器性能的特性；故该功率分配器由印制在介质板上、作为功率分配器主体并用于实现匹配和传输特性转换的耦合微带线及其端口所构成；设有：一个输入端口，三个或三个以上任选的奇数个输出端口，以及位于输入与输出端口之间、能够实现相应的任意奇数路功率等分的耦合微带线；其中，输入端口位于耦合微带线的一端，其他各个输出端口都是以该输入端口为起点逆时针或顺时针顺序排列；与输入端口相连接的耦合微带线的电长度为设定长度，后续其他各节耦合微带线的节数及其电长度、各节耦合微带线的线宽、线间距都取决于应用场合需要和器件特性而能够任意选择；相邻输出端口和其他非对称输出端口之间的相位差是根据耦合微带线的电长度变化而改变的，即通过改变耦合微带线的节数实现输出端口数量的选择和调整、和/或通过改变电长度实现各个输出端口的相位的选择和调整；这样既能够控制该装置的形状大小，又能任意控制各组对称输出端口之间以及对称输出端口与其相邻非对称输出端口之间的相位差，还使该装置结构紧凑，易于集成，能用于密集的集成电路中。 

本发明耦合微带线Bagley Polygon功率分配器的创新技术优点是：在保证Bagley Polygon功率分配器匹配和传输特性优良的前提下，本发明采用耦合微带线线结构实现，不需配置额外的元器件，结构简单、新颖，制造成本低廉；在易于工程实现的条件下，耦合微带线的线宽和线间距都可以任意设置，故设计参数灵活、方便；除去第一节耦合微带线以外，其余各节耦合微带线的电长度 是根据输出端口相位差需要任意设置的，从而能够有效控制器件小型化与平面化，易于实现集成化，还能很好地解决任意奇数路的输出功率等分的难题；因此，本发明可广泛用于平衡功率放大器、Doherty功率放大器、平衡混频器及阵列天线等微波射频电路，其推广应用前景看好。 

附图说明

图1是本发明耦合微带线Bagley Polygon功率分配器的结构组成示意图。 

图2是本发明第一个实施例：工作频率在1GHz的三路耦合微带线Bagley Polygon功率分配器的印制板示意图。 

图3是本发明第一个实施例：三路功率分配器的回波损耗及插入损耗的仿真和测试结果示意图。 

图4是本发明第一个实施例：三路功率分配器的相位仿真结果示意图。 

图5是本发明第二个实施例：工作频率在1GHz的五路耦合微带线Bagley Polygon功率分配器的印制板示意图。 

图6是本发明第二个实施例：五路功率分配器的回波损耗及插入损耗的仿真和测试结果示意图。 

图7是本发明第二个实施例：五路功率分配器的相位仿真结果示意图。 

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。 

本发明耦合微带线Bagley Polygon功率分配器也是由印制在介质板上、作为功率分配器主体并用于实现匹配和传输特性转换的耦合微带线及其端口所构成的。因为Bagley Polygon功率分配器的阻抗匹配和传输特性只取决于该耦合微带线的偶模特性阻抗，耦合微带线的奇模特性阻抗具有在工程上容易实现前提下，能够任意选取其阻抗数值而不改变功率分配器性能的特性。 

参见图1，具体介绍本发明功率分配器的结构组成：设有：一个输入端口，三个或三个以上任选的奇数个输出端口，以及位于输入与输出端口之间、能够实现相应的任意奇数路功率等分的耦合微带线；其中，用于输入的端口 1位于耦合微带线的一端，其他各个输出端口(端口2、…、端口n+2、…、端口2n+2)都是以该输入端口为起点逆时针或顺时针顺序排列(图示为逆时针顺序排列)；与输入端口1相连接的耦合微带线的电长度为设定长度(实施例的电长度为0.25波长)，其奇模特性阻抗为Z_mo，偶模特性阻抗的计算公式为式中，下标m表示与输入端口相连接的设为定电长度的耦合微带线，下标e和o分别表示偶模和奇模，Z₀为系统端接特性阻抗、其数值为50Ω。后续其他各节耦合微带线的节数及其电长度L_n、各节耦合微带线的线宽、线间距都取决于应用场合需要和器件特性而能够任意选择，其奇模特性阻抗为Z_no，偶模特性阻抗的计算公式为：式中，自然数n表示后续微带耦合线的节数序号，(2n+1)表示输出端口的个数。且位于耦合微带线上下两侧对称的两个输出端口的输出信号相位相同、相邻输出端口和其他非对称输出端口之间的相位差是根据耦合微带线的电长度变化而改变的，即通过改变耦合微带线的节数和/或电长度就能分别实现输出端口数量和/或各个输出端口的相位的选择和调整；这样既能够控制该装置的形状大小，又能任意控制各组对称输出端口之间以及对称输出端口与其相邻非对称输出端口之间的相位差，还使该装置结构紧凑，易于集成，能用于密集的集成电路中。 

因为设定工作频率后，电长度能决定输出信号的相位，故控制电长度就能实现该装置中各组对称输出端口之间和对称输出端口与其相邻非上下对称位置输出端口之间的相位差和该装置的总体尺寸；然后，根据确定的各节耦合微带线的偶模特性阻抗，相应选择后续各节耦合微带线的奇模特性阻抗，再据此设计各节耦合微带线的线宽和线间距，该装置不同节数的耦合微带线具有不同的偶模特性阻抗，同时，使得各节耦合微带线的线宽和线间距也是不相同的。 

因为本发明装置只关心输入端口的回波损耗与器件插入损耗特性，且该两个特性只取决于耦合微带线的偶模特性阻抗，而与奇模特性阻抗无关，因此，每个功率分配器耦合微带线的偶模特性阻抗是确定的；选取奇模特性阻抗时，只需考虑采用微波仿真软件先进设计系统ADS(Advanced design system)计算设计的耦合微带线的线宽和线间距在所选用的介质板材的加工可行性；即确定 该装置的介质板材后，根据介质板材选用易于加工的尺寸所对应的奇模特性阻抗值，就能够获得适宜、合理的耦合微带线线宽和线间距。 

本发明已经进行了多次仿真实施试验，下面简要说明实施例的情况： 

第一个实施例：为工作频率在1GHz的三路耦合微带线Bagley Polygon功率分配器(参见图2所示)，设有：两节耦合微带线，端口1为输入端口，其他三个端口为输出端口。耦合微带线有2节，与输入端口相连接的第1节微带耦合线的电长度L_m为0.25波长，第2节耦合微带线电长度L₁能够任意选取，以满足器件小型化需求和实现两个对称输出端口与其相邻输出端口之间的任意相位差。因这两节耦合微带线偶模特性阻抗分别为：在小于其对应偶模特性阻抗且易于工程实现的基础上，该两节奇模特性阻抗Z_mo和Z_1o能够任意选取。考虑到选用介电常数为3.48，厚度为30mil的板材。通过计算可知Z_me＝57.74Ω，Z_1e＝100Ω，此处选取耦合线间距为30mil，得到Z_mo＝44.49Ω，Z_1o＝71.2Ω。由于第2节耦合微带线电长度L₁可以任意选取，为实现器件小型化，选取L₁＝1/12波长，最终计算得到的三路耦合微带线Bagley Polygon功率分配器的面积为3.94mm×61.7mm，该功率分配器实施例的回波损耗及插入损耗仿真和测试效果如图3所示，在1GHZ工作频率下，回波损耗达幅值到了-20dB，插入损耗幅值在理论值-4.77dB附近。图4为该器件输出端口的相位特性，由于L₁＝1/12波长，L_m＝0.25波长，对称的输出端口2和输出端口4的相位都为90°，输出端口3的相位为120°，输出端口2和输出端口3的相位差为30°。从图中可知，仿真试验的第一实施例很好地验证了三路耦合微带线Bagley Polygon功率分配器的良好性能，实现了发明目的。 

第二个实施例：为工作频率1GHz的五路耦合微带线Bagley Polygon功率分配器(参见图5所示)，设有一个输入端口1和其他五个输出端口，以及三节耦合微带线。通过计算可知这三节耦合微带线的偶模特性阻抗分别为：  $Z_{\mathrm{me}}=\frac{2\sqrt{5}}{5}{Z}_0=44.72\mathrm{\Ω},Z_{2e}=\frac{2}{3}{Z}_0=33.33\mathrm{\Ω}$ 和Z_1e＝2Z₀＝100Ω。第1节微带耦合线的电长度L_m为0.25波长，后续两节耦合微带线电长度L₁和L₂都能任意选取，以满足器件小型化需求。同样选用介电常数为3.48，厚度为30mil的介质板材。在小于其对应偶模特性阻抗、且易于工程实现的基础上，该三节奇模特性阻抗 Z_mo，Z_2o和Z_1o都能够任意选取，此处所选取的耦合线间距为30mil，得到Z_mo＝35.7Ω，Z_2o＝27.6Ω,Z_1o＝71.2Ω。 

为了进一步实现器件小型化，选取L₁＝L₂＝1/12波长，最终获得的五路耦合微带线Bagley Polygon功率分配器的面积为7.65mm×73mm，功率分配器的回波损耗及插入损耗仿真和测试效果如图6所示，在1GHZ工作频率下，回波损耗达幅值到了-20dB，插入损耗幅值在理论值-6.99dB附近。图7显示了输出端口的相位特性，由于L₁＝L₂＝1/12波长，L_m＝0.25波长，输出端口2和输出端口4相位差为60°，输出端口3和输出端口4的相位差为30°，输出端口2和输出端口3的相位差也是30°，验证了本发明第2个实施例五路耦合微带线Bagley Polygon功率分配器的仿真实验是成功的，实现了包括控制耦合微带线宽和线间距的各种发明目的。 

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。 

Claims (6)

1.一种耦合微带线Bagley Polygon(巴格莱多边形)功率分配器，其特征在于：因Bagley Polygon功率分配器的阻抗匹配和传输特性只取决于该耦合微带线的偶模特性阻抗，且耦合微带线的奇模特性阻抗具有在工程上容易实现前提下，能够任意选取奇模特性阻抗数值而不改变功率分配器性能的特性；故该功率分配器由印制在介质板上、作为功率分配器主体并用于实现匹配和传输特性转换的耦合微带线及其端口所构成；设有：一个输入端口，三个或三个以上任选的奇数个输出端口，以及位于输入与输出端口之间、能够实现相应的任意奇数路功率等分的耦合微带线；其中，输入端口位于耦合微带线的一端，其他各个输出端口都是以该输入端口为起点逆时针或顺时针顺序排列；与输入端口相连接的耦合微带线的电长度为设定长度，后续其他各节耦合微带线的节数及其电长度、各节耦合微带线的线宽、线间距都取决于应用场合需要和器件特性而能够任意选择；相邻输出端口和其他非对称输出端口之间的相位差是根据耦合微带线的电长度变化而改变的，即通过改变耦合微带线的节数实现输出端口数量的选择和调整、和/或通过改变电长度实现各个输出端口的相位的选择和调整；这样既能够控制该装置的形状大小，又能任意控制各组对称输出端口之间以及对称输出端口与其相邻非对称输出端口之间的相位差，还使该装置结构紧凑，易于集成，能用于密集的集成电路中。

2.根据权利要求1所述的功率分配器，其特征在于：所述功率分配器与输入端口相连接的耦合微带线的电长度为0.25波长，其奇模特性阻抗为Z_mo，偶模特性阻抗的计算公式为式中，下标m表示与输入端口相连接的设为定电长度的耦合微带线，下标e和o分别表示偶模和奇模，Z₀为系统端接特性阻抗、其数值为50Ω，自然数n表示后续微带耦合线的节数序号，(2n+1)表示输出端口的个数。

3.根据权利要求1所述的功率分配器，其特征在于：所述功率分配器后续各节耦合微带线的电长度为L_n，其奇模特性阻抗为Z_no，偶模特性阻抗的计算公式为：式中，自然数下标n表示后续微带耦合线的节数序号，(2n+1)表示输出端口的个数；下标e和o分别表示偶模和奇模，Z₀为系统端接特性阻抗、其数值为50Ω。

4.根据权利要求2或3所述的功率分配器，其特征在于：因工作频率设定后，电长度能决定输出信号的相位，故控制电长度就能实现该装置中各组对称输出端口之间和对称输出端口与其相邻非上下对称位置输出端口之间的相位差和该装置的总体尺寸；然后，根据确定的各节耦合微带线的偶模特性阻抗，相应选择后续各节耦合微带线的奇模特性阻抗，再据此设计各节耦合微带线的线宽和线间距，该装置不同节数的耦合微带线具有不同的偶模特性阻抗，同时，使得各节耦合微带线的线宽和线间距也是不相同的。

5.根据权利要求1所述的功率分配器，其特征在于：所述功率分配器为三路时，设有一个输入端口和三个输出端口，其耦合微带线有2节，与输入端口相连接的微带耦合线的电长度L_m为0.25波长，后续一节耦合微带线电长度L₁能够任意选取，以满足器件小型化需求和实现两个对称输出端口与其相邻输出端口之间的任意相位差；这两节耦合微带线偶模特性阻抗分别为：和Z_1e＝2Z₀；在小于其对应偶模特性阻抗且易于工程实现的基础上，该两节奇模特性阻抗Z_mo和Z_1o能够任意选取，以满足耦合微带线宽和线间距的加工需求。

6.根据权利要求1所述的功率分配器，其特征在于：所述功率分配器为五路时，设有一个输入端口和五个输出端口，其耦合微带线有3节，与输入端口相连接的微带耦合线的电长度L_m为0.25波长，后续两节耦合微带线电长度L₁和L₂都能任意选取，以满足器件小型化需求，并实现两组对称输出端口之间、以及对称输出端口与其相邻输出端口之间的任意相位差；这三节耦合微带线偶模特性阻抗分别为： 和Z_1e＝2Z₀；在小于其对应偶模特性阻抗且易于工程实现的基础上，该三节奇模特性阻抗Z_mo，Z_2o和Z_1o都能够任意选取，以实现控制耦合微带线宽和线间距的目的。