CN102956948A

CN102956948A - 一种新型超宽带威尔金森功分器

Info

Publication number: CN102956948A
Application number: CN 201110250484
Authority: CN
Inventors: 黄森
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-08-29
Filing date: 2011-08-29
Publication date: 2013-03-06

Abstract

本发明公开了一种能够在多倍频带宽内工作的微带型Wilkinson功分器，其由传输线和电阻组成。此功分器输入与输出段均采用特性阻抗为50欧姆的传输线，即AB、DE、DF段。在B处采用切角技术实现输入端与BC段分支线相连，BC段采用Klofenstin渐变以实现更好的传输特性，CD段为BC段渐变线与输出段的阻抗匹配段，在D处同样采用切角技术以实现更好的传输特性。两输出线之间为隔离电阻，可以通过调节电阻的位置调节输出端的隔离度。本发明的输入与输出段得到很好的匹配，两个输出端具有很好的隔离，克服了Wilkinson功分器由隔离电阻造成的寄生效应的影响，并且具有结构简单，易加工，工作带宽极宽，损耗低的特点。

Description

一种新型超宽带威尔金森功分器

技术领域

本发明涉及到微波毫米波功率传输器件，更为具体的说，涉及到一种改进型的功率分配器件。

背景技术

功率分配器(简称功分器)是将输入功率分成相等或不相等的几路功率输出的一种多端口微波器件。在微波功率传感、混频器、相位检测等众多电路中均有应用。在微波毫米波等高频系统中，都需要将发射或接受功率按一定的比例分配到个单元，因此微波毫米波功分器在微波毫米波组件与系统中达到了大量的应用，而且也是一个关键的部件。功分器有多种实现形式，如各种3dB电桥耦合器、分支线电桥耦合器、环形电桥耦合器、威尔金森功分器等多种结构的功率分配器。功分器的功能构件是约束或引导电磁波能量定向传输的传输线，即导行系统，导行波即定方向传输的电磁波，导行波的模式，又称为传输模、正规模，是指能够沿传输线独立存在的场型，传输线中导模两相邻同相位之间的距离称为该导模的波导波长，是与传输线结构密切相关的参数。目前随着无线通信的高速发展，器件的宽频带、小型化、低损耗是微波射频电路的研究热点，而且随着超宽带天线、超宽带滤波器等超宽带器件的研究，对超宽带的功率分配器的需求越来越大。但是Wilkinson功分器较窄的带宽严重限制了其在超宽带的应用。在威尔金森功分器设计中，通常使用的传输线为TEM或准TEM传输线，比如微带线。

图2表示现有技术的威尔金森功分器的传输线结构，文献An Analytical Approach for a NovelCoupled-Line Dual-Band Wilkinson Power Divider，[Wu，Y.Liu，Y.Xue，Q.Microwave Theory andTechniques，IEEE Transactions on，2010，Page(s)：1]提供了一个0.5GHz-2.5GHz频段的威尔金森功分器实例，其模型如图2所示，其S11＜-12dB，S22＜-18dB，S32＜-10dB.此文通过奇偶模理论分析了各种具有双频段特性并且采用两个隔离电阻的威尔金森功分器。

现有威尔金森功分器存在的缺点：(1)对于现有技术中的威尔金森功分器，为了使其工作于更宽的频段内，一般通过增加隔离电阻的个数与传输线的级数来拓宽带宽，如图3所示。但由于自身结构上的限制，会产生较高的损耗，同时增加隔离电阻分布参数带来的附加影响，导致测试结果和计算结果间较大的差异，威尔金森功分器的性能下降，另外其体积也相对较大。(2)威尔金森功分器应用于较高频段时，波长就会与隔离电阻的尺寸相比拟，则不能忽略隔离电阻处存在的分布参数，而分布参数在功分器仿真设计是很难预测，且对最终测试结果有很大影响。虽然现有技术中可以用薄膜电阻代替贴片电阻，在薄膜电阻处存在的分布参数较小，但存在薄膜电阻阻值计算偏差的问题且其制造成本较高。

发明内容

针对现有技术的威尔金森功分器存在的不足，本发明的目的旨在提供一种改进型的威尔金森功分器，其有效降低了现有技术的多节威尔金森功分器由隔离电阻带来的分布参数的附加影响，并且在使用单个隔离电阻且结构简单易加工的情况下，有效的拓宽了威尔金森功分器的工作带宽。

本发明对现有技术的威尔金森功分器进行了有效的改进，具体方案如下：

在威尔金森功分器的T街头或Y接头的输出主支路上处设置隔离电阻外和双频分支线的基础之上，还设置一段根据一经验公式建模的渐变微带线，通过调节渐变曲线的程度和两端的宽度，来调节匹配输入与输出分支线段电阻的大小，从而实现功分器有良好的输出隔离和良好的输入输出匹配，且在使用相同隔离电阻的情况下，较现有的威尔金森功分器有更宽的工作带宽。

本发明公开的一种改进型的威尔金森功分器，它有电阻和传输线组成，其传输线包括一分二接头，接头的合路端口连接输入支路，接头的两支路端口分别连接两输出支路，在输入端与两支路连接处和输出端与两支路连接处，我们采用了切角技术，以实现更好的输入与输出端口之间的信号传输，从而获得更宽的工作频率。在连接输入与输出端口的两级传输线中，通过采用经验公式对第一级传输线建模。通过传输线理论和奇偶模理论分析计算，可以的获得两级传输线的特性阻抗大小以及电长度、隔离电阻的初值。隔离电阻的大小和在两支路之间的位置会随着不同的工作频段而变化。

为了取得更好的效果，在上述技术方案的基础上本发明还进一步采取了以下技术措施：所述传输线为微带线，两输出主支路问的分支传输线成都小于0.25*λ₀，其中λ₀为功分器中心频率对应的波导波长。

本发明提供的功分器，由于其传输线的独特结构设计，即结构上设有一个输入，两个输出，两输出主支路之间不使用隔离电阻。本发明的特别结构设计，使得功分器在工作带宽内，其输入输出得到了很好的匹配，两输出端之间有很好的隔离，输入输出的驻波性能以及两个输出端将的隔离性能都得到的很好的提高，提高了功分器仿真设计准确度和生产效率。本发明与普通的威尔金森功分器相比，省去了体积大价格高的隔离电阻，消除了隔离电阻造成的寄生效应的影响，降低了功分器体积和成本。本发明和现有技术中的分支线电桥相比，结构上少了一个隔离端，由于结构上的对称性，其输出端间的相位一致性好克服了分支线电桥功分器两输出端间由于各端口不能实现良好的驻波性能。

本发明由于结构上的简单，提高了仿真设计准确度和生产效率，因此能有效应用于MMIC，HMIC等设计中。

附图说明

图1为现有技术的威尔金森功分器示意图。

图2为现有技术的双频传输线威尔金森功分器示意图。

图3为T接头示意图。

图4为Y接头示意图。

图5为本发明功分器工作在1.5GHz-7.5GHz结构及尺寸的示意图。

图6为本发明功分器在1.5GHz-7.5GHz频段内的S₁₁、S₂₂、S₁₂、S₂₃曲线示意图。

图7为本发明功分器工作在18GHz-27GHz结构及尺寸的示意图。

图8为本发明功分器在18GHz-27GHz频段内的S₁₁、S₂₂、S₁₂、S₂₃曲线示意图。

图9为摘要附图

具体实施例

下面结合附图对本发明的实施例进行说明。

实施例1

其结构如图5所示，为等分功分器，图6为该功分器模型的S₁₁、S₂₂、S₁₂、S₂₃曲线示意图。由曲线图可知：该功分器的中心频率为4.5GHz，其中S₁₁≤-15dB，S₂₂≤-12dB，S₁₂≤0.12dB，S₂₃≤-10dB。

实施例2

其结构如图7所示，为等分功分器，图8为该功分器模型的S₁₁、S₂₂、S₁₂、S₂₃曲线示意图。由曲线图可知：该功分器的中心频率为4.5GHz，其中S₁₁≤-20dB，S₂₂≤-27dB，S₁₂≤0.1dB，S₂₃≤-17.5dB。

Claims

1.一种新型超宽带微带型Wil kinson功率分配器，由传输线和一个电阻组成。其传输线包括一分二接头，即AB段，AB段传输线为了适应隔离电阻的大小(隔离电阻的长度为来那个分支线之间的距离)，而采用微带线宽度渐变的形式。在B处，为了使输入端与分支线之间有更好的传输特性，采用切角的设计技术。在BC段，我们采用传输线渐变的形式，其渐变形式可以有经验公式：w(z)＝(w₂-w₁)-(w₂-w₁)sin²(πz/2l)，其中0≤z≤l。w(z)为微带线沿BC方向的宽度，z为BC方向的坐标，w₁、w₂分别为B、C两处微带线的宽度，l为BC段的长度，约为四分之一中心频率波长。w₁、w₂可以分别由微带线B，C两处的特性阻抗Z₁、Z₂决定，

Z_{1} = \frac{(A_{2} - Z_{0}) Z_{2}}{2 Z_{0} \tan (β_{1} l_{1}) \tan (β_{2} l_{2})}

Z_{2} = \sqrt{\frac{(Z_{0} + A_{2}) (- Z_{0}^{2}) [1 + \tan^{2} (β_{2} l_{2})] + 4 Z_{0}^{3} \tan^{2} (β_{2} l_{2}) [\tan^{2} (β_{2} l_{2}) - \tan^{2} (β_{1} l_{1})]}{2 A_{1}}}

其中

A₁＝Z₀tan²(β₂l₂)[1+tan²(β₂l₂)]-2Z₀tan²(β₂l₂)[1+tan²(β₁l₁)]

A_{2} = \sqrt{Z_{0}^{2} + 8 Z_{0}^{2} \tan^{2} (β_{1} l_{1}) \tan^{2} (β_{2} l_{2})}

l₁、l₂，β₁、β₂分别为BC、CD段的长度和相位常数。另外，

R = \frac{2 Z_{0} Z_{1} Z_{2} \tan (β_{1} l_{1})}{Z_{1} Z_{2} \tan (β_{1} l_{1}) + Z_{2}^{2} \tan (β_{2} l_{2})}

l₂的大小可以由以上各式联合下式得到

Z_{1} Z_{2}^{2} \tan (β_{1} l_{1}) + Z_{2}^{3} \tan (β_{2} l_{2}) = Z_{0}^{2} Z_{1} \tan (β_{1} l_{1}) \tan (β_{1} l_{2}) - Z_{0}^{2} Z_{2}

2.根据权利要求1所述的新型的功分器，其特征在于B、D处采用切角设计。

3.根据权利要求1所述的新型的功分器，其特征在于BC段采取具有经验公式的w(z)＝(w₂-w₁)-(w₂-w₁)sin²(πz/2l)的渐变方式。

4.根据权利要求1所述的新型的功分器，其特征在于两输出支路为对称设计。

5.根据权利要求1所述的新型的功分器，其特征在于两输出主支路分支线的的长度小于中心频率对应的波长。

6.根据权利要求1所述的新型的功分器，其特征在于其传输线为微带传输线。

7.根据权利要求1所述的新型的功分器，其特征在于其传输线为带状线。

8.根据权利要求1-7所述的新型的功分器，其特征在于其分支段传输线位于隔离电阻的两侧。