CN103050756A

CN103050756A - 一种端接任意复数阻抗的威尔金森功率分配器

Info

Publication number: CN103050756A
Application number: CN2013100171481A
Authority: CN
Inventors: 吴永乐; 李久超; 沈俊宇; 刘元安; 黎淑兰; 于翠屏; 苏明
Original assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Shenzhen Tinno Wireless Technology Co Ltd
Priority date: 2013-01-17
Filing date: 2013-01-17
Publication date: 2013-04-17
Anticipated expiration: 2033-01-17
Also published as: CN103050756B

Abstract

一种端接任意复数阻抗的威尔金森功率分配器，采用单节耦合微带线替代传统的两段对称的四分之一波长微带线，即其功率分配电路主体只包括一节耦合微带线（Z_e、Z_o、θ）和一个隔离电阻（R_w），且只需确定输入和输出三个端口的端接复数阻抗（Z_S、，Z_L），就能够根据偶模-奇模分析方法得到精确求解该功率分配器的上述四个参量（Z_e、Z_o、θ、R_w）唯一数值的四个计算公式。在选取适宜的介质板后，就能利用微波仿真软件先进设计系统ADS（Advanced design system）计算得到该单节耦合微带线的线宽、线长和线间距的各个几何尺寸。本发明器件结构简单、紧凑，体积小巧，易于集成，便于在密集的集成电路中使用，解决了功率分配器输入和输出端口同时接任意复数阻抗的难题。

Description

一种端接任意复数阻抗的威尔金森功率分配器

技术领域

本发明涉及一种微波无源器件，确切地说，涉及一种采用单节耦合微带线和单个隔离电阻实现的端接任意复数阻抗的威尔金森（Wilkinson）功率分配器，属于微波传输技术领域。

背景技术

在微波射频电路中，功率分配器是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。传统的威尔金森功率分配器的三个端口都是连接50欧阻抗，由于功率放大器或混频器等器件需要端接复数阻抗，所以传统的威尔金森功率分配器已经不能满足需求，而且，传统的微带威尔金森功率分配器结构相对固定，不易实现小型化。

申请人对国内外相关技术文献进行检索发现，很多学者已经对传统的威尔金森功率分配器进行了一系列的扩展研究，例如，韩国的Ahn教授提出了端接不等实数阻抗的功率等分器件，但仅限于端接实数阻抗。波兰的Rosloniec学者基于计算机辅助设计算法，提出了端接频率依赖性复数阻抗的多节功率分配器，但是此结构尺寸大不易于小型化，并且不能通过求解闭式方程获得唯一精确解。新加坡的X.Tang提出了一种基于耦合微带线的功率分配器，结构简单，易于电路集成和小型化，但是其只验证了端接实数阻抗的情况。

乞今为止，尚未发现国内外公开发表的基于耦合微带线的输入输出两端同时端接任意复数阻抗的威尔金森功率分配器进行相关研究的文献或论文。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种能够解决现有技术的缺陷和填补技术空白的、基于耦合微带线的输入输出同时端接任意复数阻抗的威尔金森（Wilkinson）功率分配器，以便采用一种较为简单紧凑、且小型化的电路结构，实现输入输出同时端接任意复数阻抗的威尔金森功率分配器。

为了达到上述目的，本发明提供了一种端接任意复数阻抗的威尔金森功率分配器，设有：印制在介质板的上表面、作为该器件主体并用于实现阻抗匹配和功率分配特性的耦合微带线及其三个端口；其特征在于：所述功率分配器采用单节耦合微带线替代传统的两段对称的四分之一波长微带线，即其功率分配电路主体只包括一节耦合微带线（Z_e、Z_o、θ）和一个隔离电阻（R_w），且只需确定输入和输出三个端口的端接复数阻抗（Z_S、，Z_L），就能够根据偶模-奇模分析方法得到下述四个计算公式：

耦合微带线的偶模阻抗

Z_{e} = \sqrt{2 R_{S} R_{L} + \frac{(4 X_{S}^{2} R_{L} - 2 X_{L}^{2} R_{S})}{2 R_{S} - R_{L}}},

耦合微带线的奇模阻抗

Z_{o} = \frac{- (R_{L}^{2} + X_{L}^{2})}{X_{L} \tan (θ)},

耦合微带线的电长度

θ = a \tan [\frac{Z_{e} (2 R_{S} - R_{L})}{2 R_{S} X_{L} - 2 R_{L} X_{S}}]

和隔离电阻

R_{W} = \frac{2 (R_{L}^{2} + X_{L}^{2})}{R_{L}}

的阻值，精确求解得到该功率分配器的上述四个参量（Z_e、Z_o、θ、R_w）的唯一数值；在选取适宜的介质板后，就能利用微波仿真软件先进设计系统ADS（Advanceddesign system）计算得到所述单节耦合微带线的线宽、线长和线间距的各个几何尺寸；式中，下标e和o分别表示偶模和奇模，Z_S为输入端接复数阻抗，R_S和X_S分别为输入端口复数阻抗的实部阻抗和虚部电抗，Z_L为输出端接复数阻抗，R_L和X_L分别为输出端口复数阻抗的实部阻抗和复数阻抗。

所述功率分配器的介质板的整个下表面上印制的电路涂层用作接地。

本发明与现有技术相比较的优点是：本发明器件由于引入单节耦合微带线替代传统的两段对称的四分之一波长微带线，即其功率分配电路主体只包括一节耦合微带线（Z_e、Z_o、θ）和一个隔离电阻（R_w），电路结构新颖、简单、紧凑，体积小巧，能够实现小型化，且易于集成，特别是实现了功率分配器的输入与输出端同时端接任意复数阻抗，在密集的集成电路中使用尤其方便、实用，具有很好的推广应用前景。

附图说明

图1是本发明威尔金森功率分配器的主体电路结构组成示意图。

图2（A）、（B）分别是本发明威尔金森功率分配器的偶模分析等效电路示意图和奇模分析等效电路示意图。

图3是本发明威尔金森功率分配器实施例的印制电路板尺寸示意图。

图4是本发明威尔金森功率分配器实施例的仿真结果示意图。

图5是本发明威尔金森功率分配器实施例的测试结果示意图。

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。

本发明是一种端接任意复数阻抗的威尔金森功率分配器，它是由印制在介质板上的耦合微带线来实现功率分配、信号传输和匹配转换的作用。其创新结构在于：利用单节耦合微带线替代传统的两段对称的四分之一波长微带线，即其功率分配电路主体只有一节耦合微带线（Z_e、Z_o、θ）和一个隔离电阻（R_w），且只需确定输入和输出三个端口的端接复数阻抗（Z_S、,Z_L），就能够根据偶模-奇模分析方法严格推导得出所需各个设计参量的计算公式，从而计算求解得出其唯一的精确解，并依此确定单节耦合微带线的各个参量值和隔离电阻的阻值。该功率分配器的介质板的整个下表面上印制的电路涂层用作接地。

参见图1，介绍本发明威尔金森功率分配器的主体电路的结构组成：

该功率分配器设有：印制在介质板的上表面、作为该器件主体并用于实现阻抗匹配和功率分配特性的单节耦合微带线及其三个端口；输入端口1、输出端口2和输出端口3。其中，Z_S为输入端接复数阻抗，Z_L为输出端接复数阻抗，单节耦合微带线（Z_e、Z_o、θ）用来实现输入和输出端口之间阻抗变换，并实现功率的平均分配。隔离电阻（R_w）的作用是将两个输出端口之间进行隔离。

参见图2，介绍本发明功率分配器的各个设计参量的计算求解方法：

本发明功率分配器共有四个参量需要确定，分别为：耦合微带线的偶模阻抗Z_e,，耦合微带线的奇模阻抗Z_o,，耦合微带线的电长度θ和隔离电阻R_w。这个问题是通过图2所示的偶模-奇模分析等效电路，利用微波电路基本理论解决的，得到下述四个用于求解所需四个参量的计算公式：

耦合微带线的偶模阻抗

Z_{e} = \sqrt{2 R_{S} R_{L} + \frac{(4 X_{S}^{2} R_{L} - 2 X_{L}^{2} R_{S})}{2 R_{S} - R_{L}}},

耦合微带线的奇模阻抗

Z_{o} = \frac{- (R_{L}^{2} + X_{L}^{2})}{X_{L} \tan (θ)},

耦合微带线的电长度

θ = a \tan [\frac{Z_{e} (2 R_{S} - R_{L})}{2 R_{S} X_{L} - 2 R_{L} X_{S}}],

隔离电阻的阻值

R_{W} = \frac{2 (R_{L}^{2} + X_{L}^{2})}{R_{L}};

式中，下标e和o分别表示偶模和奇模，R_S和X_S分别为输入端口复数阻抗的实部阻抗和虚部电抗，R_L和X_L分别为输出端口复数阻抗的实部阻抗和复数阻抗。

根据上述公式，精确求解得到该功率分配器的上述四个参量（Z_e、Z_o、θ、R_w）的唯一数值。在选取适宜的介质板后，就能利用微波仿真软件先进设计系统ADS计算得到该单节耦合微带线的线宽、线长和线间距的各个几何尺寸（具体尺寸请参见图3所示），这样就能够制造出本发明功率分配器。

本发明已经进行了多次仿真测试实施试验，下面简要说明实施例的情况：

本发明的实施例为工作在中心频率2GHz的端接复数阻抗的威尔金森功率分配器，其输入端口的端接复数阻抗Z_S=70+j40(Ω)，输出端口的端接复数阻抗Z_L=50+j10(Ω)，再根据图2所示的偶模-奇模分析方法的计算公式，求解得到四个设计参量为：Z_e=102.7132(Ω)，Z_o=63.2830(Ω)，R_W=104(Ω)和θ=103.6796(°)。

实施例选用的实际隔离电阻是标准的100Ω，并选取介电常数3.48、厚度为0.762mm的罗杰斯R04350B作为介质板，利用微波仿真软件先进设计系统ADS计算获得耦合微带线的各个几何尺寸（参见图3所示）：长度为L₁和L₂的微带线分别是本发明威尔金森功率分配器的输入端口的端接复数阻抗和输出端口的端接复数阻抗匹配到要测试的50Ω端口所需的过渡微带线。该实施例的其他具体尺寸为：w_p=1.72mm，w_s=0.43mm，w_L=0.65mm，L₁＝L₂=8mm，L₃=26.14mm。由于本发明只有一节耦合微带线，且w_s的数值很小，所以能很好地实现结构简单、紧凑，体积小巧与小型化。

参见图4和图5，介绍本发明端接任意复数阻抗的威尔金森功率分配器实施例的仿真情况和测试结果图，在中心频率为2GHz的工作频率下，本发明功率分配器实施例的测试和仿真结果是一致的，在较宽的频段内很好地实现了功率平均分配。输入端口匹配特性在回波损耗|S11|低于-20dB时，其工作频段从1.85GHz到2.17GHz，有16%的相对带宽。输出端口匹配特性|S33|在回波损耗低于-20dB时，其工作频段从1.46GHz到3GHz，有高达77%的相对带宽。在隔离度|S32|低于-20dB时，其工作频段从1.79GHz到2.21GHz，有21%的相对带宽。从测试结果和仿真曲线可知，本发明实施例验证了该端接任意复数阻抗的威尔金森功率分配器的良好性能，实验结果是成功的，实现了发明目的。

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

1.一种端接任意复数阻抗的威尔金森功率分配器，设有：印制在介质板的上表面、作为该器件主体并用于实现阻抗匹配和功率分配特性的耦合微带线及其三个端口；其特征在于：所述功率分配器采用单节耦合微带线替代传统的两段对称的四分之一波长微带线，即其功率分配电路主体只包括一节耦合微带线（Z_e、Z_o、θ）和一个隔离电阻（R_w），且只需确定输入和输出三个端口的端接复数阻抗（Z_S、,Z_L），就能够根据偶模-奇模分析方法得到下述四个计算公式：

耦合微带线的偶模阻抗

Z_{e} = \sqrt{2 R_{S} R_{L} + \frac{(4 X_{S}^{2} R_{L} - 2 X_{L}^{2} R_{S})}{2 R_{S} - R_{L}}},

耦合微带线的奇模阻抗

Z_{o} = \frac{- (R_{L}^{2} + X_{L}^{2})}{X_{L} \tan (θ)},

耦合微带线的电长度

θ = a \tan [\frac{Z_{e} (2 R_{S} - R_{L})}{2 R_{S} X_{L} - 2 R_{L} X_{S}}]

和隔离电阻

R_{W} = \frac{2 (R_{L}^{2} + X_{L}^{2})}{R_{L}}

的阻值，精确求解得到该功率分配器的上述四个参量（Z_e、Z_o、θ、R_w）的唯一数值；在选取适宜的介质板后，就能利用微波仿真软件先进设计系统ADS计算得到所述单节耦合微带线的线宽、线长和线间距的各个几何尺寸；式中，下标e和o分别表示偶模和奇模，Z_S为输入端接复数阻抗，R_S和X_S分别为输入端口复数阻抗的实部阻抗和虚部电抗，Z_L为输出端接复数阻抗，R_L和X_L分别为输出端口复数阻抗的实部阻抗和复数阻抗。

2.根据权利要求1所述的功率分配器，其特征在于：所述功率分配器的介质板的整个下表面上印制的电路涂层用作接地。