CN103390786B

CN103390786B - 一种具有任意功分比和相位输出特性的三端口微带功分器

Info

Publication number: CN103390786B
Application number: CN201310362790.3A
Authority: CN
Inventors: 李家林; 张一明; 肖绍球; 王秉中
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2013-08-20
Filing date: 2013-08-20
Publication date: 2015-11-04
Anticipated expiration: 2033-08-20
Also published as: CN103390786A

Abstract

本发明公开了一种具有任意功分比和相位输出特性的三端口微带功分器，其涉及微波技术领域。该微带功分器具有输入端口、第一输出端口和第二输出端口，包括八条传输线；输入端口和第一输出端口间的传输线串联有集总元件，输入端口和第二输出端口间的传输线并联有集总元件，输入端口和第一输出端口间的传输线与输入端口和第二输出端口间的传输线经隔离元件实现隔离。本发明通过在传输线上布置适当的集总元件，可以灵活设计传输线的特性阻抗，从而实现两个输出端口的任意功分比和相位输出特性，解决大功分比功分器的工程实现难题，同时实现电路的小型化和输出端口之间的高隔离。可用于射频通信系统中天线的馈电网络及其它功能电路模块中。

Description

一种具有任意功分比和相位输出特性的三端口微带功分器

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种具有任意功分比和相位输出特性的高隔离度的三端口微带功分器。

背景技术

功分器作为现代通信系统中不可缺少的关键元器件之一，广泛用于天线馈电网络、功率合成器以及混频器等电路模块中。1960年，Wilkinson提出一种能够实现等幅度、同相位功率分配的结构，该结构原理清晰，设计参数简单明了，输出端口间隔离度较高，在微波电路中广泛应用。近年来，随着无线通信系统的不断发展，对功分器的功能要求越来越多，性能要求越来越高，而高功分比输出的不等分功分器一直是工程实现中的难点。

文献“Planar10:1unequal three-port power dividers using general designequations（Hee-Ran Ahn;Young Kim;Byungjoon Kim，Electronics Letters,Vol.48,2012）”利用周期加载技术设计了一个功分比为10:1的三端口微带功分器。但该功分器由于采用了特性阻抗很高的微带线，使电路损耗增大，也增加了加工灵敏度，因而工程实现中的局限性较大，性能也不易得到保证。

文献“Extremely unequal Wilkinson power divider with dual transmission lines（Yong-le Wu，Electronics Letters,Vol.46,2010）”提出了一种设计高功分比Wilkinson功分器的方法。但这种方法要求部分传输线的电长度大、特性阻抗也很高，因而在综合性能上并无优势。

文献“An unequal wilkinson power divider with a high dividing ratio（Myung-Seok Kang，Microwave Integrated Circuits Conference,European，2012）”给出了一种能够实现高功分比的Wilkinson功分器结构。该结构通过在其中一条输出支路上周期性并联短截线来降低传输线的特性阻抗，以实现高功分比。由于加载了多条短截线，电路尺寸大，很难满足小型化需求。

目前看来，实现高功分比的方法主要有周期性加载、双传输线结构、缺陷地结构、多层技术等，但这些方法仍然需要特性阻抗很高的传输线，同时没有实现电路的小型化。因而，如何实现任意功分比（尤其是高功分比）和任意相位输出的小型化功分器是设计的难点。

发明内容

针对上述现有技术，本发明的目的在于如何提供一种具有任意功分比和相位输出特性的三端口微带功分器，通过灵活设置带有并联型或串联型集总元件的传输线的特性阻抗，解决大功分比功分器的工程实现难题，并在满足电路小型化的同时，实现功分器两个输出端口间的任意相位差和高隔离度特性，并能实现电路小型化，且可与平面电路实现无缝集成。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种具有任意功分比和相位输出特性的三端口微带功分器，如图1所示，其特征在于，该微带功分器具有输入端口A、第一输出端口B和第二输出端口C，包括八条电长度分别为θ₁～θ₈的传输线；输入端口A和第一输出端口B间的传输线串联有集总元件，输入端口A和第二输出端口C间的传输线并联有集总元件，输入端口A和第一输出端口B间的传输线与输入端口A和第二输出端口C间的传输线经隔离元件实现隔离。

在所述输入端口A至节点2’和节点2’至第一输出端口B的通路上布有串联型集总元件，在所述输入端口A至节点3’和节点3’至第二输出端口C的通路上布有并联型集总元件。

三个端口的特性阻抗均为Z₀；θ₁～θ₈为对应传输线的电长度；m₁、m₂、m₃、m₄、x₁、x₂为归一化阻抗值，其中m₁、m₂、m₃、m₄可根据实际情况灵活调整；b₁、b₂为归一化电纳值；z₀₂为输出端口的归一化隔离阻抗值；Y₀为Z₀对应的导纳。

在本发明中，功分器的电路结构分为两部分，第一部分为输入端口A到节点2’、3’的功率分配网络；第二部分为节点2’到第一输出端口B、节点3’到第二输出端口C的阻抗匹配网络，如图1所示。第一部分网络基于偶模、奇模分析方法，设r₁、r₂、r₃、r₄分别是对应节点的归一化阻抗，其中r₁、r₃的值由功分比P_B:P_C=1:k²确定

r₁＝1+k² (1)

r₃＝(1+k²)/k² (2)

而对r₂、r₄，也就是保证节点2’、3’处的功分比P_2’:P_3’=1:k²，在这里选定可调参数α来确定

r₂＝αk²,r₄＝α (3)其中0<α≤1，且为实数。

在共扼匹配状态下，可推导得如下结果

x_{1} = \frac{m_{1} (r_{1} - r_{2}) (1 - \tan θ_{1} \tan θ_{2})}{r_{1} \tan θ_{1} - r_{2} \tan θ_{2}} - - - (4)

θ_{2} = \arctan \sqrt{\frac{r_{1} (r_{1} r_{2} - {m_{1}}^{2}) \tan^{2} θ_{1} - {m_{1}}^{2} (r_{1} - r_{2})}{r_{2} (r_{1} r_{2} - {m_{1}}^{2}) - r_{1} r_{2} (r_{1} - r_{2}) \tan^{2} θ_{1}}} - - - (5)

b_{1} = \frac{(r_{3} - r_{4}) (1 - \tan θ_{5} \tan θ_{6})}{m_{3} (r_{3} \tan θ_{6} - r_{4} \tan θ_{5})} - - - (6)

θ_{6} = \arctan \sqrt{\frac{r_{3} r_{4} (r_{3} - r_{4}) + r_{4} ({m_{3}}^{2} - r_{3} r_{4}) \tan^{2} θ_{5}}{r_{3} ({m_{3}}^{2} - r_{3} r_{4}) + {m_{3}}^{2} (r_{3} - r_{4}) \tan^{2} θ_{5}}} - - - (7)

z_{02, a} = [\frac{1}{r_{2}} + j {\frac{r_{1} (\tan θ_{1} - \tan θ_{2}) (1 - \tan θ_{1} \tan θ_{2})}{m_{1} r_{1} (1 + \tan^{2} θ_{1}) - m_{1} r_{2} (1 + \tan^{2} θ_{2})}]}^{- 1} - - - (8)

z_{02, b} = {[\frac{1}{r_{4}} + j \frac{r_{3} (\tan θ_{5} - \tan θ_{6}) (1 - \tan θ_{5} \tan θ_{6})}{m_{3} r_{4} \tan^{2} θ_{5} (1 + \tan^{2} θ_{6}) - m_{3} r_{3} \tan^{2} θ_{6} (1 + \tan^{2} θ_{5})}]}^{- 1} - - - (9)

同样，在共扼匹配状态下，节点2’到第一输出端口B、节点3’到第二输出端口C的匹配由以下方程确定

θ_{3} = \arctan \sqrt{\frac{{m_{2}}^{2} (r_{2} - 1) + (r_{2} - {m_{2}}^{2}) \tan^{2} θ_{4}}{r_{2} (r_{2} - {m_{2}}^{2}) + r_{2} (r_{2} - 1) \tan^{2} θ_{4}}} - - - (10)

x_{2} = \frac{m_{3} (r_{2} - 1) (1 - \tan θ_{3} \tan θ_{4})}{r_{2} \tan θ_{4} - \tan θ_{3}} - - - (11)

θ_{8} = \arctan \sqrt{\frac{r_{4} (r_{4} - 1) + ({m_{4}}^{2} - r_{4}) \tan^{2} θ_{7}}{r_{4} ({m_{4}}^{2} - r_{4}) + {m_{4}}^{2} (r_{4} - 1) \tan^{2} θ_{7}}} - - - (12)

b_{2} = \frac{(r_{4} - 1) (1 - \tan θ_{7} \tan θ_{8})}{m_{4} (r_{4} \tan θ_{8} - \tan θ_{7})} - - - (13)

至此，通过选取适当的m₁、m₂、m₃、m₄、α、θ₂、θ₄、θ₅、θ₇可求得其余的未知参量，进一步可确定本发明提供的功分器各传输线电长度、特性阻抗及各集总元件值。

另外，节点2’至第一输出端口B、3’至第二输出端口C的相位为

&angle; S_{2^{'} - 2} = - \arctan \frac{(m_{2} + \frac{1}{m_{2}}) \tan (θ_{3} + θ_{4}) + x_{2} \cos θ_{3} \cos θ_{4} - \frac{x_{2}}{{m_{2}}^{2}} \sin θ_{3} \sin θ_{4}}{2 \cos (θ_{3} + θ_{4}) - \frac{x_{2}}{m_{2}} \sin (θ_{3} + θ_{4})} - - - (14)

&angle; S_{3^{'} - 3} = - \arctan \frac{(m_{4} + \frac{1}{m_{4}}) \tan (θ_{7} + θ_{8}) + b_{2} \cos θ_{7} \cos θ_{8} - b_{2} {m_{4}}^{2} \sin θ_{7} \sin θ_{8}}{2 \cos (θ_{7} + θ_{8}) - b_{2} m_{4} \sin (θ_{7} + θ_{8})} - - - (15)

该关系式决定第一输出端口B和第二输出端口C之间的输出相位差，故根据关系式（10）～（13）的不同设计，可实现两路输出的相位差为任意值。

根据实际情况，实现隔离功能的归一化阻抗z₀₂可以为实数或复数，故在实现过程中可以是集总元件的串联、并联或串并联混合。

八条电长度分别为θ₁～θ₈的传输线，在实际应用时，可灵活选择某些传输线的电长度为零以简化结构，同时实现小型化。

与现有技术相比，本发明的有益效果表现在：

一、本发明通过奇偶模分析法在传输线上添加集总元件并调节功分器结构中各段传输线的电长度，可有效调节传输线的特性阻抗，使高功分比输出的功分器得以工程实现，有效降低了高功分比功分器的设计难度和工程实现难度。

二、相比于传统的四分之一波长传输线匹配网络，本发明提供的匹配结构通过选择适当的传输线电长度以及集总元件值，可显著减小电路的整体尺寸。

三、本发明通过关系式的不同取值，可实现两输出端口间的任意相位差。

附图说明

图1是本发明提供的具有任意功分比和相位输出特性的三端口微带功分器结构图。

图2是本发明实施例提供的1GHz功分比为1:9的微带功分器拓扑图。

图3是本发明实施例提供的功分器输入端口和第一输出端口之间散射参数S(1,1)、S(2,1)的仿真曲线与实物测试曲线的对比图。

图4是本发明实施例提供的功分器输入端口和第二输出端口之间散射参数S(3,1)、S(3,3)的仿真曲线与实物测试曲线的对比图。

图5是本发明实施例提供的功分器第一输出端口和第二输出端口之间散射参数S(2,2)、S(2,3)的仿真曲线与实物测试曲线的对比图。

图6是本发明实施例提供的功分器输入端口到第一输出端口和第二输出端口的输出相位的仿真曲线与实物测试曲线的对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述：本发明的保护范围包括但不限于下述实施例。

本实施例采用微带线作为传输线，所采用的介质基板厚度为0.7874mm，其相对介电常数为2.33，工作中心频率1GHz，第一输出端口B、第二输出端口C输出功分比为1:k²=1:9。本实施例对m₁、m₂、m₃、m₄、α、θ₂、θ₄、θ₅、θ₇的取值如下:m₁=m₂=m₃=m₄=1.6，α=0.3，θ₂=0，θ₄=0，θ₅=0，θ₈=0，Z₀=50Ω。根据本发明内容部分提出的计算公式可得本实施例提供的1:9不等分功分器的实际结构，如图2所示：

1为输入端口，微带线宽2.2mm，特性阻抗Z₀=50Ω；

2为电长度θ₁的传输线，根据方程(1)、(3)、(5)可得θ₁=15.46°，最终确定微带线长、宽分别为9.4mm，1mm;

3为阻抗等于jx₁Z₀的电抗元件，根据方程(4)计算得x₁=4.2242，在1GHz时等效为33.61nH的电感。经仿真优化，实际加工时选择33nH的电感；

4为导纳等于jb₁Y₀的元件，根据方程(6)计算得b₁=1.38015,在1GHz时等效为4.39pF的电容。经仿真优化，实际加工时选择4.7pF的电容；

5为金属过孔，半径0.25mm；

6为电长度θ₆的传输线，根据方程(2)、(3)、(7)可得θ₆=18.29°，最终确定微带线长、宽分别为11.1mm，1mm;

7、8共同组成第一输出端口、第二输出端口之间的隔离电阻。根据方程(8)、(9)计算得Z_02，a、Z_02，b的值分别为[1/2.7+j*0.214287]^-1Ω,[1/0.3+j*1.8906]^-1Ω。经换算，Z_02，a等效为135Ω电阻与0.68pF电容的并联结构，Z_02，b等效为15Ω电阻与6.02pF电容的并联结构。最终，隔离阻抗表现为电阻与电容的并联结构，其中7为150Ω电阻，8为0.61pF电容，实际取值为0.5pF。

9为电长度θ₃的传输线，根据方程(3)、(10)得θ₃=73.58°，最终确定微带线长、宽分别为44.8mm，1mm;

10为阻抗等于jx₂Z₀的电抗元件，根据方程(11)计算得x₂=0.2969，在1GHz时等效为2.36nH的电感。经仿真优化，实际实现时选择2.4nH的电感；

11为第一输出端口，微带线宽2.2mm，特性阻抗Z₀=50Ω；

12为电长度θ₇的传输线，根据方程(2)、(3)、(12)得θ₇=16.95°，最终确定微带线长、宽分别为10.3mm，1mm;

13为导纳等于jb₂Y₀的元件，根据方程(13)计算得b₂=1.43537,，在1GHz时等效为4.57pF的电容。经仿真优化，实际加工时选择4.7pF的电容；

14为金属过孔，半径0.25mm；

15为第二输出端口，微带线宽2.2mm，特性阻抗Z₀=50Ω；

基于方程(14)、(15)，计算得第一输出端口和第二输出端口之间的相位差为|∠S₂₁-∠S₃₁|＝26.4°。

确定上述参数后，采用电磁仿真软件对本实施例进行仿真，并加工样品。该实施例提供的功分器的仿真与实物测试结果如图3、4、5、6所示。从仿真与实物测试结果可知，本实施例中的功分比1:9、两路输出相位差26°的功分器有很好的隔离特性，功率分配比和相位输出特性达到设计要求，同时实现小型化。

本实施例中，b₂等效为电容，若将该电容替换成变容二极管，则通过调节变容管的偏置电压可实现两输出端口间的任意相位差输出。

上述方案中，针对不同的功分比，按照实施例中的计算方法得到相应的电长度和相关阻抗、导纳值，然后换算成工作频率下的实际值，即可实现不同工作频率下，任意输出相位差特性的不等分功分器，并在输出端口间有良好的隔离特性，这对相关领域的技术人员来说是显而易见的；同时，该功分器可用其它传输线如共面波导、带状线等工艺实现。

Claims

1.一种具有任意功分比和相位输出特性的三端口微带功分器，其特征在于，该微带功分器具有输入端口(A)、第一输出端口(B)和第二输出端口(C)，包括八条电长度分别为θ₁～θ₈的传输线；输入端口(A)和第一输出端口(B)间的传输线串联有集总元件，输入端口(A)和第二输出端口(C)间的传输线并联有集总元件，输入端口(A)和第一输出端口(B)间的传输线与输入端口(A)和第二输出端口(C)间的传输线经隔离元件实现隔离；

功分器结构中各段传输线的特性阻抗和电长度、各集总元件对应的电感值或电容值或电阻值的等效阻抗由以下方程确定：

x_{1} = \frac{m_{1} (r_{1} - r_{2}) (1 - {tanθ}_{1} {tanθ}_{2})}{r_{1} {tanθ}_{1} - r_{2} {tanθ}_{2}}

θ_{2} = a r c t a n \sqrt{\frac{r_{1} (r_{1} r_{2} - {m_{1}}^{2}) \tan^{2} θ_{1} - {m_{1}}^{2} (r_{1} - r_{2})}{r_{2} (r_{1} r_{2} - {m_{1}}^{2}) - r_{1} r_{2} (r_{1} - r_{2}) \tan^{2} θ_{1}}},

其中，r₁＝1+k²，r₂＝αk²；

b_{1} = \frac{(r_{3} - r_{4}) (1 - {tanθ}_{5} {tanθ}_{6})}{m_{3} (r_{3} {tanθ}_{6} - r_{4} {tanθ}_{5})}

θ_{6} = a r c t a n \sqrt{\frac{r_{3} r_{4} (r_{3} - r_{4}) + r_{4} ({m_{3}}^{2} - r_{3} r_{4}) \tan^{2} θ_{5}}{r_{3} ({m_{3}}^{2} - r_{3} r_{4}) + {m_{3}}^{2} (r_{3} - r_{4}) \tan^{2} θ_{5}}},

其中，r₃＝(1+k²)/k²，r₄＝α；

x_{2} = \frac{m_{3} (r_{2} - 1) (1 - {tanθ}_{3} {tanθ}_{4})}{r_{2} {tanθ}_{4} - {tanθ}_{3}}

θ_{3} = a r c t a n \sqrt{\frac{{m_{2}}^{2} (r_{2} - 1) + (r_{2} - {m_{2}}^{2}) \tan^{2} θ_{4}}{r_{2} (r_{2} - {m_{2}}^{2}) + r_{2} (r_{2} - 1) \tan^{2} θ_{4}}}

b_{2} = \frac{(r_{4} - 1) (1 - {tanθ}_{7} {tanθ}_{8})}{m_{4} (r_{4} {tanθ}_{8} - {tanθ}_{7})}

θ_{8} = a r c t a n \sqrt{\frac{r_{4} (r_{4} - 1) + ({m_{4}}^{2} - r_{4}) \tan^{2} θ_{7}}{r_{4} ({m_{4}}^{2} - r_{4}) + {m_{4}}^{2} (r_{4} - 1) \tan^{2} θ_{7}}}

其中θ₁～θ₈为对应传输线的电长度；m₁、m₂、m₃、m₄、x₁、x₂为归一化阻抗值；b₁、b₂为归一化电纳值；功分器的电路结构分为两部分，第一部分为输入端口A到节点2’、3’的功率分配网络；第二部分为节点2’到第一输出端口B、节点3’到第二输出端口C的阻抗匹配网络，其对应节点的归一化阻抗为r₁、r₂、r₃、r_4，0<α≤1，且为实数,节点2’、3’处的功分比P2’:P3’＝1:k²。

2.根据权利要求1所述的具有任意功分比和相位输出特性的三端口微带功分器，其特征在于，功分器两输出端口的相位特性由以下方程确定：

节点2’至第一输出端口B的相位为：

&angle; S_{2^{'} - 2} = - a r c t a n \frac{(m_{2} + \frac{1}{m_{2}}) t a n (θ_{3} + θ_{4}) + x_{2} {cosθ}_{3} {cosθ}_{4} - \frac{x_{2}}{{m_{2}}^{2}} {sinθ}_{3} {sinθ}_{4}}{2 c o s (θ_{3} + θ_{4}) - \frac{x_{2}}{m_{2}} \sin (θ_{3} + θ_{4})}

节点3’至第二输出端口C的相位为：

&angle; S_{3^{'} - 3} = - a r c t a n \frac{(m_{4} + \frac{1}{m_{4}}) t a n (θ_{7} + θ_{8}) + b_{2} {cosθ}_{7} {cosθ}_{8} - b_{2} {m_{4}}^{2} {sinθ}_{7} {sinθ}_{8}}{2 c o s (θ_{7} + θ_{8}) - b_{2} m_{4} s i n (θ_{7} + θ_{8})} .

3.根据权利要求1所述的具有任意功分比和相位输出特性的三端口微带功分器，其特征在于，实现输出端口隔离功能的归一化阻抗值z₀₂为实数或复数，在实际实现中隔离阻抗是集总元件的串联、并联或串并联混合结构，并由下列方程确定：

z_{02, a} = {[\frac{1}{r_{2}} + j \frac{r_{1} ({tanθ}_{1} - {tanθ}_{2}) (1 - {tanθ}_{1} {tanθ}_{2})}{m_{1} r_{1} (1 + \tan^{2} θ_{1}) - m_{1} r_{2} (1 + \tan^{2} θ_{2})}]}^{- 1}

z_{02, b} = {[\frac{1}{r_{4}} + j \frac{r_{3} ({tanθ}_{5} - {tanθ}_{6}) (1 - {tanθ}_{5} {tanθ}_{6})}{m_{3} r_{4} \tan^{2} θ_{5} (1 + \tan^{2} θ_{6}) - m_{3} r_{3} \tan^{2} θ_{6} (1 + \tan^{2} θ_{5})}]}^{- 1}

其中z_02,a为电阻R₁、电容C₁并联后的归一化阻抗；z_02,b为电阻R₂、电容C₂并联后的归一化阻抗。