CN104836008B - 一种频率大范围可重构的功率分配器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种频率大范围可重构的功率分配器，包括Wilkinson功分器、基于电压调节的π形电路结构、微带传输线、介质基板和地板金属层。所述频率大范围可重构的功率分配器在两个输出端口提供功率相等的信号，它具有结构简单、加工容易、易于集成和体积较小等特点。本发明提出的频率大范围可重构的功率分配器在其工作频率区间能很好地满足功率分配器的性能要求。
Description
技术领域
本发明涉及第五代移动通信射频前端的功率分配和功率合成器件，具体涉及一种工作频率大范围可调的可重构功率分配器。
背景技术
第五代移动通信系统是是国家战略性高技术产业，是典型的技术密集型与服务型IT产业，其发展前景十分广阔，是继蜂窝移动通信和互联网之后，全球发展最快的信息产业，多个国家和组织都在大力研究第五代移动通信系统。第五代移动通信系统已经成为国内外移动通信领域的研究重点，2013年初欧盟在第7框架计划中启动了面向第五代通信研发的METIS(mobile and wireless communications enablers for the 2020information society)项目。加快我国对于第五代通信技术的科技研究步伐已经刻不容缓。
随着第五代移动通信系统的发展，对于可以实时重构其性能和功能的新型射频前端的需求越来越大。例如第五代移动通信系统中的认知无线电技术通过感知环境中的无线信号频率和功率水平调整本机发射的信号频率和功率水平，从而实现频谱的有效利用；在第五代移动通信系统中还将采用大规模MIMO天线阵实现电磁波信号的方向图重构。如果在上述系统中采用传统的非重构功率分配器，势必要在不同的工作频率上配置不同的功率分配器，这既增加了系统的复杂性，也使得射频前端的体积增大。为此，有必要在射频前端子系统中采用具有实时重构其性能和功能的可重构功率分配器和功率合成器简化系统结构和缩小系统体积。但是，目前对于在较大范围内实施重构其工作频率的频率可重构功率分配器还没有较为深入的研究。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种频率大范围可重构的功率分配器，使所述频率大范围可重构的功率分配器可在较大的范围内对其频率内进行实时调节，实现在较大频率范围内的工作频率实时重构，从而简化系统结构并缩小系统体积。
本发明利用微带传输线实现了基于微带传输线的频率大范围可重构的单频Wilkinson功分器，并在所述频率大范围可重构的功率分配器的第二端口和第三端口之间以实现了所述两个端口上提供功率水平相等的电磁波信号的要求，并且在一定频率之间能很好地满足功率分配器的性能要求。此外，本发明还具有小型化、便于加工的特点。
本发明的目的通过如下技术方案实现：
一种频率大范围可重构的功率分配器，包括单频的Wilkinson功分器、基于电压调节的π形电路结构、微带传输线、介质基板和地板金属层；所述基于电压调节的π形电路结构、微带传输线附着在介质基板的一侧，地板金属层附着在介质基板的另一侧。
所述单频Wilkinson功分器，其特征在于所述单频Wilkinson功分器包括第一微带传输线、第二微带传输线、第三微带传输线、第四微带传输线、第五微带传输线、π形电路结构和隔离电阻R；第一微带传输线的一端作为所述频率大范围可重构的功率分配器的第一端口，第一微带传输线的另一端连接第二微带传输线的一端和第三微带传输线的一端；第二微带传输线的另一端连接第一π形电路结构的一段，第一π形电路结构的另一端连接第四微带传输线的一端，第四微带传输线的另一端作为所述频率大范围可重构的功率分配器的第二端口；第三微带传输线的另一端连接第二π形电路结构的一端，第二π形电路结构的另一端连接第五微带传输线的一端，第五微带传输线的另一端作为所述频率大范围可重构的功率分配器的第三端口；隔离电阻R跨接在第四和第五微带传输线之间。
所述π形单元，其特征在于所述π形电路结构中的第一电容一端接地，第一电容的另一端分别与π形电路结构中的电感的一端和π形电路结构中的变容二极管一端连接，π形电路结构中的电感的另一端和π形电路结构中变容二极管的另一端均与第二电容的一端连接，第二电容的另一端接地；π形电路结构第一电容不接地一端作为π形电路结构的第一端口，π形电路结构第二电容不接地的一端作为π形电路结构的第二端口。
所述频率大范围可重构的功率分配器，其特征在于所述频率大范围可重构的频率分配器的第一至第三端口的输出阻抗为Z0；第一微带传输线、第四微带传输线、第五微带传输线的特征阻抗为Z0；第二微带传输线、第三微带传输线的特征阻抗为这种设置使得功分器输入输出端的插入损耗在其工作范围内都比较小。
所述频率大范围可重构的功率分配器，其特征在于所述的频率大范围可重构的功率分配器的输入频率可以随第一变容二极管和第二变容二极管两端的反向控制电压Vcc改变而改变。第一端口到第二端口的传输系数和第一端口到第三端口的传输系数完全相同。第二端口和第三端口在工作频率下的传输系数较小，即两个输出端口之间具有较大的隔离度。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：
(1)所述频率大范围可重构的功率分配器的第二端口和第三端口提供功率水平相等的电磁波信号。
(2)所述频率大范围可重构的功率分配器在较大频率范围内可实时调节其工作频率并在该频率范围内满足功率分配器的工作要求。
(3)所述频率大范围可重构的功率分配器采用微带传输线线设计，实现了功率分配器的小型化。
(4)所述频率大范围可重构的功率分配器采用了普通的印刷电路板工艺，具有易于集成、便于加工和成本低廉的特点。
附图说明
图1a为本发明的频率大范围可重构的功率分配器的结构示意图；
图1b为本发明的频率大范围可重构的功率分配器中的第一π形电路结构示意图；
图1c为本发明的频率大范围可重构的功率分配器中的第二π形电路结构示意图；
图2a为本发明的频率大范围可重构的功率分配器实例中第一端口的反射系数；
图2b为本发明的频率大范围可重构的功率分配器实例中第一端口到第二端口的传输系数(也称插入损耗)；
图2c为本发明的频率大范围可重构的功率分配器实例中第一端口到第三端口的传输系数(也称插入损耗)；
图2d为本发明的频率大范围可重构的功率分配器实例中第二端口和第三端口之间的隔离度；
图2e为本发明的频率大范围可重构的功率分配器实例中第二端口的反射系数；
图2f为本发明的频率大范围可重构的功率分配器实例中第三端口的反射系数；
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施做详细说明，但本发明要求的保护范围不限于下述的实施方式。
如图1所示，所述频率大范围可重构的功率分配器采用微带电路的形式来实现，包括第一微带传输线1、第二微带传输线2、第三微带传输线3、第四微带传输线12、第五微带传输线13、连接第二微带传输线2和第四微带传输线12的第一π形电路结构、第一π形电路结构中的第一电容4、第二电容7和电感5、第一π形电路结构中的变容二极管6、连接第三微带传输线3和第五微带传输线13的第二π形电路结构、第二π形电路结构中的第一电容8、第二电容11和电感9、第二π形电路结构中的变容二极管10、跨接在第四第五微带传输线上的隔离电阻R；第一微带传输线1的一端作为所述频率大范围可重构的功率分配器的第一端口，第一微带传输线1的另一端连接第二微带传输线2的一端和第三微带传输线3的一端；第二微带传输线2的另一端连接第一π形电路结构的一端，第一π形电路结构的另一端连接第四微带传输线12的一端，第四微带传输线12的另一端作为所述频率大范围可重构的功率分配器的第二端口；第三微带传输线3的另一端连接第二π形电路结构的一端，第二π形电路结构的另一端连接第五微带传输线13的一端，第五微带传输线13的另一端作为所述频率大范围可重构的功率分配器的第三端口；隔离电阻R跨接在第四微带传输线12和第五微带传输线13之间。
所述第一个π形电路结构中的第一电容4一端接地，第一电容4的另一端分别与π形电路结构中的电感5的一端和π形电路结构中的变容二极管6一端连接，π形电路结构中的电感5的另一端和π形电路结构中变容二极管6的另一端均与第二电容7的一端连接，第二电容7的另一端接地；π形电路结构第一电容4不接地一端作为π形电路结构的第一端口，π形电路结构第二电容7不接地的一端作为π形电路结构的第二端口。
所述第二个π形电路结构中的第一电容8一端接地，第一电容8的另一端分别与π形电路结构中的电感9的一端和π形电路结构中的变容二极管10一端连接，π形电路结构中的电感9的另一端和π形电路结构中变容二极管10的另一端均与第二电容11的一端连接，第二电容11的另一端接地；π形电路结构第一电容8不接地一端作为π形电路结构的第一端口，π形电路结构第二电容11不接地的一端作为π形电路结构的第二端口。
所述频率大范围可重构的功率分配器第一微带传输线1、第四微带传输线12、第五微带传输线13的特征阻抗为Z0；所述频率大范围可重构的功率分配器中的第二微带传输线2、第三微带传输线3的特征阻抗为隔离电阻R的阻抗值为2Z0；
所述第二微带传输线和第四微带传输线由图1b中的一个π形电路结构连接，第三微带传输线和第五微带传输线由图1b中的一个π形电路结构连接；所述π形电路包括一个变容二极管与电感并联、位于变容二极管与电容并联两端的两个电容和分别位于两个电容另一端的两条金属端路线；所述二个以上π形单元中的变容二极管、电感和电容参数一致，所述二个以上π形单元中的短路金属线参数一致；所述微带传输线的宽度由介质板厚度和介电常数确定。
所述第四微带传输线12和第五微带传输线13的长度相同，第一微带传输线1长度可任意选取。
实施例
以下仅仅作为本发明的一种实例。介质基板厚度0.8mm，相对介电常数为2.55，介质基板的地面为金属地板，另一面是所述频率大范围可重构的功率分配器；所述频率大范围可重构的频率分配器的第一端口、第二端口、和第三端口的输出阻抗均为50欧姆；第一微带传输线1、第四微带传输线12和第五微带传输线13的特征阻抗为50欧姆，宽度为2.234mm。第二微带传输线2、第三微带传输线3特征阻抗为70.7欧姆，宽度为1.259mm。第一微带传输线1的长度为10mm，第二微带传输线2和第三微带传输线3的长度为3.2mm，第四微带传输线12和第五微带传输线13的长度为15mm。第二微带传输线与第四微带传输线之间的π形电路结构和第三微带传输线与第五微带传输线之间的π形电路结构完全相同。π形电路结构中的电容(4、7、8、11)的电容量完全相同，为0.412pF，π形电路结构中的电感5、9的电感量完全相同，为3.619nH，π形电路结构中的变容二极管6、10型号为SMV2019-045LF。
采用实施例证中的各参数所得到的结果如图2所示。
从图2a中可以看到所述频率大范围可重构的功率分配器第一端口的反射系数，为描述所述频率大范围可重构的功率分配器在变容二极管两端施加的反向电压Vcc发生变化时的工作特性，分别在变容二极管两端施加反向电压0.5伏特、3.0伏特、9.0伏特、21.0伏特的工作特性曲线作为说明。当变容二极管两端的反向电压Vcc分别为0.5伏特、3.0伏特、9.0伏特、21.0伏特时，第一端口的反射系数分别为-12.9dB、-15.5dB、-25.3dB、-29.1dB，分别位于1.32GHz、1.68GHz、2.22GHz、2.68GHz处，第一端口的反射系数越小表示越少能量被反射，因此第一端口的工作频率在1.32GHz-2.68GHz可调；图2b中画出了从第一端口到第二端口的传输系数，又称第一端口到第二端口的插入损耗。由于所述频率大范围可重构功率分配器的输出功率将输入功率一分为二，因此较为理想的插入损耗为3.01dB(即传输系数为-3.01dB)，在这里认为3.1dB-3.2dB之间都较为理想。由图2b可知，在反向电压Vcc分别取0.5伏特、3.0伏特、9.0伏特、21.0伏特时，第一端口和第二端口之间的插入损耗在1.32GHz、1.68GHz、2.22GHz、2.68GHz处均接近3.2dB；图2c画出了所述频率大范围可重构功率分配器第一端口和第三端口之间的传输系数，又称第一端口到第三端口的插入损耗，在反向电压Vcc分别取0.5伏特、3.0伏特、9.0伏特、21.0伏特时，第一端口和第二端口之间的插入损耗在1.32GHz、1.68GHz、2.22GHz、2.68GHz处均接近3.2dB；第一端口到第二端口的插入损耗和第一端口到第三端口的插入损耗在在1.32GHz、1.68GHz、2.22GHz、2.68GHz处均接近3.2dB表明所述频率大范围可重构功率分配器在1.32GHz到2.68GHz之间是工作频率可重构的。由于所述频率大范围可重构功率分配器的第二端口和第三端口完全对称，因此图2b和图2c也完全相同。图2d画出了所述频率大范围可重构的功率分配器第二端口和第三段口之间的隔离度，表示第二端口和第三端口之间的电磁波信号传播程度，其值越小代表某频率上的第二端口和第三端口之间的能量传输越少，一般取-10dB对应的区间表示隔离的带宽，带宽越宽越好。由图2d可知，在反向电压Vcc分别取0.5伏特、3.0伏特、9.0伏特、21.0伏特时，第二端口和第三端口之间的隔离带宽分别约为1.08GHz～1.56GHz、1.2GHz～2.08GHz、1.36GHz-2.82GHz、1.42GHz-3.36GHz，这说明所述频率大范围可重构的功率分配器的第二端口和第三端口之间的隔离度是频率大范围可重构的。图2e画出了所述频率大范围可重构的功率分配器第二端口的反射系数，其值越小代表越少的能量被反射，即值越小越好。由图2e可知，在反向Vcc分别取0.5伏特、3.0伏特、9.0伏特、21.0伏特时，第二端口的最小反射系数对应的频率分别为1.32GHz、1.70GHz、2.4GHz、2.95GHz。图2f画出了所述频率大范围可重构的功率分配器第三端口的反射系数，其值越小代表越少的能量被反射，即值越小越好。由图2f可知，在反向Vcc分别取0.5伏特、3.0伏特、9.0伏特、21.0伏特时，第三端口的最小反射系数对应的频率分别为1.32GHz、1.70GHz、2.4GHz、2.95GHz。由于所述频率大范围可重构的功率分配器的第二端口和第三端口完全对称，因此图2e和图2f完全相同。综合上述性能指标在第一变容二极管两端和第二变容二极管两端的反向电压Vcc变化时发生变化的情况并结合各项数据，说明所述频率大范围可重构的功率分配器在的中心工作频率可在1.32GHz至2.65GHz之间发生变化，其中心工作频率变化范围超过最低中心工作频率1.32GHz的100.7％。
Claims (4)
1.一种频率大范围可重构的功率分配器，其特征在于包括单频Wilkinson功分器、基于电压调节的π形电路结构、微带传输线、介质基板和地板金属层；所述Wilkinson功分器、基于电压调节的π形电路结构、微带传输线附着在介质基板的一侧，地板金属层附着在介质基板的另一侧；所述单频Wilkinson功分器包括第一微带传输线、第二微带传输线、第三微带传输线、第四微带传输线、第五微带传输线、第一π形电路结构、第二π形电路结构和隔离电阻R；第一微带传输线的一端作为所述频率大范围可重构的功率分配器的第一端口，第一微带传输线的另一端连接第二微带传输线的一端和第三微带传输线的一端；第二微带传输线的另一端连接第一π形电路结构的一端，第一π形电路结构的另一端连接第四微带传输线的一端，第四微带传输线的另一端作为所述频率大范围可重构的功率分配器的第二端口；第三微带传输线的另一端连接第二π形电路结构的一端，第二π形电路结构的另一端连接第五微带传输线的一端，第五微带传输线的另一端作为所述频率大范围可重构的功率分配器的第三端口；隔离电阻R跨接在第四和第五微带传输线的输入端口之间；所述第一π形电路结构与第二π形电路结构完全相同；所述第一π形电路结构中的第一电容一端接地，第一电容的另一端分别与π形电路结构中的电感的一端和π形电路结构中的变容二极管一端连接，π形电路结构中的电感的另一端和π形电路结构中变容二极管的另一端均与第二电容的一端连接，第二电容的另一端接地；π形电路结构第一电容不接地一端作为π形电路结构的第一端口，π形电路结构第二电容不接地的一端作为π形电路结构的第二端口；所述频率大范围可重构的频率分配器的第一至第三端口的输出阻抗为；第一微带传输线、第四微带传输线、第五微带传输线的特征阻抗为；第二微带传输线、第三微带传输线的特征阻抗为。
2.根据权利要求1所述的一种频率大范围可重构的功率分配器，其特征在于第一π形电路结构、第二π形电路结构中的变容二极管两端施加相同的反向控制电压Vcc。
3.根据权利要求1所述的频率大范围可重构的功率分配器，其特征在于所述频率大范围可重构的功率分配器的在第一端口输入电磁波信号时，在所述频率大范围可重构功率分配器的第二端口和第三端口获得功率水平相等的电磁波信号。
4.根据权利要求1所述频率大范围可重构的功率分配器，其特征在于所述的频率大范围可重构的功率分配器的工作频率通过调节第一π形电路结构中变容二极管两端和第二π形电路结构中的变容二极管两端的反向控制电压Vcc进行调节，中心工作频率调节的频率范围达最低工作频率百分之一百。
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