CN105098311A

CN105098311A - 一种频率大范围可重构的不等分功率分配器

Info

Publication number: CN105098311A
Application number: CN201510545811.4A
Authority: CN
Inventors: 张洪林; 高婷; 胡斌杰; 彭焱
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2015-08-28
Filing date: 2015-08-28
Publication date: 2015-11-25

Abstract

本发明公开一种频率大范围可重构的不等分功率分配器，包括不等分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不等分功率分配器在两个输出端口提供功率水平不等的信号，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不等分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

一种频率大范围可重构的不等分功率分配器

技术领域

本发明涉及作为第五代移动通信射频前端的功率分配和功率合成器件技术领域，具体涉及一种工作频率大范围可调的可重构不等分功率分配器。

背景技术

网络社会的发展必将带来移动数据流量的激增，预计在未来10年中数据流量将增加1000倍；与此同时，互联设备将呈现巨量增长，物联网和其它新型创新应用的出现将催生数百亿个互联设备出现，到2020年将有500亿的设备连接，并产生前所未有的多样性要求和无线连接性相关的应用场景。可以预见，5G将超越目前的移动接入架构，超越目前传统信息论指导下的宽带无线通信技术体系，成为通信技术的必然之选。而由于设备数量的增加，应用场景的多样性和需求的多样性也将必然要求第5代移动通信技术具有更多、更先进的功能，需要更有效，舒适和安全的接入和共享信息，并通过提高容量、能效、频谱使用效率等方面来进行。

发明内容

本发明的目的在于提供一种频率大范围可重构的不等分功率分配器，满足第5代移动通信技术的频率标准，同时兼容多种通信标准的无线信号。

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不等分Wilkinson功分器，并在所述频率大范围可重构的不等分功率分配器的第二端口和第三端口之间实现了在所述两个端口上提供功率水平不同的电磁波信号的要求，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不等分功率分配器，包括单频不等分Wilkinson功分器、介质基板和地板金属层；所述不等分的Wilkinson功分器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；单频不等分Wilkinson功分器包括基于电压调节的π形电路结构。

进一步地，上述的频率大范围可重构的不等分功率分配器中，所述单频不等分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；第一微带传输线的一端作为所述频率大范围可重构的不等分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不等分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不等分功率分配器的第三端口；隔离电阻R一端与第一π形电路和第四微带传输线的连接点相接，另一端与第二π形电路和第五微带传输线的连接点相接。

进一步地，上述的频率大范围可重构的不等分功率分配器中，所述第一π形电路结构中的第一变容二极管一端与第一电感一端和第一电容的一端连接形成第一π形电路结构的第一端口，第一电容的另一端接地；第一π形电路结构的变容二极管的另一端与第一电感的另一端以及第二电容的一端连接构成第一π形电路结构的第二端口，第二电容的另一端接地；所述第二π形电路结构中第二变容二极管一端与第二电感一端和第三电容的一端连接形成第二π形电路结构的第一端口，第三电容的另一端接地；第二π形电路结构的第二变容二极管的另一端与第二电感的另一端以及第四电容的一端连接构成第二π形电路结构的第二端口，第四电容的另一端接地。

进一步地，上述的频率大范围可重构的不等分功率分配器中，频率大范围可重构的不等分功率分配器的第二端口与第三端口的功率比例为:1；所述频率大范围可重构的不等分功率分配器的第一端口的输出阻抗为，第二端口的输出阻抗为，第三端口的输出阻抗为；第一微带传输线的特征阻抗为，第二微带传输线的特征阻抗为，第三微带传输线的特征阻抗为，第四微带传输线的特征阻抗为，第五微带传输线的特征阻抗为；隔离电阻R阻抗为。这种设置使得所述频率大范围可重构的不等分功率分配器在第二端口和第三端口获得的功率比例为:1,并使得各端口的反射系数较小：第一端口至第二端口的插入损耗、第一端口至第三端口的插入损耗较小，第二端口与第三端口之间的隔离度较大。

进一步地，上述的频率大范围可重构的不等分功率分配器中，所述第一π形电路结构中变容二极管两端施加的反向控制电压为Vcc1，第二π形电路结构中变容二极管两端施加的反向控制电压为Vcc2；所述的频率大范围可重构的不等分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的反向控制电压Vcc1和第二π形电路结构中变容二极管两端的反向控制电压Vcc2进行调节，其中心工作频率调节的频率范围能达最低工作频率的76%。

所述频率大范围可重构的不等分功率分配器，其特征在于所述的频率大范围可重构的不等分功率分配器的输入频率可以随第一变容二极管两端的反向控制电压Vcc1和第二变容二极管两端的反向控制电压Vcc2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不同。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不等分功率分配器，所述频率大范围可重构的不等分功率分配器第二端口和第三端口能提供功率水平之比为K²：1的电磁波信号。

(2)所述频率大范围可重构的不等分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不等分功率分配器采用微带传输线与集总元件相结合进行设计，实现了功率分配器的小型化。

(4)所述频率大范围可重构的不等分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不等分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不等分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不等分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不等分功率分配器实例中第一端口的回波损耗；

图2b为本发明的频率大范围可重构的不等分功率分配器实例中第二端口的回波损耗；

图2c为本发明的频率大范围可重构的不等分功率分配器实例中第三端口的回波损耗；

图2d为本发明的频率大范围可重构的不等分功率分配器实例中第三端口和第二端口之间的隔离度；

图2e为本发明的频率大范围可重构的不等分功率分配器实例中第一端口到第二端口的传输系数；

图2f为本发明的频率大范围可重构的不等分功率分配器实例中第一端口到第三端口的传输系数；

图2g为本发明的频率大范围可重构的不等分功率分配器实例中第二端口和第三端口上所分配的电磁波信号的功率比例。

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不等分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、连接第三微带传输线3和第五微带传输线13的第二π形电路结构以及一端与第一π形电路和第四微带传输线的连接点相接，另一端与第二π形电路和第五微带传输线的连接点相接的隔离电阻R。

其中第一π形电路结构第一电容4、第二电容7和第一电感5、第一变容二极管6组成；第二π形电路结构由第三电容8、第四电容11和第二电感9、第二变容二极管10组成。第一微带传输线1的一端作为所述频率大范围可重构的不等分功率分配器的第一端口A，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不等分功率分配器的第二端口B；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不等分功率分配器的第三端口C；隔离电阻R一端与第一π形电路和第四微带传输线的连接点相接，另一端与第二π形电路和第五微带传输线的连接点相接。

所述第一π形电路结构中的第一变容二极管6一端与第一电感5一端和第一电容4的一端连接形成第一π形电路结构的第一端口，第一电容4的另一端接地；第一变容二极管6的另一端与第一电感5的另一端以及第二电容7的一端连接形成第一π形电路结构的第二端口，第二电容7的另一端接地。

所述第二π形电路结构中第二变容二极管10一端与第二电感9一端和第三电容8的一端连接形成第二π形电路结构的第一端口，第三电容8的另一端接地；变容二极管10的另一端与第二电感9的另一端以及第四电容11的一端连接形成第二π形电路结构的第二端口，第四电容11的另一端接地。

所述频率大范围可重构的不等分功率分配器的第二端口与第三端口的功率比例为：1（K为指定值）。第一微带传输线1的特征阻抗为，第二微带传输线的特征阻抗为，第三微带传输线的特征阻抗为，第四微带传输线的特征阻抗为，第五微带传输线的特征阻抗为；隔离电阻R的阻抗值为。

所述第二微带传输线和第四微带传输线由图1b中的第一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1c中的第二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短路线；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

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不等分功率分配器；所述频率大范围可重构的频率分配器的第一端口的输出阻抗50Ω，第二端口输出阻抗为35.35Ω，第三端口的输出阻抗为70.7Ω；第一微带传输线1的特征阻抗为50Ω，长度为10mm、宽度为2.234mm;第二微带传输线2的特征阻抗为51.5Ω，长度为3.2mm、宽度为1.259mm；第三微带传输线3特征阻抗为103Ω，长度为3.2mm、宽度为0.577mm；第四微带传输线12的特征阻抗为35.35Ω，长度为15mm、宽度为3.672mm;第五微带传输线13的特征阻抗为70.7Ω，长度为15mm、宽度为1.259mm。第一π形电路结构中的电容（4、7）的电容量为1.665pF，第一电感5电感量为3.52nH，第一变容二极管6的反向控制电压为Vcc1；第二π形电路结构中的电容（8、11）的电容量为0.519pF，第二电感9的电感量为6.603nH，第二变容二极管10的反向控制电压为Vcc2。π形电路结构中的变容二极管（6、10）型号都为SMV2020-079LF。

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不等分功率分配器第一端口的回波损耗，又称反馈系数。为描述所述频率大范围可重构的不等分功率分配器在第一变容二极管6两端的反向控制电压Vcc1和第二变容二极管10两端的反向控制电压Vcc2发生变化时的工作特性，设置4组不同的Vcc1和Vcc2，以其工作的特性曲线作为说明。第一组：Vcc1=0.4VVcc2=3.25V；第二组：Vcc1=2.4VVcc2=6.4V；第三组：Vcc1=5.4VVcc2=11V；第四组：Vcc1=19.4VVcc2=21.5V。当Vcc1=0.4VVcc2=3.25V时，第一端口的回波损耗为-17.5dB，位于1.45GHz处；当Vcc1=2.4VVcc2=6.4V时，第一端口的回波损耗为-18.5dB，位于1.75GHz处；当Vcc1=5.4VVcc2=11V时，第一端口的回波损耗为-23.5dB，位于2.13GHz处；当Vcc1=19.4VVcc2=21.5V时，第一端口的回波损耗为-32.5dB，位于2.68GHz处。第一端口的回波损耗越小表示越少能量被反射，因此第一端口的工作频率在1.45GHz～2.68GHz可调。

图2b画出了所述频率大范围可重构的不等分功率分配器第二端口的回波损耗。由图2b可知，当Vcc1=0.4VVcc2=3.25V时，第二端口的回波损耗为-23.1dB，位于1.00GHz处；当Vcc1=2.4VVcc2=6.4V时，第二端口的回波损耗为-25.0dB，位于1.59GHz处；当Vcc1=5.4VVcc2=11V时，第二端口的回波损耗为-32.5dB，位于1.91GHz处；当Vcc1=19.4VVcc2=21.5V时，第二端口的回波损耗为-35dB，位于2.49GHz处。其值越小代表越少的能量被反射，因此第二端口的工作频率在1.00GHz～2.49GHz。

图2c画出了所述频率大范围可重构的不等分功率分配器第三端口的回波损耗。由图2c可知，当Vcc1=0.4VVcc2=3.25V时，第三端口的回波损耗为-24.1dB，位于1.31GHz处；当Vcc1=2.4VVcc2=6.4V时，第三端口的回波损耗为-29.0dB，位于1.65GHz处；当Vcc1=5.4VVcc2=11V时，第三端口的回波损耗为-39.0dB，位于1.76GHz处；当Vcc1=19.4VVcc2=21.5V时，第三端口的回波损耗为-53.1dB，位于1.77GHz处。其值越小代表越少的能量被反射，因此第三端口的工作频率在1.31GHz～1.77GHz。

图2d表示第三端口C与第二端口B之间的隔离度。当Vcc1=0.4VVcc2=3.25V时，第三端口C与第二端口B之间的隔离度为-16.0dB，中心工作频率在1.51GHz处；当Vcc1=2.4VVcc2=6.4V时，第三端口C与第二端口B之间的隔离度为-20.0dB，中心工作频率在1.75GHz处；当Vcc1=5.4VVcc2=11V时，第三端口C与第二端口B之间的隔离度为-24.9dB，中心工作频率在2.13GHz处；当Vcc1=19.4VVcc2=21.5V时，第三端口C与第二端口B之间的隔离度为-46.8dB，中心工作频率在2.68GHz处。由此可知，这个不等分功分器的中心工作频率可以在1.51GHz～2.68GHz之间重构。

图2e表示第一端口A到第二端口B的传输系数，又称插入损耗，称其为插入损耗是要用正值表示。由图可知，当第一变容二极管6和第二变容二极管10两端的反向控制电压Vcc1和Vcc2分别为以下4组时：第一组：Vcc1=0.4VVcc2=3.25V；第二组：Vcc1=2.4VVcc2=6.4V；第三组：Vcc1=5.4VVcc2=11V；第四组：Vcc1=19.4VVcc2=21.5V时，位于1.45GHz、1.75GHz、2.13GHz、2.68GHz处的端口1到第二端口B之间的传输系数为-2dB左右，用插入损耗来表述为插入损耗为2dB左右。

图2f表示端口1到第三端口C的传输系数。由图可知，当第一变容二极管6和第二变容二极管10两端的反向控制电压Vcc1和Vcc2分别为以下4组时：第一组：Vcc1=0.4VVcc2=3.25V；第二组：Vcc1=2.4VVcc2=6.4V；第三组：Vcc1=5.4VVcc2=11V；第四组：Vcc1=19.4VVcc2=21.5V时，位于1.45GHz、1.75GHz、2.13GHz、2.68GHz处的端口1到第三端口C之间的传输系数为-5dB左右，用插入损耗来表述为插入损耗为5dB左右。

图2g表示第二端口B和第三端口C上所分配的电磁波信号的功率比例S21:S31。由图可知，当第一变容二极管6和第二变容二极管10两端的反向控制电压Vcc1和Vcc2分别为以下4组时：第一组：Vcc1=0.4VVcc2=3.25V；第二组：Vcc1=2.4VVcc2=6.4V；第三组：Vcc1=5.4VVcc2=11V；第四组：Vcc1=19.4VVcc2=21.5V时，位于1.45GHz、1.75GHz、2.13GHz、2.68GHz处的第二端口B和第三端口C上所分配的电磁波信号的功率比例S21:S31维持在3dB左右。

综合上述性能指标可以看出，本例中的2：1的不等分功率分配器在第一变容二极管6反向电压Vcc1和第二变容二极管10反向电压Vcc2的控制下发生了工作频率的重构，其工作频率的中心工作频率点从1.5GHz～2.68GHz之间发生了变化，重构的频率范围是最低中心工作频率的76%。

Claims

1.一种频率大范围可重构的不等分功率分配器，其特征在于包括单频不等分Wilkinson功分器、介质基板和地板金属层；所述不等分的Wilkinson功分器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；单频不等分Wilkinson功分器包括基于电压调节的π形电路结构。

2.根据权利要求1所述的频率大范围可重构的不等分功率分配器，其特征在于所述单频不等分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；第一微带传输线的一端作为所述频率大范围可重构的不等分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不等分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不等分功率分配器的第三端口；隔离电阻R一端与第一π形电路和第四微带传输线的连接点相接，另一端与第二π形电路和第五微带传输线的连接点相接。

3.根据权利要求2所述的频率大范围可重构的不等分功率分配器，其特征在于所述第一π形电路结构中的第一变容二极管一端与第一电感一端和第一电容的一端连接形成第一π形电路结构的第一端口，第一电容的另一端接地；第一π形电路结构的变容二极管的另一端与第一电感的另一端以及第二电容的一端连接构成第一π形电路结构的第二端口，第二电容的另一端接地；所述第二π形电路结构中第二变容二极管一端与第二电感一端和第三电容的一端连接形成第二π形电路结构的第一端口，第三电容的另一端接地；第二π形电路结构的第二变容二极管的另一端与第二电感的另一端以及第四电容的一端连接构成第二π形电路结构的第二端口，第四电容的另一端接地。

4.根据权利要求2所述的频率大范围可重构的不等分功率分配器，其特征在于频率大范围可重构的不等分功率分配器的第二端口与第三端口的功率比例为:1；所述频率大范围可重构的不等分功率分配器的第一端口的输出阻抗为，第二端口的输出阻抗为，第三端口的输出阻抗为；第一微带传输线的特征阻抗为，第二微带传输线的特征阻抗为，第三微带传输线的特征阻抗为，第四微带传输线的特征阻抗为，第五微带传输线的特征阻抗为；隔离电阻R阻抗为；这种设置使得所述频率大范围可重构的不等分功率分配器在第二端口和第三端口获得的功率比例为:1,并使得各端口的反射系数较小：第一端口至第二端口的插入损耗、第一端口至第三端口的插入损耗较小，第二端口与第三端口之间的隔离度较大。

5.根据权利要求1所述频率大范围可重构的不等分功率分配器，其特征在于所述第一π形电路结构中变容二极管两端施加的反向控制电压为Vcc1，第二π形电路结构中变容二极管两端施加的反向控制电压为Vcc2；所述的频率大范围可重构的不等分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的反向控制电压Vcc1和第二π形电路结构中变容二极管两端的反向控制电压Vcc2进行调节，其中心工作频率调节的频率范围能达最低工作频率的76%。