CN105356023A - 一种功率分配比例连续可重构的功率分配器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种功率分配比例连续可重构的功率分配器，包括：微带不等分Wilkinson功分器、基于电压调节的T形电路结构、介质基板和地板金属层；所述微带不等分Wilkinson功分器和基于电压调节的T形电路结构都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。所述功率分配器在两个输出端口的输出功率能在1:2到1:4之间自由调整。具有结构简单、加工容易、体积较小，便于集成到其他系统中，可广泛应用于各种不同的微波电路中，并在其工作频率区间能很好地满足功率分配器的性能要求等优点。
Description
技术领域
本发明属于射频无线通信技术领域，具体涉及到一种功率分配比例连续可重构的功率分配器，该功率分配器可作为第五代移动通信系统射频前端的功率分配器件。
背景技术
随着通信标准的多元化发展，多种通信系统、通信标准共存，传统的结构复杂、体积较大、功能单一的微波器件已不能满足第五代移动通信系统的发展要求。而可重构微波器件可以用一个器件解决多个器件才能解决的问题，能实现小型化、多功能集成化，同时也可解决日趋紧张的频率资源问题。因此,微波器件的可重构已经成为一种必然，可重构技术也成为学术界研究的热点之一。
功率分配器作为无线通信系统中不可或缺的微波无源器件，被广泛应用于平衡功率放大器、平衡混频器和天线阵列等微波射频系统中。尤其在相控阵雷达天线中，对天线阵波束赋形,不等分功分器馈电可以有效抑制天线副瓣电平过大。近年来，随着多波束形成技术在相控阵雷达天线中的应用，提高了雷达性能与电子反对抗的能力，而多波束天线陈列主要由可变功率分配器和移相器组成，能向馈源阵激励所需的振幅和相位分布。如果采用传统的非重构功率分配器，势必要配置多个功率分配比不同的功率分配器，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简化系统结构和缩小系统体积。但是，目前对于可以实时重构其性能和功能的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，提供一种功率分配比例连续可重构的功率分配器，使所述功率分配比例连续可重构的功率分配器能以一电路实现多种输出比例的功率分配，实现功率分配比例的连续可调，从而简化系统结构并缩小系统体积。
本发明以不等分的微带Wilkinson功分器为架构，结合微带传输线与可调电容的T形等效，以可调电容调整其分压比，使所述功率分配比例连续可重构的功率分配器的输出功率能在1：2到1：4之间自由调整，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：一种功率分配比例连续可重构的功率分配器，包括微带不等分Wilkinson功分器、基于电压调节的T形电路结构、介质基板和地板金属层；所述基于电压调节的T形电路结构和微带传输线都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。
所述功率分配比例连续可重构的功率分配器，所述微带不等分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、第六微带传输线、第七微带传输线、第八微带传输线、第九微带传输线、第十微带传输线、第十一微带传输线、第十二微带传输线、第一变容二极管、第二变容二极管、第三变容二极管、第四变容二极管和隔离电阻R；第一微带传输线的一端作为所述功率分配比例连续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，第二微带传输线的另一端连接第三微带传输线的一端同时还连接第四微带传输线的一端；第三微带传输线的另一端与第一变容二极管的正极端连接并与第五微带传输线的一端连接，第一变容二极管的负极端连接到地板，第五微带传输线的另一端与第七微带传输线的一端和隔离电阻R的一端连接，第三微带传输线、第五微带传输线和第一变容二极管构成了第一T形电路结构；第四微带传输线的另一端与第二变容二极管的正极端连接并与第六微带传输线的一端连接，第二变容二极管的负极端连接到地板，第六微带传输线的另一端与第八微带传输线的一端和隔离电阻R的另一端连接，第四微带传输线、第六微带传输线和第二变容二极管构成了第二T形电路结构；第七微带传输线的另一端与第三变容二极管的正极端连接并与第九微带传输线的一端连接，第三变容二极管的负极端连接到地板，第九微带传输线的另一端与第十一微带传输线的一端连接，第七微带传输线、第九微带传输线和第三变容二极管构成了第三T形电路结构；第八微带传输线的另一端与第四变容二极管的正极端连接并与第十微带传输线的一端连接，第四变容二极管的负极端连接到地板，第十微带传输线的另一端与第十二微带传输线的一端连接，第八微带传输线、第十微带传输线和第四变容二极管构成了第四T形电路结构；第十一微带传输线的另一端作为所述功率分配比例连续可重构的功率分配器的第二端口，第十二微带传输线的另一端作为所述功率分配比例连续可重构的功率分配器的第三端口；隔离电阻R的一端与第五微带传输线和第七微带传输线的交接点相接，隔离电阻R的另一端与第六微带传输线和第八微带传输线的交接点相接。
所述功率分配比例连续可重构的功率分配器，所述第一T形电路结构中的第三微带传输线一端作为第一T形电路结构的第一端口，第三微带传输线的另一端与第一变容二极管的正极端连接并与第五微带传输线的一端连接，第一变容二极管的负极端连接到地板，第五微带传输线的另一端作为第一T形电路结构的第二端口；所述第二T形电路结构中的第四微带传输线一端作为第二T形电路结构的第一端口，第四微带传输线的另一端与第二变容二极管的正极端连接并与第六微带传输线的一端连接，第二变容二极管的负极端连接到地板，第六微带传输线的另一端作为第二T形电路结构的第二端口；所述第三T形电路结构中的第七微带传输线一端作为第三T形电路结构的第一端口，第七微带传输线的另一端与第三变容二极管的正极端连接并与第九微带传输线的一端连接，第三变容二极管的负极端连接到地板，第九微带传输线的另一端作为第三T形电路结构的第二端口；所述第四T形电路结构中的第八微带传输线一端作为第四T形电路结构的第一端口，第八微带传输线的另一端与第四变容二极管的正极端连接并与第十微带传输线的一端连接，第四变容二极管的负极端连接到地板，第十微带传输线的另一端作为第四T形电路结构的第二端口。
所述功率分配比例连续可重构的功率分配器，所述功率分配比例连续可重构的功率分配器的第一端口至第二端口以及第一端口至第三端口的输出阻抗均为Z0；第一微带传输线、第十一微带传输线和第十二微带传输线的特征阻抗均为Z0。这种设置使得所述功率分配器输入输出端的插入损耗在其工作频率范围内都比较小。
所述功率分配比例连续可重构的功率分配器，所述的功率分配比例连续可重构的功率分配器中添加了隔离电阻R，这种设置使得所述功率分配比例连续可重构的功率分配器的两个输出端口之间具有较大的隔离度。
所述功率分配比例连续可重构的功率分配器，所述功率分配比例连续可重构的功率分配器的功率输出比例可以随第一T形电路结构、第二T形电路结构、第三T形电路结构和第四T形电路结构中变容二极管两端的反向控制电压Vcc1、反向控制电压Vcc2、反向控制电压Vcc3和反向控制电压Vcc4改变而改变。第一端口到第二端口的传输系数与第一端口到第三端口的传输系数之比可以在1：2到1：4之间自由调整。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：
(1)本发明的功率分配器具有多种功率分配比，同一功分器可以实现多种功率分配比。通过改变变容二极管的反向控制电压，可以实现1：2到1：4之间任意功率比的功率分配，并且驻波比、隔离度良好，功率损耗小；其结构简单、加工容易、体积较小，便于集成到其他系统中，可广泛应用于各种不同的微波电路中，并在其工作频率区间能很好地满足功率分配器的性能要求。
(2)本发明的功率分配器在其工作频率范围内可以实时连续调节其功率输出比例并在该频率范围内满足功率分配器的工作要求。
(3)本发明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，便于集成到微波电路与系统中。
(4)本发明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为本发明的功率分配比例连续可重构的功率分配器的结构示意图。
图1b为本发明的功率分配比例连续可重构的功率分配器中的第一T形电路结构示意图。
图1c为本发明的功率分配比例连续可重构的功率分配器中的第二T形电路结构示意图。
图1d为本发明的功率分配比例连续可重构的功率分配器中的第三T形电路结构示意图。
图1e为本发明的功率分配比例连续可重构的功率分配器中的第四T形电路结构示意图。
图2a为本发明的功率分配比例连续可重构的功率分配器实例中输出功率比为1:2时的各项性能参数。
图2b为本发明的功率分配比例连续可重构的功率分配器实例中输出功率比为1:3时的各项性能参数。
图2c为本发明的功率分配比例连续可重构的功率分配器实例中输出功率比为1:4时的各项性能参数。
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。
实施例
如图1a所示，所述功率分配比例连续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4、第五微带传输线5、第六微带传输线6、第七微带传输线7、第八微带传输线8、第九微带传输线9、第十微带传输线10、第十一微带传输线11、第十二微带传输线12、第一变容二极管13、第二变容二极管14、第三变容二极管15、第四变容二极管16和隔离电阻R；第一微带传输线1的一端作为所述功率分配比例连续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，第二微带传输线2的另一端连接第三微带传输线3的一端同时还连接第四微带传输线4的一端；第三微带传输线3的另一端与第一变容二极管13的正极连接并与第五微带传输线5的一端连接，第一变容二极管13的负极连接到地板，第五微带传输线5的另一端与第七微带传输线7的一端和隔离电阻R的一端连接，第三微带传输线3、第五微带传输线5和第一变容二极管13构成了第一T形电路结构，如图1b所示；第四微带传输线4的另一端与第二变容二极管14的正极连接并与第六微带传输线6的一端连接，第二变容二极管14的负极连接到地板，第六微带传输线6的另一端与第八微带传输线8的一端和隔离电阻R的另一端连接，第四微带传输线4、第六微带传输线6和第二变容二极管14构成了第二T形电路结构，如图1c所示；第七微带传输线7的另一端与第三变容二极管15的正极连接并与第九微带传输线9的一端连接，第三变容二极管15的负极连接到地板，第九微带传输线9的另一端与第十一微带传输线11的一端连接，第七微带传输线7、第九微带传输线9和第三变容二极管15构成了第三T形电路结构，如图1d所示；第八微带传输线8的另一端与第四变容二极管16的正极连接并与第十微带传输线10的一端连接，第四变容二极管16的负极连接到地板，第十微带传输线10的另一端与第十二微带传输线12的一端连接，第八微带传输线8、第十微带传输线10和第四变容二极管16构成了第四T形电路结构，如图1e所示；第十一微带传输线11的另一端作为所述功率分配比例连续可重构的功率分配器的第二端口，第十二微带传输线12的另一端作为所述功率分配比例连续可重构的功率分配器的第三端口；隔离电阻R的一端与第五微带传输线5和第七微带传输线7的交接点相接，隔离电阻R的另一端与第六微带传输线6和第八微带传输线8的交接点相接。
所述功率分配比例连续可重构的功率分配器第一微带传输线1、第十一微带传输线11、第十二微带传输线12的特征阻抗为Z0；隔离电阻的阻抗值为R。
所述第二微带传输线2和第十一微带传输线11之间依次连接着图1b中的第一T形电路结构和图1d中的第三T形电路结构，第二微带传输线2和第十二微带传输线12之间依次连接着图1c中的第二T形电路结构和图1e中的第四T形电路结构；所述四个T形电路结构中都包括一个变容二极管和两条微带传输线，其中两条微带传输线参数一致互相连接，变容二极管的正极端连接在两段微带传输线之间，变容二极管的负极端连接到地板。所述四个T形电路结构中采用的变容二极管型号一致，其中微带传输线参数不一致；所述微带传输线的宽长度由介质板厚度和介电常数确定。
所述第十一微带传输线11和第十二微带传输线12的长度相同，第一微带传输线1长度可任意选取。
介质基板厚度0.8mm，相对介电常数为2.55，中心频率为2GHz，介质基板的地面为金属地板，另一面是所述功率分配比例连续可重构的功率分配器；所述功率分配比例连续可重构的功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、第十一微带传输线11和第十二微带传输线12的特征阻抗为50欧姆，宽度为2.22mm。第二微带传输线2特征阻抗为40欧姆，宽度为3.02mm。第一微带传输线1的长度为5mm，第二微带传输线2的长度为25.25mm，第十一微带传输线11和第十二微带传输线12的长度为5mm。第一T形电路结构中第三微带传输线3和第五微带传输线5的宽度长度完全相同，宽度为0.2mm，长度为11.08mm；第二T形电路结构中第四微带传输线4和第六微带传输线6的宽度长度完全相同，宽度为2.31mm，长度为9.05mm；第三T形电路结构中第七微带传输线7和第九微带传输线9的宽度长度完全相同，宽度为1.3mm，长度为11.57mm；第四T形电路结构中第八微带传输线8和第十微带传输线10的宽度长度完全相同，宽度为3.46mm，长度为11.42mm。四个T形电路结构中的第一变容二极管13、第二变容二极管14、第三变容二极管15和第四变容二极管16形号为SMV2019-079LF。隔离电阻R为110欧姆。
如图2a所示，所述功率分配比例连续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，当变容二极管两端的反向控制电压Vcc1、反向控制电压Vcc2、反向控制电压Vcc3和反向控制电压Vcc4分别为6.3伏特、11.2伏特、12伏特和20伏特时，各端口的反射系数S11、S22和S33分别为-28.2dB、-18.1dB和-17dB。第二端口和第三端口之间的隔离度S32，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；第二端口和第三端口之间的隔离带宽分别约为0.81GHz～2.66GHz。第一端口和第二端口之间的传输系数，又称第一端口到第二端口的插入损耗S21为-5dB，第一端口到第三端口的插入损耗S31为-2dB，两者相差3dB，可见其输出功率比为1:2。
如图2b所示，当变容二极管两端的反向控制电压Vcc1、反向控制电压Vcc2、反向控制电压Vcc3和反向控制电压Vcc4分别为13伏特、4.3伏特、20伏特和17.5伏特时，各端口的反射系数S11、S22和S33分别为-32dB、-34.9dB和-25.8dB。第二端口和第三端口之间的隔离度S32，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；第二端口和第三端口之间的隔离带宽分别约为0.78GHz～3.06GHz。第一端口和第二端口之间的传输系数，又称第一端口到第二端口的插入损耗S21为-6.2dB，第一端口到第三端口的插入损耗S31为-1.4dB，两者相差4.8dB，可见其输出功率比为1:3。
如图2c所示，当变容二极管两端的反向控制电压Vcc1、反向控制电压Vcc2、反向控制电压Vcc3和反向控制电压Vcc4分别为20伏特、1.7伏特、8.8伏特和7伏特时，各端口的反射系数S11、S22和S33分别为-26.4dB、-17.6dB和-20.4dB。第二端口和第三端口之间的隔离度S32，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；第二端口和第三端口之间的隔离带宽分别约为0.77GHz～3.3GHz。第一端口和第二端口之间的传输系数，又称第一端口到第二端口的插入损耗S21为-7.4dB，第一端口到第三端口的插入损耗S31为-1.4dB，两者相差6dB，可见其输出功率比为1:4。
综合上述性能指标在变容二极管两端的反向控制电压Vcc1、反向控制电压Vcc2、反向控制电压Vcc3和反向控制电压Vcc4变化时发生变化的情况并结合各项数据，说明所述功率分配比例连续可重构的功率分配器其功率输出比例可以在1：2到1：4之间自由可调，并能满足功率分配器的各项要求。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种功率分配比例连续可重构的功率分配器，其特征在于，包括：微带不等分Wilkinson功分器、基于电压调节的T形电路结构、介质基板和地板金属层；所述微带不等分Wilkinson功分器和基于电压调节的T形电路结构都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。
2.根据权利要求1所述功率分配比例连续可重构的功率分配器，其特征在于，所述基于电压调节的T形电路结构包括：第一T形电路结构、第二T形电路结构、第三T形电路结构和第四T形电路结构；所述微带不等分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、第六微带传输线、第七微带传输线、第八微带传输线、第九微带传输线、第十微带传输线、第十一微带传输线、第十二微带传输线、第一变容二极管、第二变容二极管、第三变容二极管、第四变容二极管和隔离电阻R；第一微带传输线的一端作为所述功率分配比例连续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，第四微带传输线的一端和三微带传输线的一端均与第二微带传输线连接；第五微带传输线的一端和第一变容二极管的正极端均与第三微带传输线的另一端连接，第一变容二极管的负极端连接到地板金属层，第七微带传输线的一端和隔离电阻R的一端均与第五微带传输线的另一端连接，第三微带传输线、第五微带传输线和第一变容二极管构成第一T形电路结构；第六微带传输线的一端和第二变容二极管的正极端均与第四微带传输线的另一端连接，第二变容二极管的负极端连接到地板金属层，第八微带传输线的一端和隔离电阻R的另一端均与第六微带传输线的另一端连接，第四微带传输线、第六微带传输线和第二变容二极管构成第二T形电路结构；第三变容二极管的正极端和第九微带传输线的一端均与第七微带传输线的另一端连接，第三变容二极管的负极端连接到地板金属层，第九微带传输线的另一端与第十一微带传输线的一端连接，第七微带传输线、第九微带传输线和第三变容二极管构成第三T形电路结构；第四变容二极管的正极端和第十微带传输线的一端均与第八微带传输线的另一端连接，第四变容二极管的负极端连接到地板，第十微带传输线的另一端与第十二微带传输线的一端连接，第八微带传输线、第十微带传输线和第四变容二极管构成第四T形电路结构；第十一微带传输线的另一端作为所述功率分配比例连续可重构的功率分配器的第二端口，第十二微带传输线的另一端作为所述功率分配比例连续可重构的功率分配器的第三端口；隔离电阻R的一端与第五微带传输线和第七微带传输线的交接点相接，隔离电阻R的另一端与第六微带传输线和第八微带传输线的交接点相接。
3.根据权利要求2所述功率分配比例连续可重构的功率分配器，其特征在于，所述第一T形电路结构中的第三微带传输线一端作为第一T形电路结构的第一端口，第三微带传输线的另一端与第一变容二极管的正极端连接并与第五微带传输线的一端连接，第一变容二极管的负极端连接到地板，第五微带传输线的另一端作为第一T形电路结构的第二端口；所述第二T形电路结构中的第四微带传输线一端作为第二T形电路结构的第一端口，第四微带传输线的另一端与第二变容二极管的正极端连接并与第六微带传输线的一端连接，第二变容二极管的负极端连接到地板，第六微带传输线的另一端作为第二T形电路结构的第二端口；所述第三T形电路结构中的第七微带传输线一端作为第三T形电路结构的第一端口，第七微带传输线的另一端与第三变容二极管的正极端连接并与第九微带传输线的一端连接，第三变容二极管的负极端连接到地板，第九微带传输线的另一端作为第三T形电路结构的第二端口；所述第四T形电路结构中的第八微带传输线一端作为第四T形电路结构的第一端口，第八微带传输线的另一端与第四变容二极管的正极端连接并与第十微带传输线的一端连接，第四变容二极管的负极端连接到地板，第十微带传输线的另一端作为第四T形电路结构的第二端口。
4.根据权利要求2所述功率分配比例连续可重构的功率分配器，其特征在于，所述第一T形电路结构、第二T形电路结构、第三T形电路结构和第四T形电路结构中的变容二极管两端分别施加反向控制电压Vcc1、反向控制电压Vcc2、反向控制电压Vcc3和反向控制电压Vcc4。
5.根据权利要求2所述功率分配比例连续可重构的功率分配器，其特征在于，所述第一微带传输线特征阻抗、第十一微带传输线特征阻抗和第十二微带传输线的特征阻抗均为ZO。
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