CN106329053A - 双频威尔金森功分器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种双频威尔金森功分器，包括一输入端口、两个输出端口以及位于输入端口和输出端口之间的第一传输线、第二传输线和第三传输线，所述输入端口与前述第一传输线的一端连接，该第一传输线的另一端分成两路，其中一路经第二传输线与第一输出端口连接，另一路经第三传输线与第二输出接口连接；所述双频威尔金森功分器还包括：一短截线，并联于所述输入端口；一RCL电路，连接在所述第一输出端口与第二输出端口之间，该RCL电路由一电阻并联一LC电路构成，LC电路由第一电容、第二电容和一个电感构成，其中第一电容、第二电容分布在电感的两侧，且第一电容、第二电容的电容值相等。

Description

双频威尔金森功分器

技术领域

本发明涉及微波通讯中的功分器，特别涉及一种基于RCL电路的小型化双频威尔金森功分器。

背景技术

随着无线通信技术的飞速发展，功分器作为无线通信系统中的重要组成部分，吸引了越来越多的关注。特别是双频器件的应用日益广泛，许多无线通信标准基于两个或者更多的频段，因此研究双频功分器具有重大的意义。

威尔金森功分器有着优良的隔离度和良好的端口匹配，被广泛运用于各种微波射频电路中。但是对于传统的威尔金森功分器而言，其带宽单一，不适用于双频通信系统。现有技术中所提出的双频威尔金森功分器存在不等分、尺寸大等缺陷。

发明内容

本发明目的在于提供一种小型化的威尔金森功分器，可实现双频等分功分。

本发明的上述目的通过独立权利要求的技术特征实现，从属权利要求以另选或有利的方式发展独立权利要求的技术特征。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种双频威尔金森功分器，包括一输入端口、两个输出端口以及位于输入端口和输出端口之间的第一传输线、第二传输线和第三传输线，其中：

输入端口与前述第一传输线的一端连接，该第一传输线的另一端分成两路，其中一路经第二传输线与第一输出端口连接，另一路经第三传输线与第二输出接口连接；

所述双频威尔金森功分器还包括：

一短截线，并联于所述输入端口；

一RCL电路，连接在所述第一输出端口与第二输出端口之间，该RCL电路由一电阻并联一LC电路构成，LC电路由第一电容、第二电容和一个电感构成，其中第一电容、第二电容分布在电感的两侧，且第一电容、第二电容的电容值相等。

进一步的实施例中，所述短截线的等效阻值Z_sc满足：

$Z_{sc}=\frac{Z_0}{2}\frac{tan\mathrm{\π}\mathrm{\θ}}{\sqrt{2}}{\tan }^2\frac{\mathrm{\π}}{2}\mathrm{\θ},\mathrm{\θ}=\frac{m-1}{m+1},$

式中，Z₀表示输入端口的特征阻抗，m表示双频威尔金森功分器的两个工作频率f₁,f₂的相关系数，其中f₁＝m·f₂,m＞1。

进一步的实施例中，所述RLC电路的电参数满足：

$L=\frac{2Z_{2}tan\mathrm{\γ}}{2\mathrm{\π}(f_2-f_1)},C=\frac{(f_2-f_1)}{2{\mathrm{\πf}}_2{f}_1{Z}_{2}tan\mathrm{\γ}},R=2Z_0$

其中，L表示所述电感的电感值，C表示所述第一电容和第二电容的电容值，R表示所述电阻的阻值，γ表示第二传输线和第三传输线的电长度。

本发明提出的双频等分威尔金森功分器，基于传统威尔金森功分器结构，通过在输入端增加一段短截线，在输出端口增加改进后的RCL电路实现双频传输，同时通过奇—偶模分析推导计算得出相应元件的参数值，实现端口匹配以及端口隔离。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：

图1是说明本发明某些实施例的双频威尔金森功分器的电路方框图。

图2是说明基于图1实施例双频威尔金森功分器获得的偶模激励电路示意图。

图3是说明基于图1实施例双频威尔金森功分器获得的奇模激励电路示意图。

图4是说明基于图1实施例双频威尔金森功分器获得的实测S参数曲线图。

图5是说明基于图1实施例双频威尔金森功分器获得的仿真S参数曲线图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

如图1所示，根据本发明的实施例，一种双频威尔金森功分器，包括一输入端口100、两个输出端口(第一输出端口200和第二输出端口300)以及位于输入端口100和输出端口(200、300)之间的第一传输线111、第二传输线112和第三传输线113。

输入端口100与前述第一传输线111的一端连接，该第一传输线111的另一端分成两路，其中一路经第二传输线112与第一输出端口200连接，另一路经第三传输线113与第二输出接口300连接。

结合图1所示，本例的双频威尔金森功分器还包括：

一短截线110，并联于所述输入端口100；

一RCL电路120，连接在所述第一输出端口200与第二输出端口300之间。该RCL电路120由一电阻121并联一LC电路构成，LC电路由第一电容C1、第二电容C1和一个电感122构成，其中第一电容C1、第二电容C1分布在电感122的两侧，且第一电容C1、第二电容C1的电容值相等。

下面通过奇-偶模分析和双频分析，获得相应元件的电路参数值，具体说明如下：

1)偶模分析时，通过对图1的对称结构进行分析，可以得到偶模激励电路图，如图2所示。偶模电路图由两段传输线和一段短截线构成，集中元件无电流通过，因此可以消去。然后根据微波网络理论，运用ABCD矩阵运算可以得到下面公式：

其中，Y是短截线Z_sc的导纳。

通过一系列代数运算，上式矩阵方程可以分解得到以下方程：

$Z^{\′}=\sqrt{2}{Z}_0---\left(2\right)$

2)奇模分析时，根据对称性可知，在电路中间位置存在一个虚拟的接地，即电势为零。通过传输线理论可以得到下面公式：

$Z_a=Z_2\frac{0+{\mathrm{jZ}}_{2}tan\mathrm{\γ}}{Z_2+j\·0\·tan\mathrm{\γ}}={\mathrm{jZ}}_{2}tan\mathrm{\γ}---\left(6\right)$

$Z_b=\frac{\frac{1}{2}R\·(\frac{1}{j\mathrm{\ω}c}+j\frac{1}{2}\mathrm{\ω}L)}{\frac{1}{2}R+(\frac{1}{j\mathrm{\ω}c}+j\frac{1}{2}\mathrm{\ω}L)}=\frac{2R-{\mathrm{\ω}}^{2}LCR}{j2\mathrm{\ω}CR+4-2{\mathrm{\ω}}^{2}LC}---\left(7\right)$

最后为了匹配Z₀，可以得到：

$Z^{\′\′}=\frac{Z_a\·Z_b}{Z_a+Z_b}=Z_0---\left(8\right)$

令等式两边实部和虚部分别相等，可以得到：

R＝2Z₀ (9)

2Z₂ωctanγ+ω²LC＝2 (10)

3)双频分析，假设双频功分器分别工作在低频f₁,f₂处，其中f₁＝m·f₂(m＞1)，m为频率系数。我们能够得到:

${\mathrm{tan\γ}}_{f_1}=-{\mathrm{tan\γ}}_{f_2}---\left(11\right)$

${\mathrm{\γ}}_{f_1}=\frac{\mathrm{\π}}{1+m},{\mathrm{\γ}}_{f_2}=\mathrm{\π}-{\mathrm{\γ}}_{f_1}=\frac{m\mathrm{\π}}{1+m}---\left(12\right)$

通过代数运算可以得到：

$\mathrm{\φ}\left(f_1\right)=\mathrm{\γ}\left(f_1\right)=\frac{\mathrm{\π}}{2}\frac{f_1}{f_0}=\frac{\mathrm{\π}}{2}(1-\mathrm{\θ})---\left(13\right)$

$\mathrm{\φ}\left(f_2\right)=\mathrm{\γ}\left(f_2\right)=\frac{\mathrm{\π}}{2}\frac{f_2}{f_0}=\frac{\mathrm{\π}}{2}(1+\mathrm{\θ})---\left(14\right)$

$\mathrm{\θ}=\frac{f_2/f_1-1}{f_2/f_1+1}=\frac{m-1}{m+1},f_0=\frac{f+f_2}{2}---\left(15\right)$

将(13)(15)代入(3)-(5)，可以得到

$Z_1=\frac{\sqrt{2}}{2}{Z}_{0}tan\frac{\mathrm{\π}}{2}\mathrm{\θ}---\left(16\right)$

$Z_2=\sqrt{2}{Z}_0\cot \frac{\mathrm{\π}}{2}\mathrm{\θ}---\left(17\right)$

$\frac{1}{jY}=j2Z_{sc}tan\frac{\mathrm{\π}}{2}(1+\mathrm{\θ})---\left(18\right)$

$Z_{sc}=\frac{Z_0}{2}\frac{tan\mathrm{\π}\mathrm{\θ}}{\sqrt{2}}{\tan }^2\frac{\mathrm{\π}}{2}\mathrm{\θ}---\left(19\right)$

将w₁,w₂,tanγ_f1,tanγ_f2代入(10)可以得到：

$L=\frac{2Z_{2}tan\mathrm{\γ}}{2\mathrm{\π}(f_2-f_1)},C=\frac{(f_2-f_1)}{2{\mathrm{\πf}}_2{f}_1{Z}_{2}tan\mathrm{\γ}}---\left(20\right)$

综上所述，在前述实施例的双频威尔金森功分器，短截线的等效阻值Z_sc满足：

$Z_{sc}=\frac{Z_0}{2}\frac{tan\mathrm{\π}\mathrm{\θ}}{\sqrt{2}}{\tan }^2\frac{\mathrm{\π}}{2}\mathrm{\θ},\mathrm{\θ}=\frac{m-1}{m+1},$

式中，Z₀表示输入端口的特征阻抗，m表示双频威尔金森功分器的两个工作频率f₁,f₂的相关系数，其中f₁＝m·f₂,m＞1。

所述RLC电路的电参数满足：

$L=\frac{2Z_{2}tan\mathrm{\γ}}{2\mathrm{\π}(f_2-f_1)},C=\frac{(f_2-f_1)}{2{\mathrm{\πf}}_2{f}_1{Z}_{2}tan\mathrm{\γ}},R=2Z_0$

其中，L表示所述电感的电感值，C表示所述第一电容和第二电容的电容值，R表示所述电阻的阻值，γ表示第二传输线和第三传输线的电长度。

图示中，Z₁,Z₂,Z₃分别表示三个传输线的等效阻值，,γ分别表示对应传输线的电长度。

根据奇偶模分析得到的相应元件参数，本发明在一个具体实例中设计了一个工作在频率为1GHz和2.5GHz的双频威尔金森功分器，其介质板介电常数为3.55，尺寸大小为3.2mm×2.4mm，Z₁＝28.17Ω，Z₂＝88.72Ω，Z_sc＝49.04Ω，R＝100Ω，C≈0.85pF和L≈23.6nH。

图4与图5分别为实测结果与仿真结果的S参数对比图，其中仿真使用的是ANSYS公司的商业全波电磁仿真软件HFSS，测试使用的是安捷伦公司的N5244A网络分析仪。测量结果表明，两个中心频点处的回波损耗大于32dB，端口间的隔离度大于25dB。以上实测结果表明该双频威尔金森功分器能够达到良好的幅度平衡的效果，在幅度平衡和小型化方面具有很大的优势，适用于双频等功率分配的现代无线通信系统。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (3)

1.一种双频威尔金森功分器，包括一输入端口、两个输出端口以及位于输入端口和输出端口之间的第一传输线、第二传输线和第三传输线，其特征在于：

所述输入端口与前述第一传输线的一端连接，该第一传输线的另一端分成两路，其中一路经第二传输线与第一输出端口连接，另一路经第三传输线与第二输出接口连接；

所述双频威尔金森功分器还包括：

一短截线，并联于所述输入端口；

一RCL电路，连接在所述第一输出端口与第二输出端口之间，该RCL电路由一电阻并联一LC电路构成，LC电路由第一电容、第二电容和一个电感构成，其中第一电容、第二电容分布在电感的两侧，且第一电容、第二电容的电容值相等。

2.根据权利要求1所述的双频威尔金森功分器，其特征在于，所述短截线的等效阻值Z_sc满足：

$Z_{sc}=\frac{Z_0}{2}\frac{tan\mathrm{\π}\mathrm{\θ}}{\sqrt{2}}{\tan }^2\frac{\mathrm{\π}}{2}\mathrm{\θ},\mathrm{\θ}=\frac{m-1}{m+1},$

式中，Z₀表示输入端口的特征阻抗，m表示双频威尔金森功分器的两个工作频率f₁,f₂的相关系数，其中f₁＝m·f₂,m＞1。

3.根据权利要求2所述的双频威尔金森功分器，其特征在于，所述RLC电路的电参数满足：

$L=\frac{2Z_{2}tan\mathrm{\γ}}{2\mathrm{\π}(f_2-f_1)},C=\frac{(f_2-f_1)}{2{\mathrm{\πf}}_2{f}_1{Z}_{2}tan\mathrm{\γ}},R=2Z_0$

其中，L表示所述电感的电感值，C表示所述第一电容和第二电容的电容值，R表示所述电阻的阻值，γ表示第二传输线和第三传输线的电长度。