CN107634299A - 一种紧凑型威尔金森功率分配器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种紧凑型威尔金森功率分配器，包括输入端口、一号输出端口和二号输出端口，输入端口和一号输出端口之间通过依次串联的输入线、一号传输线和一号输出线相连接，输入端口和二号输出端口之间通过依次串联的输入线、二号传输线和二号输出线相连接，一号传输线和二号传输线的相交公共端并联有接地的第一电容，一号传输线的另一端并联有接地的第二电容，二号传输线的另一端并联有接地的第三电容，一号传输线和二号传输线之间连接有隔直电阻。本发明解决传统威尔金森功分器面积较大的问题，同时实现功率平均分配的功能，适用于应用于PCB板级应用场合和集成电路的应用场合。

Description

一种紧凑型威尔金森功率分配器

技术领域

本发明属于微波工程领域，更具体的说，是涉及一种紧凑型威尔金森功率分配器。

背景技术

功率分配器(简称功分器)是指能将一路输入信号分成相同或不相同的两路或多路输出信号的器件，其可实现多路电磁信号的分配合并，是射频电路中不可或缺的功能单元。功分器中最常用的是二路功分器，在天线阵列馈电网络、功率合成电路中应用广泛。在对功率容量要求不高的场合，使用微带线设计的功分器因重量轻、成本低，而且结构简单，目前已广泛应用于移动通信、航空航天、雷达探测等领域[1]。

根据电路的不同，功分器可分为简单T型功分器与隔离功分器两种。简单T型功分器的各输出端之间无隔离电阻,能在较大的宽带下实现良好的功率分配比，但其隔离度较差；隔离功分器各输出端之间有隔离电阻，具有较高的隔离度。威尔金森功分器是一种常见的隔离功分器，其能实现等幅度、同相位的功率分配，但传统的微带型威尔金森功分器由于采用了电长度为90度的传输线[2]，其实际物理尺寸较长，因而在对电路尺寸要求比较严苛的应用场合(尤其是集成电路)中，威尔金森功分器的应用大大受限。

[1]杨青慧，安照辉，张怀武等.一种新型的超带宽微带威尔金森功分器:中国，CN105244583A[P].2016-01-13.

[2]C.Liu,Q.Li,Y.Li,et al.“An 890mW stacked power amplifier using SiGeHBTs for X-band multifunctional chips,”in IEEE European Solid-State CircuitsConference(ESSCIRC),pp.68-71,Sept.2015.

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供了一种紧凑型威尔金森功率分配器，解决传统威尔金森功分器面积较大的问题，同时实现功率平均分配的功能，更加适用于集成电路的应用场合。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明的一种紧凑型威尔金森功率分配器，包括输入端口、一号输出端口和二号输出端口，所述输入端口和一号输出端口之间通过依次串联的输入线、一号传输线和一号输出线相连接，所述输入端口和二号输出端口之间通过依次串联的输入线、二号传输线和二号输出线相连接，所述一号传输线和二号传输线的相交公共端并联有接地的第一电容，所述一号传输线的另一端并联有接地的第二电容，所述二号传输线的另一端并联有接地的第三电容，所述一号传输线和二号传输线之间连接有隔直电阻。

所述输入线、一号输出线和二号输出线的阻抗均相等，所述一号传输线和二号传输线的阻抗和电长度均相等，所述一号传输线和二号传输线的阻抗均按以下公式计算：

其中，Z为一号传输线、二号传输线的阻抗，θ为一号传输线、二号传输线的电长度，Z₀为输入线、一号输出线、二号输出线的阻抗，Z₀＝50ohm，隔直电阻R＝2Z₀。

所述第一电容、第二电容和第三电容的容值按以下公式计算：

C₁＝2C

C₂＝C₃＝C

其中，C1、C2、C3分别为第一电容、第二电容和第三电容，θ为一号传输线、二号传输线的电长度，Z₀为输入线、一号输出线、二号输出线的阻抗，Z₀＝50ohm，ω为所设计的工作角频率，其值为2πf。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

本发明巧妙地利用了传输线的等效原理，将传统的威尔金森功分器中输入端口与输出端口之间电长度为90度的传输线有效地等效为一段较短的传输线和两个并联电容的结构，实现了较好的相位一致性和驻波特性。本发明继承了传统威尔金森功分器的优点，同时有效地减小了传统威尔金森功分器的面积，而且结构简单，易于实现。因此，不但可以应用于PCB板级应用场合，也更加适用于集成电路的应用场合，如微波通信、微波测试设备和频谱监测系统中。

附图说明

图1是传统的微带型威尔金森功分器原理图；

图2(a)是传统威尔金森功分器等效二端口网络，(b)是紧凑型威尔金森功分器等效二端口网络；

图3是本发明一种紧凑型威尔金森功分器的原理图；

图4是本发明实施例10GHz威尔金森功分器输入端口1(实线)和一号输出端口2、二号输出端口3(虚线)的驻波特性仿真结果图；

图5是本发明实施例10GHz威尔金森功分器一号输出端口2和二号输出端口3的插损仿真结果图；

图6是本发明实施例10GHz威尔金森功分器一号输出端口2和二号输出端口3相位一致性的仿真结果图；

图7是本发明实施例10GHz威尔金森功分器一号输出端口2、二号输出端口3的隔离度仿真结果图。

附图标记:1输入端口；2一号输出端口；3二号输出端口；l₁输入线；l₂一号传输线；l₃二号传输线；l₄一号输出线；l₅二号输出线；C₁第一电容；C₂第二电容；C₃第三电容；R隔直电阻；GND地。

具体实施方式

为了更清楚的说明本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步说明。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

对于传统的威尔金森功分器，输入端口和两个输出端口之间都有一段电长度为90度的传输线，如图1所示，其实际物理尺寸都较长，在PCB尤其是集成电路中较难实现。本发明有效地利用了传输线等效的原理，将90度的传输线等效为一段较短的传输线和两个并联电容的结构，如图2所示，有效地有效的减小了传统威尔金森功分器的面积，而且结构简单，易于实现。因此，不但可以应用于PCB板级应用场合，也更加适用于集成电路的应用场合。

如图3所示，本发明的紧凑型威尔金森功率分配器，包括输入端口1、一号输出端口2和二号输出端口3，所述输入端口1和一号输出端口2之间通过依次串联的输入线l₁、一号传输线l₂和一号输出线l₄相连接，所述输入端口1和二号输出端口3之间通过依次串联的输入线l₁、二号传输线l₃和二号输出线l₅相连接，所述一号传输线l₂和二号传输线l₃的相交公共端(节点a处)并联有接地GND的第一电容C₁，所述一号传输线l₂的另一端(节点b处)并联有接地GND的第二电容C₂，所述二号传输线l₃的另一端(节点c处)并联有接地的第三电容C₃，所述一号传输线l₂和二号传输线l₃之间(节点b、c之间)连接有隔直电阻R。

所述输入线l₁、一号输出线l₄和二号输出线l₅的阻抗Z₀均相等，所述一号传输线l₂和二号传输线l₃的阻抗Z和电长度θ均相等。

对于传统威尔金森功分器而言，阻抗为电长度为90度的传输线的ABCD矩阵可以写为：

本发明中一号传输线l₂和二号传输线l₃均可以等效为一段阻抗为Z、电长度为θ的传输线，并且其两端分别并联一个容值为C的电容。

对应ABCD矩阵可以写为：

根据90度传输线的ABCD矩阵和等效级联的ABCD矩阵相等，可以得到阻抗Z和电容C：

其中，Z为一号传输线l₂、二号传输线l₃的阻抗，θ为一号传输线l₂、二号传输线l₃的电长度，Z₀为输入线l₁、一号输出线l₄、二号输出线l₅的阻抗，Z₀＝50ohm，ω为所设计的工作角频率，其值为2πf。所述第一电容C₁＝2C，第二电容和第三电容C₂＝C₃＝C，隔直电阻R＝2Z₀。

为了实现紧凑型的威尔金森功分器，本实施例中采用0.18um SiGe工艺，中心频率为10GHz，其中电长度90度的传输线对应的实际物理尺寸为4300um。

若将电长度90度的传输线等效为30度的传输线，根据公式(3)和(4)计算得到：一号传输线l₂、二号传输线l₃的阻抗Z＝141.4ohm，电长度为θ＝30度，对应的一号传输线l₂、二号传输线l₃实际物理尺寸均为1400um，是传统威尔金森功分器中90度的传输线的三分之一。电容C＝195fF，C₁＝390fF，C₂＝C₃＝195fF，对应实际电容的面积相对一号传输线l₂、二号传输线l₃很小，所以可以忽略不计

若将电长度90度的传输线等效为45度的传输线，根据公式(3)和(4)计算得到：一号传输线l₂、二号传输线l₃的阻抗Z＝100ohm，电长度为θ＝45度，对应的一号传输线l₂、二号传输线l₃实际物理尺寸均为2100um，比传统威尔金森功分器中90度的传输线缩短了一半。电容C＝159.2fF，C₁＝318.4fF，C₂＝C₃＝159.2fF，对应实际电容的面积相对一号传输线l₂、二号传输线l₃很小，所以可以忽略不计。

若将电长度90度的传输线等效为60度的传输线，根据公式(3)和(4)计算得到：一号传输线l₂、二号传输线l₃的阻抗Z＝81.6ohm，电长度为θ＝60度，对应的一号传输线l₂、二号传输线l₃实际物理尺寸均为2800um，是传统威尔金森功分器中90度的传输线的三分之二。电容C＝112.5fF，C₁＝225fF，C₂＝C₃＝112.5fF，对应实际电容的面积相对一号传输线l₂、二号传输线l₃很小，所以可以忽略不计。

需要说明的是，以上仅为三个具体实例，但在实际等效传输线时可以根据使用的工艺和工作频段进行合理选择。

本发明中一种紧凑型威尔金森功分器实施例输入端口1、一号输出端口2和二号输出端口3的驻波特性仿真结果如图4所示，在中心频率10GHz时，驻波系数为1；一号输出端口2和二号输出端口3插损仿真结果如图5所示，两个输出端口在中心频率10GHz时功率均分，故相对输入端口1都衰减了3dB；同时，一号输出端口2和二号输出端口3的相位都保持一致，如图6所示，在中心频率10GHz时，相位相对输入端口1都滞后了90度；一号输出端口2和二号输出端口3的隔离度在中心频率处都保持良好，如图7所示。

尽管上面结合附图对本发明的功能及工作过程进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体功能和工作过程，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (3)

1.一种紧凑型威尔金森功率分配器，包括输入端口(1)、一号输出端口(2)和二号输出端口(3)，所述输入端口(1)和一号输出端口(2)之间通过依次串联的输入线(l₁)、一号传输线(l₂)和一号输出线(l₄)相连接，所述输入端口(1)和二号输出端口(3)之间通过依次串联的输入线(l₁)、二号传输线(l₃)和二号输出线(l₅)相连接，其特征在于，所述一号传输线(l₂)和二号传输线(l₃)的相交公共端并联有接地(GND)的第一电容(C₁)，所述一号传输线(l₂)的另一端并联有接地(GND)的第二电容(C₂)，所述二号传输线(l₃)的另一端并联有接地(GND)的第三电容(C₃)，所述一号传输线(l₂)和二号传输线(l₃)之间连接有隔直电阻(R)。

2.根据权利要求1所述的紧凑型威尔金森功率分配器，其特征在于，所述输入线(l₁)、一号输出线(l₄)和二号输出线(l₅)的阻抗均相等，所述一号传输线(l₂)和二号传输线(l₃)的阻抗和电长度均相等，所述一号传输线(l₂)和二号传输线(l₃)的阻抗均按以下公式计算：

<mrow> <mi>Z</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msqrt> <mn>2</mn> </msqrt> <msub> <mi>Z</mi> <mn>0</mn> </msub> </mrow> <mrow> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mi>&amp;theta;</mi> </mrow> </mfrac> </mrow>

其中，Z为一号传输线、二号传输线的阻抗，θ为一号传输线、二号传输线的电长度，Z₀为输入线、一号输出线、二号输出线的阻抗，Z₀＝50ohm，隔直电阻R＝2Z₀。

3.根据权利要求1所述的紧凑型威尔金森功率分配器，其特征在于，所述第一电容(C₁)、第二电容(C₂)和第三电容(C₃)的容值按以下公式计算：

C₁＝2C

C₂＝C₃＝C

<mrow> <mi>C</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mi>&amp;theta;</mi> </mrow> <mrow> <msqrt> <mn>2</mn> </msqrt> <msub> <mi>Z</mi> <mn>0</mn> </msub> <mi>&amp;omega;</mi> </mrow> </mfrac> </mrow>

其中，C1、C2、C3分别为第一电容、第二电容和第三电容，θ为一号传输线、二号传输线的电长度，Z₀为输入线、一号输出线、二号输出线的阻抗，Z₀＝50ohm，ω为所设计的工作角频率，其值为2πf。