CN108376820A - 一种功分器的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种功分器的设计方法，包括以下步骤：步骤S1：根据与该功分器相连接的下级电路的输入阻抗确定功分器的输出阻抗，使两级之间达到级间阻抗匹配，省去之间的匹配电路；步骤S2：根据功分器的输出阻抗设计功分器电路结构。与现有技术相比，本发明对传统的标准功分器的做了进一步的改进和优化，输出端口的负载阻抗打破了以往标准50Ω的传统，可以根据下一级电路的输入阻抗的大小进行设置，并根据负载阻抗的变化，设计功分器的隔离电阻参数和每一级的微带线参数。本发明技术方案在功率放大器电路中更易于向下级做匹配甚至省去了到下一级电路的匹配电路，这不但减小了整个电路的复杂度，同时也降低了电路损耗和成本。

Description

一种功分器的设计方法

技术领域

本发明属于功分器设计领域，尤其涉及一种功分器的设计方法，能够应用于无线通信、雷达系统及天线的馈电系统等的功率放大领域。

背景技术

如今随着射频通信领域的快速发展，射频通信的宽带资源日益紧缺，宽带天线和宽带功率放大器的功能日益强大，功分器作为功率放大电路中的一个重要原件，对功分器的性能和设计要求都提出了更高的要求。

参见图1，所示为传统功率放大器的电路拓扑图，功分器是信号输入的第一道门户，是影响功率放大器性能的重要元件，随着功率放大器带宽的进一步提高，对功分器的带宽要求越来越高，由于单节型功分器的带宽比较窄，传统功分器为了实现超宽带，需要增加功分器的节数，但随着节数的增多，功分器的带宽变宽了，随之而来的问题是损耗也会随着增加，所以在功分器的节数和带宽的宽度上要有合适匹配。因此，功分器的设计和优化也越发的重要。常见的基本分配器有T型结功分器、电阻性功分器和Wilkinson功分器等。T型功分器是一个简单的三端口网络，能做功率分配或功率耦合，但是这种分配器不能同时在全部端口匹配。电阻性分配器由于包含有损耗元件，它可以制成全部端口匹配，但做不到两个输出端口的隔离，致使输出效率大大降低。基于以上种类的功分器的缺点，我们知道有耗三端口网络能制成全部端口匹配，并能在输出端口之间有隔离。与上述不同，Wilkinson功分器是这样一种网络：当输出端口匹配时，它仍具有无耗的有用特性，它只是耗散了反射功率。

另外，传统功率放大器的电路拓扑中，通常在功分器输出端和放大电路输入端之间需要设置信号匹配电路，这是因为现在一般的功分器的输入输出端都是用标准的50Ω特征阻抗进行的微带电路匹配设计，以实现功分器输出端阻抗和放大电路输入端阻抗的匹配。然而，现有技术将功分器的输出匹配阻抗严格限定为50Ω，必须进行级间匹配，这样对很多电路做下一级的匹配都比较麻烦，且对电路的设计有很大限制；同时，信号匹配电路还增加了电路复杂度，尤其是在现有超带宽的应用场合下，甚至限制了其带宽的进一步提升。

故，针对现有技术的缺陷，实有必要提出一种技术方案以解决现有技术存在的技术问题。

发明内容

有鉴于此，确有必要提供一种电路复杂度低且实现方便的功分器的设计方法，打破了以往功分器的输入输出端口的匹配阻抗总是50Ω的标准阻抗的传统，通过改变功分器输入输出的阻抗直接实现级间阻抗匹配，可以省略去功分器之后的匹配电路的设计，从而大大简化了匹配电路的设计复杂度，降低了损耗，提升了效率。

为了克服现有技术存在的技术缺陷，本发明的技术方案如下：

一种功分器的设计方法，包括以下步骤：

步骤S1：根据与该功分器相连接的下级电路的输入阻抗确定功分器的输出阻抗，使两级之间达到级间阻抗匹配，省去之间的匹配电路；

步骤S2：根据功分器的输出阻抗设计功分器电路结构。

作为优选的技术方案，在所述步骤S2中，功分器采用Wilkinson功分器的基本模型结构设计。

作为优选的技术方案，在所述步骤S2中，进一步包括：

通过增加Wilkinson功分器的级数来拓宽功分器的带宽。

作为优选的技术方案，在所述步骤S2中，进一步包括：

采用多个单元级联组成多节宽带功分器；单个单元包括一对传输线及一个隔离电阻组成。

作为优选的技术方案，在所述步骤S2中，进一步包括：

根据级数的增加以及输出端口的负载阻抗的变化，对隔离电阻的阻值进行重新设计。

作为优选的技术方案，在所述步骤S2中，功分器采用三节Wilkinson功分器的基本结构设计。

作为优选的技术方案，在所述步骤S2中，还包括：

通过设计隔离电阻以保证功分器的隔离度，其中，隔离电阻的设计步骤如下：

任一级的隔离电阻为：R_n＝r_nZ₀₁，其中，Z₀₁为输入阻抗；

归一化阻抗：

g₁＝1-y₁，

其中2≤k≤n-1,

其中，n为奇数时s_e90°＝1，n为偶数时s_e90°＝s_em；

上式中y_k为第k节传输线的导纳。

作为优选的技术方案，所述功分器的输出阻抗为30Ω。

作为优选的技术方案，所述功分器为等分功分器。

作为优选的技术方案，该方法应用于功率放大器设计。

与现有技术相比较，本发明是对传统功分器的缺点做了进一步的优化和改进，打破了以往功分器的输入输出端口的匹配阻抗总是50Ω的标准阻抗的传统，通过改变功分器输入输出的阻抗直接实现级间阻抗匹配，从而大大简化了匹配电路的设计复杂度，降低了损耗，提升了效率。

附图说明

图1为现有技术功率放大器的系统框图。

图2为本发明功分器的设计方法的流程框图。

图3为本发明功率放大器的系统框图。

图4为本发明中功分器的基本结构模型。

图5为本发明中功分器的设计电路图。

图6为本发明中功分器的仿真参数。

如下具体实施例将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明提供的技术方案作进一步说明。

参见图2，所示为本发明提出一种功分器的设计方法的流程框图，包括以下步骤：

步骤S1：根据与该功分器相连接的下级电路的输入阻抗确定功分器的输出阻抗，使两级之间达到级间阻抗匹配；

步骤S2：根据功分器的输出阻抗设计功分器电路结构。

采用上述技术方案，由于根据下级电路的输入阻抗设计功分器的输出阻抗，从而能够省去级间阻抗匹配电路，大大简化了级间匹配电路的设计复杂度，降低了损耗，提升了效率。

在一种优选实施方式中，将本发明方法应用于功率放大器设计中。参见图3，所示为为本发明功率放大器的系统框图，包括功分器、放大电路和耦合电路，其中，所述功分器用于将输入信号进行分路输出；所述放大电路的输入端与所述功分器的输出端直接连接，用于信号放大；所述耦合电路用于将所述放大电路的输出信号进行耦合输出；

所述功分器的输出阻抗与所述放大电路的输入阻抗相匹配。

上技术方案中，由于根据放大电路的输入阻抗设计功分器的输出阻抗，使功分器的输出阻抗与放大电路的输入阻抗之间相匹配；从而无需在功分器输出端设置信号匹配电路(参照图1所述的现有技术功率放大器的结构框图)，大大简化了电路结构。

进一步的，在步骤S2中，采用Wilkinson功分器的基本模型设计功分器，

参见图4，所示为Wilkinson功分器的基本结构模型，Wilkinson功分器在输出端口匹配时，它仍具有无耗的有用特性，其中，端口1是信号输入口，端口2、3是信号的输出口，经过两路等分的λ/4微带线，信号被分成两路，微带线的终端接电阻R的隔离电阻，当信号是等分的时候，两端口的电压相等，电阻R上无电流，选择合适的阻值，能够使两端口的隔离度最高。

本发明以Wilkinson功分器的基本结构为基础，并在该基础上进行改进优化，从而实现宽带、低损耗、高隔离度的功分器，Wilkinson功分器是一个工作在窄带条件下的功分器，为了增加带宽通过增加级数来拓宽功分器的带宽。一对传输线及一个隔离电阻组成一个单元，多个单元级联组成宽带功分器，而随着级数的增多，功分器的隔离度会下降，需要优化隔离电阻阻值计算方法。本文提出了改进后的设计公式。

本发明功分器的具体设计原理如下：

Wilkinson功分器的基本结构包括作为信号输入口的端口1以及作为信号输出口的端口2和端口3，信号进入端口1分别经过两段分支微带线流向端口2和端口3，输入输出端口的特征阻抗为Zo，两支微带线的电长度是λ/4，特征阻抗是输出端口之间的电阻R是阻值为2Zo的隔离电阻，这样能使两个输出端口有最好的隔离度。设信号的输入功率为P1，输出口的功率分别为P2、P3，则对于等分的功分器满足P2＝P3＝P1-3dB,由于两个输出端口是等功率输出，则其端口上的电压相等，电阻R上不会有电流，当电阻R的阻值为2Zo时，两端口的隔离度最高。此时输出端口电阻Z₂＝Z₃＝Z₀,微带线的特征阻抗为隔离电阻R＝2Z₀，这是基本的Wilkinson功分器。

由于单节型功分器的带宽比较窄，所以为了实现超宽带，需要增加功分器的节数，但随着节数的增多，功分器的带宽变宽了，随之而来的问题是损耗也会随着增加，所以在功分器的节数和带宽的宽度上要有合适匹配，同时由于节数的增加，还需保证输出端口的隔离度。保证功分器的隔离度主要是对隔离电阻R的设计与优化，选取合适的隔离电阻是保证隔离度的必备条件。关于隔离电阻R的推导计算如下：

隔离电阻：R_n＝r_nZ₀₁，Z₀₁为输入阻抗；

归一化阻抗：

g₁＝1-y₁，

其中2≤k≤n-1,

(n为奇数时s_e90°＝1，n为偶数时s_e90°＝s_em)

上式中y_k为第k节传输线的导纳。

输入信号由输入端口Ro1进入，经过T型微带线Tee1被分成两路信号，分别通过TL2和TL3进入两路电路，由于输出阻抗的变化，电路中每一节的微带线的参数要重新设计。

对于第一节微带线TL4和TL5的特征阻抗的计算：

Γ₀为反射系数，

(Zo为输入阻抗、Z_L为输出阻抗、N功分器的节数、θ为相移度)

信号进过T型微带线Tee2和Tee3进入第二节，对于微带线TL6和TL7的特征阻抗的计算：

信号进过T型微带线Tee4和Tee5进入第三节，对于微带线TL8和TL9的特征阻抗的计算：经过T型微带线Tee6和Tee7，信号从端口Ro2和Ro3输出，输出端口的特征阻抗可以根据下级功放电路的输入阻抗大小进行设置。

对于给定的特征阻抗Zo和介电常数Er(Er＝9.6)可由以下公式求得微带线的宽度W和长度L，

(d为介质基板厚度一般的d＝0.25mm)

其中：

根据上述原理，本发明设计一款超宽带低损耗高隔离的等分功分器，其参数指标如下：

1、本功分器的工作频带比价宽达到了3—8GHz；

2、高宽带的同时损耗还是比较低的，端口的回波损耗大于20dB；

3、在保证高宽带同时隔离度高于20dB；

参见图5，所示为本发明中功分器的设计电路图，采用三节Wilkinson功分器的基本结构。包括7个T型微带线Tee1—Tee7，Tee1把输入信号分成两路分别通过TL2和TL3传输，，Tee2—Tee7分别用来实现两节不同宽度的微带线以及隔离电阻的连接，两节弧形微带线Curve1和Curve2实现拐角处的连接，可以减小射频信号在拐角处的电磁干扰，Ro1—Ro3为输入输出端口，其中Ro1是输入端口，其特征阻抗为50Ω，输入信号经过微带线TL1到达T型微带线Tee1，把信号分成两路进入功分器的第一节，Ro2、Ro3是信号的输出端口，阻抗可以根据需要进行设置。TL4—TL11为每节基本功分器的信号传输微带线，由计算得微带线TL4和TL5的长L＝2.1mm，宽W＝0.44mm，特征阻抗Z1＝80.09Ω，隔离电阻R1＝22.0Ω，经过T型微带线Tee2和Tee3进入功分器的第二节，微带线TL6和TL7的长L＝7.5mm，宽W＝0.94mm，特征阻抗Z2＝54.77Ω，隔离电阻R2＝62.0Ω，经过T型微带线Tee4和Tee5进入功分器的第三节，微带线TL8和TL9的长L＝7.27mm，宽W＝1.72mm，特征阻抗Z3＝37.46Ω，隔离电阻R3＝150.0Ω。Ro2、Ro3为输出端的特征阻抗，由于是等分功分器故设Ro2＝Ro3＝30Ω，R1、R2、R3为每一节的隔离电阻，经过调试和计算达到了在超宽带的同时兼顾了高隔离度和低损耗。

在一种优选实施方式中，功分器的输入端的匹配阻抗设置为50Ω，输出端口的负载阻抗可以根据需要的大小进行设置，所以本实施例功分器的输出口的匹配电阻设置为30Ω，做到30Ω的匹配在功放设计电路中就十分有优势，向下级电路再次做匹配就比较方便，比如在有些Doherty电路的前端电路中，在输入端信号经过功分器之后如果输出端的阻抗正好符合放大器的输入匹配阻抗，则就不用放大器前端的匹配电路，这样就减小了电路的复杂度降低了电路损耗。本功分器具体的各项参数的计算如下：设输入端阻抗是R_o1＝50Ω，输出端阻抗R_O2＝R_O3＝30Ω，每一节的隔离电阻分别为R₁、R₂、R₃，功分器的带宽为3—8GHz，令其相对带宽隔离电阻的求解如下：R_n＝r_nZ₀₂(n＝1、2、3)，(Z₀₂＝Z₀₃＝30Ω)，

g₁＝1-y₁，

其中

y₁、y₂、y₃为各节传输线的导纳，R_n为每一节的隔离电阻，r_n为归一化的阻抗。

参见图6，所示为图5功分器电路结构的仿真参数。从仿真结果来看，功分器的效果比较理想的，输入端的回波损耗S11低于-20dB，输出端口的隔离损耗S₂₃＝S₃₂＜-20dB，本功分器的指标参数符合设计预期。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种功分器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：根据与该功分器相连接的下级电路的输入阻抗确定功分器的输出阻抗，使两级之间达到级间阻抗匹配，省去之间的匹配电路；

步骤S2：根据功分器的输出阻抗设计功分器电路结构。

2.根据权利要求1所述的功分器的设计方法，其特征在于，在所述步骤S2中，功分器采用Wilkinson功分器的基本模型结构设计。

3.根据权利要求2所述的功分器的设计方法，其特征在于，在所述步骤S2中，进一步包括：

通过增加Wilkinson功分器的级数来拓宽功分器的带宽。

4.根据权利要求3所述的功分器的设计方法，其特征在于，在所述步骤S2中，进一步包括：

采用多个单元级联组成多节宽带功分器；单个单元包括一对传输线及一个隔离电阻组成。

5.根据权利要求4所述的功分器的设计方法，其特征在于，在所述步骤S2中，进一步包括：

根据级数的增加以及输出端口的负载阻抗的变化，对隔离电阻的阻值进行重新设计。

6.根据权利要求5所述的功分器的设计方法，其特征在于，在所述步骤S2中，功分器采用三节Wilkinson功分器的基本结构设计。

7.根据权利要求5所述的功分器的设计方法，其特征在于，在所述步骤S2中，还包括：

通过设计隔离电阻以保证功分器的隔离度，其中，隔离电阻的设计步骤如下：

任一级的隔离电阻为：R_n＝r_nZ₀₁，其中，Z₀₁为输入阻抗；

归一化阻抗：

g₁＝1-y₁，

其中2≤k≤n-1,

其中，n为奇数时n为偶数时

上式中y_k为第k节传输线的导纳。

8.根据权利要求1或2所述的功分器的设计方法，其特征在于，所述功分器的输出阻抗为30Ω。

9.根据权利要求1或2所述的功分器的设计方法，其特征在于，所述功分器为等分功分器。

10.根据权利要求1或2所述的功分器的设计方法，其特征在于，该方法应用于功率放大器设计。