CN109216852A - 一种具有45°相移的集总元件功分器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种分器，包含信号输入端口J1、信号输出端口J2、信号输出端口J3、电容C2、电感L1、电感L2、电容C1和隔离电阻R，信号输入端口J1一端接地，信号输入端口J1另一端与电容C2一端、电感L1一端和电感L2一端连接，电容C2另一端接地，电感L1另一端连接电容C1一端、隔离电阻R一端和信号输出端口J2一端，信号输出端口J2另一端接地，电感L2另一端连接电容C1另一端、隔离电阻R另一端和信号输出端口J3一端，信号输出端口J3另一端接地，此外电容C2和隔离电阻R亦可以采用串联结构。本发明具有比经典集总元件威尔金森功分器更简单的电路拓扑结构以及更宽的工作带宽等独特优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种功分器，特别是一种具有45°相移的集总元件功分器。
背景技术
功率分配/合成器是微波电路的基本部件之一，具有将输入信号功率分解成相互隔离的几路相等或不相等功率信号的功能，或者反过来将几路信号合成一路。因此，功分器在功率放大与合成、信号测试和正交混频解调等电路与系统中都应用广泛。功分器具有多种形式，如耦合器(包括分支线、微带混合环、平行线、兰格线等多种耦合方式)、威尔金森(Wilkinson)形式等；从实现方法上则可分为波导型、同轴线型、带状线型及微带线型等。此外，也可以按照两路功分端口的相对相位差分为0°、90°和180°相差等不同类型的功分器。其中，两路具有0°相位差的威尔金森功分器具有插入损耗小，各输出支路的幅度和相位一致性好，隔离度优良等优点，是使用最多的功分器拓扑结构之之一。如下图5所示，标准的威尔金森功分器一般是由两根在工作中心频率点的电长度为四分之一波长传输线和一个阻值为两倍端口阻抗的隔离电阻组成，传输线的特性阻抗Z0等于功分器端口阻抗Zs的倍。与之对应低通集总元件功分器的结构可以如下图6所示。其参数值可以采用以下公式计算：电感电容从图6的结构图可以看到，在实际电路中靠近输入端口1的两个接地电容可以合并成一个电容C2＝2C1。因而，一个典型的集总元件威尔金森功分器一般需要3个电容，2个电感和一个隔离电阻，共6个元件。
低通集总元件功分器的结构本身已经很简单，如果能够在此基础上进一步减少元件，则将大大降低成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种具有45°相移的集总元件功分器，减少功分器元件数，改进电路性能。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种具有45°相移的集总元件功分器，其特征在于：包含信号输入端口J1、信号输出端口J2、信号输出端口J3、电容C2、电感L1、电感L2、电容C1和隔离电阻R，信号输入端口J1一端接地，信号输入端口J1另一端与电容C2一端、电感L1一端和电感L2一端连接，电容C2另一端接地，电感L1另一端连接电容C1一端、隔离电阻R一端和信号输出端口J2一端，信号输出端口J2另一端接地，电感L2另一端连接电容C1另一端、隔离电阻R另一端和信号输出端口J3一端，信号输出端口J3另一端接地。
进一步地，所述信号输入端口J1、信号输出端口J2、信号输出端口J3的端口阻抗相等，电感L1和电感L2相等，电容C2是电容C1电容值的两倍。
进一步地，所述述信号输入端口J1与信号输出端口J2或信号输出端口J3之间的信号相位差为45°。
进一步地，所述具有45°相移的集总元件功分器的各元件参数值由下式计算
L＝Zs/ω0 (1)
C1＝1/(2Zsω0) (2)
C2＝2C1＝1/(Zsω0) (3)
R＝2Zs (4)
其中，L为电感L1和L2的电感值，ZS为信号输入端口J1、信号输出端口J2和信号输出端口J3的端口阻抗，ω0是中心工作频率对应的角频率值，C1和C2分别是电容C1和C2的电容值，R是隔离电阻R的电阻值。
一种具有45°相移的集总元件功分器，其特征在于：包含信号输入端口J1、信号输出端口J2、信号输出端口J3、电容C2、电感L1、电感L2、电容C1和隔离电阻R，信号输入端口J1一端接地，信号输入端口J1另一端与电容C2一端、电感L1一端和电感L2一端连接，电容C2另一端接地，电感L1另一端连接电容C1一端和信号输出端口J2一端，信号输出端口J2另一端接地，电容C1另一端连接隔离电阻R一端，电感L2另一端连接隔离电阻R另一端和信号输出端口J3一端，信号输出端口J3另一端接地。
进一步地，所述信号输入端口J1、信号输出端口J2、信号输出端口J3的端口阻抗相等，电感L1和电感L2相等，电容C1和电容C2电容值相等。
进一步地，所述述信号输入端口J1与信号输出端口J2和信号输出端口J3之间的信号相位差为45°。
进一步地，所述具有45°相移的集总元件功分器的各元件参数值由下式计算
L＝Zs/ω0 (5)
C2＝C1＝1/(Zsω0) (6)
R＝Zs (7)
其中，L为电感L1和L2的电感值，ZS为信号输入端口J1、信号输出端口J2和信号输出端口J3的端口阻抗，ω0是中心工作频率对应的角频率值，C1和C2分别是电容C1和C2的电容值，R是隔离电阻R的电阻值。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：
1、本发明的具有45°相移功分器，仅需5个元器件，比经典集总元件威尔金森功分器电路少使用一个，是目前已知所需元件个数最少的功分器电路结构；
2、本发明的45°相移功分器拓扑结构，仍具有以下与威尔金森功分器类似的优良品质：在工作频带内，三个端口均具有良好端口阻抗匹配性能；两个输出端口具有相等的幅度和相位，并且互相隔离；
3、本发明的45°相移功分器，所用电容、电感值是经典威尔金森功分器相应器件值的因而可能在减少尺寸和制造成本上有所裨益；
4、本发明提出两种不同形式的电路拓扑结构，可以根据具体电路布局的方便进行选取；
5、本发明所提功分器的电路形式所需的所有电感都具有相同的参数值，图2所给出的拓扑结构所需的所有电容也都具有相同的参数值，因而非常适合工业电子电路；
6、本发明与工作同样中心频率的经典威尔金森集总参数功分器相比，本专利具有更大的有效工作带宽(约1.7倍)。
附图说明
图1是本发明的一种具有45°相移的集总元件功分器的实施例1的示意图。
图2是本发明的一种具有45°相移的集总元件功分器的实施例2的示意图。
图3是本发明的实施例的中心工作频率1GHz的45°集总元件功分器参数值表格。
图4是中心工作频率1.0GHz的经典集总元件威尔金森功分器与本发明的两种45°集总元件功分器的散射参数比较图。
图5是现有技术的标准威尔金森功分器示意图。
图6是现有技术的标准威尔金森低通集总元件功分器示意图。
具体实施方式
下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
实施例1：
一种具有45°相移的集总元件功分器，包含信号输入端口J1、信号输出端口J2、信号输出端口J3、电容C2、电感L1、电感L2、电容C1和隔离电阻R，信号输入端口J1一端接地，信号输入端口J1另一端与电容C2一端、电感L1一端和电感L2一端连接，电容C2另一端接地，电感L1另一端连接电容C1一端、隔离电阻R一端和信号输出端口J2一端，信号输出端口J2另一端接地，电感L2另一端连接电容C1另一端、隔离电阻R另一端和信号输出端口J3一端，信号输出端口J3另一端接地。
信号输入端口J1、信号输出端口J2、信号输出端口J3的端口阻抗相等，电感L1和电感L2相等，电容C2是电容C1电容值的两倍。述信号输入端口J1与信号输出端口J2和信号输出端口J3之间的信号相位差为45°。
具有45°相移的集总元件功分器的各元件参数值由下式计算
L＝Zs/ω0 (1)
C1＝1/(2Zsω0) (2)
C2＝2C1＝1/(Zsω0) (3)
R＝2Zs (4)
其中，L为电感L1和L2的电感值，ZS为信号输入端口J1、信号输出端口J2和信号输出端口J3的端口阻抗，ω0是中心工作频率对应的角频率值，C1和C2分别是电容C1和C2的电容值，R是隔离电阻R的电阻值。
实施例2：
如图2所示，一种具有45°相移的集总元件功分器，包含信号输入端口J1、信号输出端口J2、信号输出端口J3、电容C2、电感L1、电感L2、电容C1和隔离电阻R，信号输入端口J1一端接地，信号输入端口J1另一端与电容C2一端、电感L1一端和电感L2一端连接，电容C2另一端接地，电感L1另一端连接电容C1一端和信号输出端口J2一端，信号输出端口J2另一端接地，电容C1另一端连接隔离电阻R一端，电感L2另一端连接隔离电阻R另一端和信号输出端口J3一端，信号输出端口J3另一端接地。
信号输入端口J1、信号输出端口J2、信号输出端口J3的端口阻抗相等，电感L1和电感L2相等，电容C1和电容C2电容值相等。述信号输入端口J1与信号输出端口J2和信号输出端口J3之间的信号相位差为45°。
具有45°相移的集总元件功分器的各元件参数值由下式计算
L＝Zs/ω0 (5)
C2＝C1＝1/(Zsω0) (6)
R＝Zs (7)
其中，L为电感L1和L2的电感值，ZS为信号输入端口J1、信号输出端口J2和信号输出端口J3的端口阻抗，ω0是中心工作频率对应的角频率值，C1和C2分别是电容C1和C2的电容值，R是隔离电阻R的电阻值。
由公式(5)和(6)可以看到，采用该电路形式的功分器所需的所有电容都具有相同的参数值，所有的电感也都具有相同的参数值。
本发明的具有45°相移的集总元件功分器在中心工作频率处具有完美的功率分配、阻抗匹配和输出端口之间的隔离特性。而越是远离中心频率，功分器的性能会变得越来越差。因此，对于实际的功分器使用，有必要界定出一个有效工作频带。根据理论分析和实际测量结果，在功分器的诸多散射参数中，一般以信号输入端口1的反射系数S11最容易受频率影响。因此，本专利以|S11|<-15dB的频带范围作为本功分器的工作带宽。在此工作频带内，输入信号到两个输出端口的传输系数的带内起伏的理论值小于0.15dB。
以中心工作频率为1GHz，端口阻抗为50欧姆的等功分器做为设计目标，采用是德公司的ADS软件的仿真结果作为验证工具。该软件已经在微波电路领域被大量微波工程实践结果证实其具有充分的有效性和准确性。此外，本示例所给工作频率和元件参数值仅供作为说明本专利具体实施过程和结果提供典型参考，而并非其结构形式和工作频率的限制。经典集总元件威尔金森功分器与本专利提出的两种45°集总元件功分器的具体元件参数值可如图3的表1所示,图4则给出了这三种功分器的微波特性(散射参数)的比较。
从图4可以看出本专利提出的两个集总元件功分器具有几乎完全相同的宽带特性，并且三个端口均具有良好端口阻抗匹配性能；输出端口(J2和J3)与输入端口之间具有理论预测的45°相位相位，并且两个输出端口之间互相隔离。其百分工作带宽为52.7％，是经典集总元件威尔金森功分器工作带宽的1.7倍。
若在电路结构内插入电长度为整数倍波长的传输线结构，视为与与本专利具有完全的等效性。本专利所使用的集总元件既可以是引线直插或者贴片封装的电容、电感、电阻，也可以是采用高/低阻抗传输线所等效的等值电容、电感。所采用的电路工艺既可以是采用PCB电路工艺实现，也可以是采用单片微波集成电路、薄膜印刷电路，厚膜印刷电路，低温共烧陶瓷等工艺实现。
本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明说明书的内容或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种具有45°相移的集总元件功分器，其特征在于：包含信号输入端口J1、信号输出端口J2、信号输出端口J3、电容C2、电感L1、电感L2、电容C1和隔离电阻R，信号输入端口J1一端接地，信号输入端口J1另一端与电容C2一端、电感L1一端和电感L2一端连接，电容C2另一端接地，电感L1另一端连接电容C1一端、隔离电阻R一端和信号输出端口J2一端，信号输出端口J2另一端接地，电感L2另一端连接电容C1另一端、隔离电阻R另一端和信号输出端口J3一端，信号输出端口J3另一端接地。
2.按照权利要求1所述的一种具有45°相移的集总元件功分器，其特征在于：所述信号输入端口J1、信号输出端口J2、信号输出端口J3的端口阻抗相等，电感L1和电感L2相等，电容C2是电容C1电容值的两倍。
3.按照权利要求1所述的一种具有45°相移的集总元件功分器，其特征在于：所述述信号输入端口J1与信号输出端口J2或信号输出端口J3之间的信号相位差为45°。
4.按照权利要求2所述的一种具有45°相移的集总元件功分器，其特征在于：所述具有45°相移的集总元件功分器的各元件参数值由下式计算
L＝Zs/ω0 (1)
C1＝1/(2Zsω0) (2)
C2＝2C1＝1/(Zsω0) (3)
R＝2Zs (4)
其中，L为电感L1和L2的电感值，ZS为信号输入端口J1、信号输出端口J2和信号输出端口J3的端口阻抗，ω0是中心工作频率对应的角频率值，C1和C2分别是电容C1和C2的电容值，R是隔离电阻R的电阻值。
5.一种具有45°相移的集总元件功分器，其特征在于：包含信号输入端口J1、信号输出端口J2、信号输出端口J3、电容C2、电感L1、电感L2、电容C1和隔离电阻R，信号输入端口J1一端接地，信号输入端口J1另一端与电容C2一端、电感L1一端和电感L2一端连接，电容C2另一端接地，电感L1另一端连接电容C1一端和信号输出端口J2一端，信号输出端口J2另一端接地，电容C1另一端连接隔离电阻R一端，电感L2另一端连接隔离电阻R另一端和信号输出端口J3一端，信号输出端口J3另一端接地。
6.按照权利要求5所述的一种具有45°相移的集总元件功分器，其特征在于：所述信号输入端口J1、信号输出端口J2、信号输出端口J3的端口阻抗相等，电感L1和电感L2相等，电容C1和电容C2电容值相等。
7.按照权利要求5所述的一种具有45°相移的集总元件功分器，其特征在于：所述述信号输入端口J1与信号输出端口J2和信号输出端口J3之间的信号相位差为45°。
8.按照权利要求7所述的一种具有45°相移的集总元件功分器，其特征在于：所述具有45°相移的集总元件功分器的各元件参数值由下式计算
L＝Zs/ω0 (5)
C2＝C1＝1/(Zsω0) (6)
R＝Zs (7)
其中，L为电感L1和L2的电感值，ZS为信号输入端口J1、信号输出端口J2和信号输出端口J3的端口阻抗，ω0是中心工作频率对应的角频率值，C1和C2分别是电容C1和C2的电容值，R是隔离电阻R的电阻值。
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