CN110474142B - 一种端接频变复数阻抗的双频威尔金森功分器 - Google Patents

一种端接频变复数阻抗的双频威尔金森功分器 Download PDF

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    • H01P5/00—Coupling devices of the waveguide type
    • H01P5/12—Coupling devices having more than two ports
    • H01P5/16—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port

Abstract

本发明公开了一种端接频变复数阻抗的双频威尔金森功分器，具体结构包括介质基板，所述介质基板上设置有第一平行耦合线、第二平行耦合线、第五微带线、第六微带线、隔离电阻、输入端口、第一输出端口和第二输出端口；所述第一平行耦合线包括互相平行的第一微带线和第二微带线；所述第二平行耦合线包括相互平行的第三微带线和第四微带线；所述输入端口与第一微带线和第二微带线的左端相连接。本发明提出的双频威尔金森功率分配器的输出端口为频变复数阻抗，能够一直与晶体管、二极管和天线等器件连接。与现有的双频威尔金森功率分配器相比，省去了阻抗匹配电路的设计，从而降低了电路的复杂度同时也减小了电路的尺寸。

Description

一种端接频变复数阻抗的双频威尔金森功分器
技术领域
本发明涉及电子器件技术领域，尤其涉及一种端接频变复数阻抗的双频威尔金森功分器。
背景技术
威尔金森(Wilkinson)功率分配器拥有完美的输入和输出匹配以及两个输出端口之间完美隔离的等特性，从而成为射频和微波电路中一种重要的无源器件。它已经被广泛应用到平衡型功率放大器，阵列天线馈电网络等微波电路中。
随着多频带/多标准无线通信技术的快速发展，对威尔金森功率分配器也提出了双频甚至多频工作的要求。近些年来，许多学者对具有实数负载阻抗的双频威尔金森功率分配器进行了深入的研究。然而晶体管、二极管和天线等器件的端口阻抗为频变复数阻抗，他们不能够直接与威尔金森功率分配器连接，需要增加额外的阻抗匹配电路，增加了设计的难度，同时也使整个电路结构变的复杂。
发明内容
根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种端接频变复数阻抗的双频威尔金森功分器，具体结构包括介质基板，所述介质基板上设置有第一平行耦合线、第二平行耦合线、第五微带线、第六微带线、隔离电阻、输入端口、第一输出端口和第二输出端口；所述第一平行耦合线包括互相平行的第一微带线和第二微带线；所述第二平行耦合线包括相互平行的第三微带线和第四微带线；所述输入端口与第一微带线和第二微带线的左端相连接；所述第一微带线的右端与第三微带线的左端相连接；所述第二微带线的右端与第四微带线的左端相连接；所述隔离电阻的两端分别与第三微带线和第四微带线的右端相连接；所述第五微带线的上端与第一输出端口相连接、所述第五微带线的下端与第一微带线和第三微带线的连接点相连接，所述第六微带线的下端连接第二输出端口，上端连接到第二微带线和第四微带线的连接处。
所述输入端口端接实数阻抗，第一输出端口和第二输出端口端接数值相等的复数阻抗。
所述双频威尔金森功分器在两个中心频点处的端接复数阻抗值不相同。
所述双频威尔金森功分器仅包含一个集总电阻元件；没有集总电感或电容元件，所以能工作在更高的频段，甚至毫米波频段。
所述第一平行耦合线和第二平行耦合线的电长度θ满足：
Figure GDA0003257669760000021
式中，n为大于零的任意整数，fa和fb表示双频威尔金森功分器的两个工作频率，其中fb>fa。
所述第一平行耦合线和第二平行耦合线的奇模特性阻抗随隔离电阻的阻值而变化。
由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种端接频变复数阻抗的双频威尔金森功分器，该双频威尔金森功分器与现有技术相比具有如下有益效果：本发明提出的双频威尔金森功率分配器的输出端口为频变复数阻抗，能够一直与晶体管、二极管和天线等器件连接。与现有的双频威尔金森功率分配器相比，省去了阻抗匹配电路的设计，从而降低了电路的复杂度同时也减小了电路的尺寸。由于本发明中没有引入集总电感/电容，所以本发明能够应用在更高的频率处。本发明采用耦合线代替传统威尔金森功分器中的微带线，能够减小电路体积，同时也具有易加工、低成本等特点，适于广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，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。
图1为本发明所述端接频变复数阻抗的双频威尔金森功分器的结构示意图；
图2为本发明所述端接频变复数阻抗的双频威尔金森功分器的偶模等效电路图；
图3为本发明所述端接频变复数阻抗的双频威尔金森功分器的奇模等效电路图；
图4是实施例中端接频变复数阻抗的双频威尔金森功分器输入端回波损耗结果示意图；
图5是实施例中端接频变复数阻抗的双频威尔金森功分器输出端回波损耗结果示意图；
图6是实施例中端接频变复数阻抗的双频威尔金森功分器的插入损耗结果示意图；
图7是实施例中端接频变复数阻抗的双频威尔金森功分器的隔离度结果示意图；
图中：1、介质基板，2、第一平行耦合线，3、第二平行耦合线，4、第五微带线，5、第六微带线，6、隔离电阻，21、第一微带线，22、第二微带线，31、第三微带线，32、第四微带线，11、输入端口，12、第一输出端口，13、第二输出端口。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：
如图1所示的一种端接频变复数阻抗的双频威尔金森功分器，包括介质基板1，所述介质基板1上设置有第一平行耦合线2、第二平行耦合线3、第五微带线4、第六微带线5、隔离电阻6、输入端口11、第一输出端口12和第二输出端口13；所述第一平行耦合线2包括互相平行的第一微带线21和第二微带线22；所述第二平行耦合线3包括相互平行的第三微带线31和第四微带线32。
进一步地，所述输入端口11与第一微带线21和第二微带线22的左端相连接；所述第一微带线21的右端与第三微带线31的左端相连接；所述第二微带线22的右端与第四微带线32的左端相连接；所述隔离电阻6的两端分别与第三微带线31和第四微带线32的右端相连接；所述第五微带线4的上端连接第一输出端口12下端连接到第一微带线21和第三微带线31的连接处；所述第六微带线5的下端连接第二输出端口13，上端连接到第二微带线22和第四微带线32的连接处。
进一步地，所述的端接频变复数阻抗的双频威尔金森功分器工作在两个频率处，记为fa和fb(fb>fa)；所述输入端口11的特性阻抗为50欧姆，记为Z0；所述第一输出端口12和第二输出端口13为数值相等的频变复数阻抗，在频率fa和fb处分别记为ZLa和ZLb；
偶模激励下，威尔金森功分器对称面上的电流为零，等效为开路。图2给出了本发明双频威尔金森功分器的偶模等效电路。Zk和θk为与输出端口相连接的微带线的特性阻抗和电长度，Ze1和θ1为第一平行耦合线的偶模特性阻抗和电长度，Ze2和θ2为第二平行耦合线的偶模特性阻抗和电长度，于是可以得到：
Figure GDA0003257669760000041
式中，Yk＝1/Zk,Yp＝1/Zp＝Gp+jBp,Ye1＝1/Ze1,Ye2＝1/Ze2,Y0＝1/Z0,在频率fa处YL＝1/ZLa＝1/(Ra+jXa),在频率fb处YL＝1/ZLa＝1/(Rb+jXb)。
奇模激励下，威尔金森功分器对称面上的电压为零，等效为短路。图3给出了本发明双频威尔金森功分器的奇模等效电路。Zk和θk为与输出端口相连接的微带线的特性阻抗和电长度，Zo1和θ1为第一平行耦合线的奇模特性阻抗和电长度，Zo2和θ2为第二平行耦合线的奇模特性阻抗和电长度，Rc为隔离电阻的阻值，于是可以得到：
Figure GDA0003257669760000042
式中，Yk＝1/Zk,Yp＝1/Zp＝Gp+jBp,Yo1＝1/Zo1,Yo2＝1/Zo2,在频率fa处YL＝1/ZLa＝1/(Ra+jXa),在频率fb处YL＝1/ZLa＝1/(Rb+jXb)。
对于本发明中所述的双频威尔金森功分器，在频率fa和fb处公式(1)和(2)均成立，于是可以求解得到电路的设计公式：
1、第五微带线(4)和第六微带线(5)的特性阻抗Zk和电长度θk满足：
Figure GDA0003257669760000043
式中，n为任意整数，可以根据实际情况选取。m为fa和fb的频率比，即m＝fb/fa。
2、第一平行耦合线(2)和第二平行耦合线(3)的电长度θ1和θ2满足：
Figure GDA0003257669760000044
式中，k1和k2为大于零的任意整数。
3、第一平行耦合线(2)和第二平行耦合线(3)的偶模特性阻抗Ze1和Ze2满足：
Figure GDA0003257669760000051
式中，Ye1＝1/Ze1，Ye2＝1/Ze2。
4、第一平行耦合线(2)和第二平行耦合线(3)的奇模特性阻抗Zo1和Zo2满足：
Figure GDA0003257669760000052
式中，Yo1＝1/Zo1，Yo2＝1/Zo2,Yc＝2/Rc。
表1：
Z<sub>k</sub>(Ω) 70.07 Z<sub>e1</sub>(Ω) 81.04
θ<sub>k</sub>(°) 109.3 Z<sub>e2</sub>(Ω) 105.93
θ<sub>1</sub>(°) 72 Z<sub>o1</sub>(Ω) 52.63
θ<sub>2</sub>(°) 144 Z<sub>o2</sub>(Ω) 70.49
R<sub>c</sub>(Ω) 130
本发明的具体实施例中，该端接频变复数阻抗的双频威尔金森功分器的工作频率为1GHz和1.5GHz。在1GHz处输出端口的阻抗值为57.53+j*18.47欧姆，在1.5GHz处输出端口的阻抗值为74.39+j*25.02欧姆。根据上述公式和求解步骤得到电路参数值，如表1所示。
图4示出了本发明所述端接频变复数阻抗的双频威尔金森公分器输入端口的回波损耗的测试结果图,中心频率处的回波损耗大于40dB。在回波损耗大于15dB的条件下，工作带宽大于680MHz。
图5示出了本发明所述端接频变复数阻抗的双频威尔金森公分器输出端口的回波损耗的测试结果图,中心频率处的回波损耗大于40dB。在回波损耗大于15dB的条件下，工作带宽大于680MHz。
图6示出了本发明所述端接频变复数阻抗的双频威尔金森公分器插入损耗的测试结果图,在插入损耗小于3.5dB的条件下，工作带宽大于780MHz。
图7示出了本发明所述端接频变复数阻抗的双频威尔金森公分器隔离度的测试结果图,在隔离度大于30dB的条件下，工作带宽大于720MHz。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种端接频变复数阻抗的双频威尔金森功分器，其特征在于包括：介质基板(1)，所述介质基板(1)上设置有第一平行耦合线(2)、第二平行耦合线(3)、第五微带线(4)、第六微带线(5)、隔离电阻(6)、输入端口(11)、第一输出端口(12)和第二输出端口(13)；所述第一平行耦合线(2)包括互相平行的第一微带线(21)和第二微带线(22)；所述第二平行耦合线(3)包括相互平行的第三微带线(31)和第四微带线(32)；所述输入端口(11)与第一微带线(21)和第二微带线(22)的左端相连接；所述第一微带线(21)的右端与第三微带线(31)的左端相连接；所述第二微带线(22)的右端与第四微带线(32)的左端相连接；所述隔离电阻(6)的两端分别与第三微带线(31)和第四微带线(32)的右端相连接；所述第五微带线(4)的上端与第一输出端口相连接、所述第五微带线(4)的下端与第一微带线(21)和第三微带线(31)的连接点相连接，所述第六微带线(5)的下端连接第二输出端口(13)，上端连接到第二微带线(22)和第四微带线(32)的连接处；
所述输入端口(11)端接实数阻抗，第一输出端口(12)和第二输出端口(13)端接数值相等的复数阻抗；
所述双频威尔金森功分器在两个中心频点处的端接复数阻抗值不相同；
第五微带线(4)和第六微带线(5)的特性阻抗Zk和电长度θk满足：
Figure FDA0003257669750000011
式中，n为任意整数，可以根据实际情况选取，m为fa和fb的频率比，即m＝fb/fa，fa和fb表示双频威尔金森功分器的两个工作频率，其中fb>fa；Ra为频率fa处第一输出端口(12)和第二输出端口(13)的实部阻抗；Xa为频率fa处第一输出端口(12)和第二输出端口(13)的虚部阻抗；Rb为频率fb处第一输出端口(12)和第二输出端口(13)的实部阻抗；Xb为频率fb处第一输出端口(12)和第二输出端口(13)的虚部阻抗；
第一平行耦合线(2)和第二平行耦合线(3)的电长度θ1和θ2满足：
Figure FDA0003257669750000021
式中，k1和k2为大于零的任意整数；
第一平行耦合线(2)和第二平行耦合线(3)的偶模特性阻抗Ze1和Ze2满足：
Figure FDA0003257669750000022
式中，Ye1＝1/Ze1，Ye2＝1/Ze2；
第一平行耦合线(2)和第二平行耦合线(3)的奇模特性阻抗Zo1和Zo2满足：
Figure FDA0003257669750000023
式中，Yo1＝1/Zo1，Yo2＝1/Zo2,Yc＝2/Rc；
Z0为输入端口(11)的特性阻抗，记为50欧姆；Y0为输入端口(11)的特性阻抗Z0的倒数，Gp为从第三微带线(31)看向第五微带线(4)的导纳的实部；Bp为从第三微带线(31)看向第五微带线(4)的导纳的虚部；Rc为隔离电阻(6)的阻值。
2.根据权利要求1所述的功分器，其特征还在于：所述双频威尔金森功分器仅包含一个集总电阻元件。
3.根据权利要求1所述的功分器，其特征还在于：所述第一平行耦合线(2)和第二平行耦合线(3)的电长度θ满足：
Figure FDA0003257669750000031
式中，n为大于零的任意整数。
4.根据权利要求1所述的功分器，其特征还在于：所述第一平行耦合线(2)和第二平行耦合线(3)的奇模特性阻抗随隔离电阻(6)的阻值而变化。
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