CN111146553A - 一种具有独立任意功分比的双频平衡/不平衡功分器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有独立任意功分比的双频平衡/不平衡功分器，具体包括：平衡式差分信号输入端口A，四段分支线，一个π型双频反相器，两个双频阻抗变换器，一个隔离电阻和两个单端信号输出端口；所述平衡式差分信号输入端口A包括单端信号输入端口A+和单端信号输入端口A–；所述四段分支线包括第一分支线、第二分支线、第三分支线和第四分支线，所述第一分支线、第二分支线、第三分支线、第四分支线和π型双频反相器依次首尾相连接形成闭合回路。本发明独立任意功分比的平衡/不平衡功分器具有差分信号到单端信号的双频转换功能、良好的共模抑止特性、理想的输入输出匹配特性，更重要的是它能够满足两个工作频率任意功分比的需求。

Description

一种具有独立任意功分比的双频平衡/不平衡功分器
技术领域
本发明涉及一种微波功分器，具体涉及一种具有独立任意功分比的双频平衡/不平衡功分器。
背景技术
功率分配器简称功分器，有着分离和组合信号的功能，它被广泛应用于天线馈电网络，功率放大器以及平衡混频器中。具有反相输出特性的功分器，因为能够应用在降低混频器噪声系数和改善性能的平衡式电路中，而受到越来越多的关注。
随着现代通信系统的不断发展，对无线通信的要求也越来越高，特别是在高灵敏度的网络中，干扰噪声对整体系统性能的影响不可忽视。平衡式结构的微波器件不仅可以降低共模信号，而且对噪声有很强的抗干扰能力，已成为通信系统中的重要组成部分。对于同时具有平衡式端口和单端端口的系统来说，使用平衡/不平衡功分器作为连接元件是十分必要的。
更进一步地，双频平衡式器件的开发还能够很好地支持多通道并发的通信系统应用。但是目前已有的双频平衡/不平衡功分器，在其高低工作频率的功分比必须是相同的，即在第一个工作频率处两个单端输出端口的功分比和在第二个工作频率处两个单端输出端口的功分比总是保持为相等状态，这将无法满足在多通道并发系统中对两个工作频率分别拥有不同功率分配的要求。
因此，有必要提出一种具有独立任意功分比的双频平衡/不平衡功分器，它所具有的独立任意功率分配特性，能够满足对于不同频率情况下的不同功率分配要求。
发明内容
鉴于已有技术存在的缺陷，本发明的目的是要提供一种具有独立任意功分比的双频平衡/不平衡功分器。具体方案包括：平衡式差分信号输入端口A，四段分支线，一个π型双频反相器，两个双频阻抗变换器，一个隔离电阻和两个单端信号输出端口；
所述平衡式差分信号输入端口A包括单端信号输入端口A+和单端信号输入端口A–；
所述四段分支线包括第一分支线、第二分支线、第三分支线和第四分支线；所述第一分支线和第三分支线的特性阻抗相等且电长度相等；所述第二分支线和第四分支线的特性阻抗相等且电长度相等；
所述π型双频反相器包括第一传输线、第二传输线、第三传输线、第一开路支节和第二开路支节；所述第一传输线的一端与第一分支线相连接，且另一端与第二传输线相连接；所述第二传输线的一端与第一传输线相连接，且另一端与第三传输线相连接；所述第三传输线的一端与第二传输线相连接，且另一端与第四分支线相连接；所述第一开路支节的一端接于第一传输线和第二传输线的连接处，且另一端开路；所述第二开路支节的一端接于第二传输线与第三传输线的连接处，且另一端开路；
所述第一分支线、第二分支线、第三分支线、第四分支线和π型双频反相器依次首尾相连呈闭合的回路；
所述两个双频阻抗变换器包括第一双频阻抗变换器和第二双频阻抗变换器，其中所述第一双频阻抗变换器的一端接于第一分支线和π型双频反相器的连接处，且另一端与单端信号输入端口A+相连接；所述第二双频阻抗变换器的一端接于第四分支线和π型双频反相器的连接处，且另一端与单端信号输入端口A–相连接；
所述第一双频阻抗变换器包括第四传输线和第五传输线，所述第二双频阻抗变换器包括第六传输线和第七传输线；所述第四传输线的一端与单端信号输入端口A+相连接，且另一端与第五传输线相连接；所述第五传输线的一端与第四传输线相连接，且另一端接于第一分支线和π型双频反相器的连接处；所述第六传输线的一端与单端信号输入端口A–相连接，且另一端与第七传输线相连接；所述第七传输线的一端与第六传输线相连接，且另一端接于第四分支线和π型双频反相器的连接处；
所述隔离电阻的一端连接于第二分支线与第三分支线的连接处，且另一端接地；
所述两个单端信号输出端口包括第一输出端口和第二输出端口，其中所述第一输出端口连接于第一分支线与第二分支线的连接处；所述第二输出端口连接于第三分支线与第四分支线的连接处。
进一步地，单端信号输入端口A+、单端信号输入端口A–、第一输出端口和第二输出端口的端口阻抗值相等；所述隔离电阻的电阻值与所述单端信号输入端口A+的端口阻抗值相等。
为了有效解决现有技术在双频情况下无法实现独立功率分配的问题，本发明提供了一种具有独立任意功分比的平衡/不平衡功分器。所述功分器具有差分信号到单端信号的转换功能、良好的共模抑止特性、理想的输入输出匹配特性，更重要的是它能够满足对两个工作频率，实现独立任意功分比的需求。
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。
附图说明
图1是本发明一种具有独立任意功分比的双频平衡/不平衡功分器的结构示意图；
图2是本发明一种具有独立任意功分比的双频平衡/不平衡功分器的混合S参数幅度和相位曲线图。
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：
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示的一种具有独立任意功分比的双频平衡/不平衡功分器，包括：平衡式差分信号输入端口A，四段分支线，一个π型双频反相器，两个双频阻抗变换器，一个隔离电阻和两个单端信号输出端口；
所述平衡式差分信号输入端口A包括单端信号输入端口A+1和单端信号输入端口A–2；
所述四段分支线分别为特性阻抗为Z1且电长度为θ1的第一分支线3、特性阻抗为Z2且电长度为θ2的第二分支线4、特性阻抗为Z1且电长度为θ1的第三分支线5和特性阻抗为Z2且长度为θ2的第四分支线6；所述π型双频反相器7包括特性阻抗为Zp且电长度为θp的第一传输线71、特性阻抗为Zp且电长度为2θp的第二传输线72、特性阻抗为Zp且电长度为θp的第三传输线73、特性阻抗为Zq且电长度为θq的第一开路支节74和特性阻抗为Zq且电长度为θq的第二开路支节75；所述第一传输线71的一端与第一分支线3相连接，且另一端与第二传输线72相连接；所述第二传输线72的一端与第一传输线71相连接，且另一端与第三传输线73相连接；所述第三传输线73的一端与第二传输线72相连接，且另一端与第四分支线6相连接；所述第一开路支节74的一端接于第一传输线71和第二传输线72的连接处，且另一端开路；所述第二开路支节75的一端接于第二传输线72与第三传输线73的连接处，且另一端开路；所述第一分支线3、第二分支线4、第三分支线5、第四分支线6和π型反相器7依次首尾相连呈闭合的回路；所述两个双频阻抗变换器包括第一双频阻抗变换器8和第二双频阻抗变换器9，其中所述第一双频阻抗变换器8的一端接于第一分支线3和π型双频反相器7的连接处，且另一端与单端信号输入端口A+1相连接；所述第二双频阻抗变换器9的一端接于第四分支线6和π型双频反相器7的连接处，且另一端与单端信号输入端口A–2相连接；所述第一双频阻抗变换器8包括特性阻抗为ZIT1且电长度为θIT1的第四传输线81和特性阻抗为ZIT2且电长度为θIT2的第五传输线82，所述第二双频阻抗变换器9包括特性阻抗为ZIT1且电长度为θIT1的第六传输线91和特性阻抗为ZIT2且电长度为θIT2的第七传输线92；所述第四传输线81的一端与单端信号输入端口A+1相连接，且另一端与第五传输线82相连接；所述第五传输线82的一端与第四传输线81相连接，且另一端接于第一分支线3和π型双频反相器7的连接处；所述第六传输线91的一端与单端信号输入端口A–2相连接，且另一端与第七传输线92相连接；所述第七传输线92的一端与第六传输线91相连接，且另一端接于第四分支线6和π型双频反相器7的连接处；所述隔离电阻10的一端连接于第二分支线4与第三分支线5的连接处，且另一端接地；所述两个单端信号输出端口包括第一输出端口11和第二输出端口12，其中所述第一输出端口11接于第一分支线3与第二分支线4的连接处；所述第二输出端口12接于第三分支线5与第四分支线6的连接处。
进一步地，输入输出端口阻抗为Z0，所述隔离电阻10的电阻值也等于Z0。
具体地，Z0等于50欧姆。
进一步地，第一到第四分支线的特性阻抗Z1、Z2和电长度θ1、θ2满足以下关系：
Figure BDA0002363279950000051
其中k1为第一工作频率处的功率分配系数，k2为第二工作频率处的功率分配系数，θ1、θ2均为第一工作频率对应的电长度，m为高低工作频率比，
具体地，k1为1.41，k2为0.708，m为2.2，则求解得θ1为48.3度，θ2为65.5度，Z1为51.12欧姆，Z2为59.14欧姆。
进一步地，π型双频反相器中，传输线和开路支节的特性阻抗Zp、Zq和电长度θp、θq满足以下关系：
Figure BDA0002363279950000052
其中Zt为传统单频反相器的特性阻抗，n为大于0的正整数。
具体地，Zt为40欧姆，n为2，则求解得θp为56.25度、θq为112.5度、Zp为26.73欧姆、Zq为77.89欧姆。
进一步地，所述双频阻抗变换器结构中，第四和第六传输线的特性阻抗和电长度以及第五和第七传输线的特性阻抗和电长度满足以下关系：
Figure BDA0002363279950000053
具体地，可以算出θIT1为65.54度、θIT2为65.54度、ZIT1为64.32欧姆、ZIT2为77.73欧姆。
进一步地，将所述双频阻抗变换器、π型双频反相器和分支线的特性参量转化为所述具有独立任意功分比的平衡/不平衡功分器对应传输线的物理尺寸；
进一步地，基于所述物理尺寸，在电磁数值仿真软件中对所述具有独立任意功分比的平衡/不平衡功分器进行建模与优化，直至满足所述具有独立任意功分比的平衡/不平衡功分器的设计技术指标要求。
具体地，图2示出了本发明所述具有独立任意功分比的双频平衡/不平衡功分器在高低工作频率比为2.2情况下的混合S参数幅度和相位曲线图。从图2(a)可以看出在第一工作频率1.0GHz处，第一输出端口11对应的|Ssd2A|为-1.77dB，第二输出端口12对应的|Ssd3A|为-4.75dB，两个输出端口之间的输出信号功率比为3dB，满足所需功率分配系数k为1.41的设计要求；在第二工作频率2.2GHz处，第一输出端口11对应的|Ssd2A|为-4.775dB，第二输出端口12对应的|Ssd3A|为-1.759dB，两个输出端口之间的输出信号功率比为-3dB，满足所需功率分配系数k为0.708的设计要求。这表明所设计的功分器具不同于现有的双频平衡/不平衡功分器的特性，即两个工作频率具有独立、不同的功分比特性。从图2(b)可以看出，两个输出端口在工作频率1.0GHz和2.2GHz均具有理想的匹配和隔离特性。并且从图2(c)可以看出在两个工作频率1.0GHz和2.2GHz处，|SccAA|均为0dB，|Scc2A|、|Scc3A|和|SscAA|均小于-40dB，这表明共模激励情况下，没有能量传到输出端口且共模抑止特性良好。此外，由图2(d)可以看出，在工作频率1.0GHz和2.2GHz处，两个输出端口之间的输出信号存在180度的相位差，具有反相输出特性。
综上所述，本发明所述的具有独立任意功分比的平衡/不平衡功分器能够通过预先定义的所需工作频率和功分比完成功分器的设计。所述具有独立任意功分比的平衡/不平衡功分器具有差分信号到单端信号的转换功能、良好的共模抑止特性、理想的输入输出匹配特性，更重要的是它能够满足两个工作频率任意功分比的需求。
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 (2)

1.一种具有独立任意功分比的双频平衡/不平衡功分器，其特征在于包括：平衡式差分信号输入端口A、四段分支线、π型双频反相器、两个双频阻抗变换器、隔离电阻和两个单端信号输出端口；
所述平衡式差分信号输入端口A包括单端信号输入端口A+(1)和单端信号输入端口A–(2)；
所述四段分支线包括第一分支线(3)、第二分支线(4)、第三分支线(5)和第四分支线(6)；所述第一分支线(3)和第三分支线(5)的特性阻抗相等且电长度相等；所述第二分支线(4)和第四分支线(6)的特性阻抗相等且电长度相等；
所述π型双频反相器(7)包括第一传输线(71)、第二传输线(72)、第三传输线(73)、第一开路支节(74)和第二开路支节(75)；所述第一传输线(71)的一端与第一分支线(3)相连接、另一端与第二传输线(72)相连接；所述第二传输线(72)的一端与第一传输线(71)相连接、另一端与第三传输线(73)相连接；所述第三传输线(73)的一端与第二传输线(72)相连接、另一端与第四分支线(6)相连接；所述第一开路支节(74)的一端连接于第一传输线(71)和第二传输线(72)的连接处、另一端开路；所述第二开路支节(75)的一端连接于第二传输线(72)与第三传输线(73)的连接处、另一端开路；
所述第一分支线(3)、第二分支线(4)、第三分支线(5)、第四分支线(6)和π型双频反相器(7)依次首尾相连接呈闭合回路；
所述两个双频阻抗变换器包括第一双频阻抗变换器(8)和第二双频阻抗变换器(9)，其中所述第一双频阻抗变换器(8)的一端连接于第一分支线(3)和π型双频反相器(7)的连接处、另一端与单端信号输入端口A+(1)相连接；所述第二双频阻抗变换器(9)的一端连接于第四分支线(6)和π型双频反相器(7)的连接处、另一端与单端信号输入端口A–(2)相连接；
所述第一双频阻抗变换器(8)包括第四传输线(81)和第五传输线(82)，所述第二双频阻抗变换器(9)包括第六传输线(91)和第七传输线(92)；所述第四传输线(81)的一端与单端信号输入端口A+(1)相连接、另一端与第五传输线(82)相连接；所述第五传输线(82)的一端与第四传输线(81)相连接、另一端连接于第一分支线(3)和π型双频反相器(7)的连接处；所述第六传输线(91)的一端与单端信号输入端口A–(2)相连接、另一端与第七传输线(92)相连接；所述第七传输线(92)的一端与第六传输线(91)相连接、另一端连接于第四分支线(6)和π型双频反相器(7)的连接处；
所述隔离电阻(10)的一端接于第二分支线(4)与第三分支线(5)的连接处、另一端接地；
所述两个单端信号输出端口包括第一输出端口(11)和第二输出端口(12)，其中所述第一输出端口(11)接于第一分支线(3)与第二分支线(4)的连接处；所述第二输出端口(12)接于第三分支线(5)与第四分支线(6)的连接处。
2.根据权利要求1所述的具有独立任意功分比的双频平衡/不平衡功分器，其特征在于：单端信号输入端口A+(1)、单端信号输入端口A–(2)、第一输出端口(11)和第二输出端口(12)的端口阻抗值相等；所述隔离电阻(10)的电阻值与所述单端信号输入端口A+(1)的端口阻抗值相等。
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