CN111193090B - 带有隔离阻带的+/-45°相移双频带通响应集总元件功分器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带有隔离阻带的+/‑45°相移双频带通响应集总元件功分器及其设计方法。本发明提供的功分器的三个端口都具有良好的端口阻抗匹配，而信号输出端口一和信号输出端口二具有相等的幅度和相位并且相互隔离。在低频频带中心工作频率处该功分器的输出端口与输入端口的相位差为45°，在高频频带中心工作频率处该功分器的输出端口与输入端口的相位差为‑45°，这一点与经典双频威尔金森功分器(±90°)显著不同。进一步，在本发明提出新型威尔金森功分器两个工作频带中间，还具有一个宽频阻带，可以有效的抑制谐杂波信号的传输。此外，本电路发明还具有只需要共9个元件，以及更宽的工作带宽等独特优点。

Description

带有隔离阻带的+/-45°相移双频带通响应集总元件功分器

技术领域

本发明涉及一种小型化双频功率分配/合成器的集总元件电路拓扑结构及设计方法，尤指这种新型功分器在其两个工作频段的中心频率处的传输相移分别45°和-45°，并且两个工作频带中间具有一个宽频阻带(传输零点)。本发明属于微波技术研究领域。

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。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。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。为了减小电路的整体尺寸，在射频频率也出现了采用集总参数设计的威尔金森功分器。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。而公开号为CN109216852A和CN109873618A的专利申请文献分别提供了“一种具有45°相移的集总元件功分器”和“一种具有-45°相位延迟的大功率集总元件功分器”。这两种功分器仅采用5个集总元件就是实现了经典集总元件威尔金森功分器的全部功能，并比它具有更大的工作带宽。实际中使用的集总参数元件可以采用贴片封装电感、电容和电阻等商品化器件或者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的集总参数电路形式。

经典传输线威尔金森功分器只能工作在指定工作频率或者其奇次谐波处。而经典集总元件威尔金森功分器也只能工作在单一频带。随着近年来4G/5G移动通信以及物联网的日益普及，如果能够设计具有频率复用功能的器件，就可以有效减少电路体积，并对降低插损、改善噪声特性做出有益贡献。从图1的电路结构图可以看到，一个典型的双频集总元件威尔金森功分器一般需要5个电容，5个电感和一个隔离电阻，共11个元件。

发明内容

本发明的目的是提供一种与威尔金森功分器具有类似功能的集总元件功分器结构及该功分器结构的设计方法。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种带有隔离阻带的+/-45°相移双频带通响应集总元件功分器，双频带通响应集总元件功分器的信号输入端口与信号输出端口一或信号输出端口二的的相位差为±45°，信号输出端口一和信号输出端口二采用对称结构，具有相等的幅度和相位，并且相互隔离。其特征在于，所述双频带通响应集总元件功分器的电路结构由信号输入端口串联到地的电感L₂和电容C₂、信号输入端口分别到信号输出端口一和信号输出端口二的并联的电感L₁和电容C₁以及信号输出端口一和信号输出端口二之间的隔离电阻R、与隔离电阻R并联的串联电感L₃、电容C₃组成。

优选地，在所述电路结构内插入电长度为整数倍波长的传输线结构，将不改变功分器的性能。

优选地，所述电容、电感、电阻采用引线直插或者贴片封装，或所述电容、电感采用高/低阻抗传输线所等效的等值电容、电感。

优选地，所述电路结构采用的电路工艺采用PCB电路工艺实现，或采用单片微波集成电路、薄膜印刷电路、厚膜印刷电路，或采用低温共烧陶瓷工艺实现。

本发明的另一个技术方案是提供了一种上述的带有隔离阻带的+/-45°相移双频带通响应集总元件功分器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

搭建上述的电路结构，电路结构中元件参数值由式(1)至式(7)计算：

L₁＝Z_s(1/ω₁-1/ω₂) (1)

C₁＝1/[Z_s(ω₂-ω₁)] (2)

L₂＝Z_s/(ω₂-ω₁) (3)

C₂＝(1/ω₁-1/ω₂)/Z_s (4)

L₃＝2L₂ (5)

C₃＝C₂/2 (6)

R＝2Z_s (7)

式(1)至式(7)中，ω₁、ω₂分别是低频工作频带和高频工作频带中心频率对应的角频率值，Z_s是功分器端口阻抗。

本发明的另一个技术方案是提供了一种带有隔离阻带的+/-45°相移双频带通响应集总元件功分器，双频带通响应集总元件功分器的信号输入端口与信号输出端口一或信号输出端口二的的相位差为±45°，信号输出端口一和信号输出端口二采用对称结构，具有相等的幅度和相位，并且相互隔离，其特征在于，所述双频带通响应集总元件功分器的电路结构由信号输入端口串联到地的电感L₂和电容C₂、信号输入端口分别到信号输出端口一和信号输出端口二的并联的电感L₁和电容C₁以及信号输出端口一和信号输出端口二之间的串联的隔离电阻R、电感L₃及电容C₃组成。

优选地，在所述电路结构内插入电长度为整数倍波长的传输线结构，将不改变功分器的性能。

优选地，所述电容、电感、电阻采用引线直插或者贴片封装，或所述电容、电感采用高/低阻抗传输线所等效的等值电容、电感。

优选地，所述电路结构采用的电路工艺采用PCB电路工艺实现，或采用单片微波集成电路、薄膜印刷电路、厚膜印刷电路，或采用低温共烧陶瓷工艺实现。

本发明的另一个技术方案是提供了一种上述的带有隔离阻带的+/-45°相移双频带通响应集总元件功分器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

搭建上述的电路结构，电路结构中元件参数值由式(1)至式(4)及式(8)至式(10)计算：

L₁＝Z_s(1/ω₁-1/ω₂) (1)

C₁＝1/[Z_s(ω₂-ω₁)] (2)

L₂＝Z_s/(ω₂-ω₁) (3)

C₂＝(1/ω₁-1/ω₂)/Z_s (4)

L₃＝L₂ (8)

C₃＝C₂ (9)

R＝Z_s (10)

式(1)至式(4)及式(8)至式(10)中，ω₁、ω₂分别是低频工作频带和高频工作频带中心频率对应的角频率值，Z_s是功分器端口阻抗。

本发明提供的功分器的三个端口都具有良好的端口阻抗匹配，而信号输出端口一和信号输出端口二具有相等的幅度和相位并且相互隔离。在低频频带中心工作频率处该功分器的输出端口与输入端口的相位差为45°，在高频频带中心工作频率处该功分器的输出端口与输入端口的相位差为-45°，这一点与经典双频威尔金森功分器(±90°)显著不同。进一步，在本发明提出新型威尔金森功分器两个工作频带中间，还具有一个宽频阻带，可以有效的抑制谐杂波信号的传输。此外，本电路发明还具有只需要共9个元件，以及更宽的工作带宽等独特优点。

具体而言，本发明具有以下有益效果：

(1)采用本发明提出的具有±45°相移双频集总元件功分器，仅需9个元器件，比经典双频集总元件威尔金森功分器电路少使用2个，是目前已知所需元件个数最少的功分器电路结构之一。

(2)采用本发明提出的±45°相移双频移功分器拓扑结构，每个工作频带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。

(4)从上文的元件参数计算公式(8)和(9)可以看到，本发明所提功分器的第二种电路形式所需的三个电容中有两个电容具有相同的参数值，三个电感中也有两个电感具有相同的参数值。所需不同元器件种类总数为5种，比经典双频威尔金森集总参数功分器少2种。有效降低了大规模工业化生产的难度。

(5)采用本专利提出的±45°相移双频移功分器拓扑结构，在两个工作频带中间还具有一个宽频阻带，这将非常有效的抑制掉部分谐杂波信号的传输。

(6)根据典型电路仿真结果，与工作同样中心频率的经典双频威尔金森集总参数功分器相比，本发明具有更大的有效工作带宽(≥1.84倍)。

附图说明

图1为双频集总元件威尔金森功分器原理框图；

图2及图3为两种带有隔离阻带的+/-45°相移双频带通响应集总元件功分器的原理与结构框图；

图4(a)至图4(e)为中心工作频率1.0GHz和2.0GHz的双频集总元件威尔金森功分器与本发明提出的±45°双频集总元件功分器的散射参数比较，其中：图4(a)为(a)输入端口1到输出端口(2或者3)传输系数的幅度；图4(b)为输入端口1到输出端口(2或者3)传输系数的相位；图4(c)为输入端口1反射系数的幅度；图4(d)为输出端口(2或者3)反射系数的幅度；图4(e)为两个输出端口之间隔离度的幅度。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

本实施例公开的一种基本结构形式如图2所示，本实施例提出的集总元件功分器，集总元件功分器，信号输入端口1与输出端口2或输出端口3的相位差为±45°(低频频带为45°，高频频带为-45°)。输出端口2和输出端口3采用对称结构，具有相等的幅度和相位，并且相互隔离。该功分器电路的结构由输入端口1串联到地的电感L₂和电容C₂、输入端口1分别到输出端口2和输出端口3的并联电感L₁和电容C₁，以及两个输出端口2和输出端口3之间的隔离电阻R、与隔离电阻R并联的串联电感L₃、电容C₃组成。该结构的元件参数值由下式(1)至式(7)计算：

L₁＝Z_s(1/ω₁-1/ω₂) (1)

C₁＝1/[Z_s(ω₂-ω₁)] (2)

L₂＝Z_s/(ω₂-ω₁) (3)

C₂＝(1/ω₁-1/ω₂)/Z_s (4)

L₃＝2L₂ (5)

C₃＝C₂/2 (6)

R＝2Z_s (7)

式(1)至式(7)中，ω₁、ω₂分别是低频工作频带和高频工作频带中心频率对应的角频率值，Z_s是功分器端口阻抗。

实施例2

本实施例公开的一种基本结构形式如图3所示，其与实施例1的区别在于：隔离电阻R与电感L₃、电容C₃串联。如图3所示的结构的元件参数值，L₁、C₁、L₂、C₂与图2完全一样，而L₃、C₃、R的参数值则可由下式(8)至式(10)计算：

L₃＝L₂ (8)

C₃＝C₂ (9)

R＝Z_s (10)

本实施例的其他结构及工作原理同实施例1。

根据实施例1公开的公式或者根据实施例2公开的公式设计出的功分器，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。从图4(a)给出的功分器输入端口1到输出端口2(或输出端口3)的传输系数频响曲线看，本发明提出的新结构具有更大的工作带宽。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，在双频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，本发明以|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。以下文给出的中心频率为1.0GHz和2.0GHz的功分器设计结果为例，本发明提出的功分器的两个频带百分工作带宽为19.6％和21.1％，分别是经典双频集总元件威尔金森功分器工作带宽的1.84倍和2.04倍。

此外，虽然本发明提出的是一种采用集总参数设计的功分器，但若在电路结构内的任意位置插入电长度为整数倍波长的传输线结构，将不会对电路性能产生任何实质性的影响。在实际设计中，也可以采用这种方式以方便电路实现。

以中心工作频率分别为1.0GHz和2.0GHz，端口阻抗为50欧姆的双频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双频集总元件功分器的具体元件参数值可如下表1所示，图4(a)至图4(e)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(a)至图4(e)可以看出本发明提出的两个集总元件功分器具有完全相同的功率分配传输特性，并且三个端口均具有良好端口阻抗匹配性能；两个输出端口(2和3))之间互相隔离。并且与输入端口之间在低频带中心频率具有理论预测的45°相位，在高频带中心频率具有理论预测的-45°相位。两个频带百分工作带宽分别为19.6％和21.1％，分别是经典双频集总元件威尔金森功分器工作带宽的1.84倍和2.04倍。

表1中心工作频率为1.0GHz和2.0GHz的双频集总元件功分器参数值

	L<sub>1</sub>(nH)	C<sub>1</sub>(pF)	L<sub>2</sub>(nH)	C<sub>2</sub>(pF)	L<sub>3</sub>(nH)	C<sub>3</sub>(pF)	R(Ω)
								威尔金森	11.3	1.13	2.81	4.5	5.63	2.25	100
结构(a)	3.98	3.18	7.96	1.59	15.9	0.80	100
								结构(b)	3.98	3.18	7.96	1.59	＝L<sub>2</sub>	＝C<sub>2</sub>	50

Claims (10)

1.一种带有隔离阻带的+/-45°相移双频带通响应集总元件功分器，双频带通响应集总元件功分器的信号输入端口与信号输出端口一或信号输出端口二的相位差为±45°，信号输出端口一和信号输出端口二采用对称结构，具有相等的幅度和相位，并且相互隔离，其特征在于，所述双频带通响应集总元件功分器的电路结构由信号输入端口串联到地的电感L₂和电容C₂、信号输入端口分别到信号输出端口一和信号输出端口二的并联的电感L₁和电容C₁以及信号输出端口一和信号输出端口二之间的隔离电阻R、与隔离电阻R并联的串联电感L₃、电容C₃组成，其中元件参数值由式(1)至式(7)计算：

L₁＝Z_s(1/ω₁-1/ω₂) (1)

C₁＝1/[Z_s(ω₂-ω₁)] (2)

L₂＝Z_s/(ω₂-ω₁) (3)

C₂＝(1/ω₁-1/ω₂)/Z_s (4)

L₃＝2L₂ (5)

C₃＝C₂/2 (6)

R＝2Z_s (7)

式(1)至式(7)中，ω₁、ω₂分别是低频工作频带和高频工作频带中心频率对应的角频率值，Z_s是功分器端口阻抗。

2.如权利要求1所述的一种带有隔离阻带的+/-45°相移双频带通响应集总元件功分器，其特征在于，在所述电路结构内可以插入电长度为整数倍波长的传输线结构。

3.如权利要求1所述的一种带有隔离阻带的+/-45°相移双频带通响应集总元件功分器，其特征在于，所述电容、电感、电阻采用引线直插或者贴片封装，或所述电容、电感采用高/低阻抗传输线所等效的等值电容、电感。

4.如权利要求1所述的一种带有隔离阻带的+/-45°相移双频带通响应集总元件功分器，其特征在于，所述电路结构采用的电路工艺采用PCB电路工艺实现，或采用单片微波集成电路、薄膜印刷电路、厚膜印刷电路，或采用低温共烧陶瓷工艺实现。

5.一种如权利要求1所述的带有隔离阻带的+/-45°相移双频带通响应集总元件功分器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

搭建如权利要求1所述的电路结构，电路结构中元件参数值由式(1)至式(7)计算：

L₁＝Z_s(1/ω₁-1/ω₂) (1)

C₁＝1/[Z_s(ω₂-ω₁)] (2)

L₂＝Z_s/(ω₂-ω₁) (3)

C₂＝(1/ω₁-1/ω₂)/Z_s (4)

L₃＝2L₂ (5)

C₃＝C₂/2 (6)

R＝2Z_s (7)

式(1)至式(7)中，ω₁、ω₂分别是低频工作频带和高频工作频带中心频率对应的角频率值，Z_s是功分器端口阻抗。

6.一种带有隔离阻带的+/-45°相移双频带通响应集总元件功分器，双频带通响应集总元件功分器的信号输入端口与信号输出端口一或信号输出端口二的相位差为±45°，信号输出端口一和信号输出端口二采用对称结构，具有相等的幅度和相位，并且相互隔离，其特征在于，所述双频带通响应集总元件功分器的电路结构由信号输入端口串联到地的电感L₂和电容C₂、信号输入端口分别到信号输出端口一和信号输出端口二的并联的电感L₁和电容C₁以及信号输出端口一和信号输出端口二之间的串联的隔离电阻R、电感L₃及电容C₃组成，其中元件参数值由式(1)至式(4)及式(8)至式(10)计算：

L₁＝Z_s(1/ω₁-1/ω₂) (1)

C₁＝1/[Z_s(ω₂-ω₁)] (2)

L₂＝Z_s/(ω₂-ω₁) (3)

C₂＝(1/ω₁-1/ω₂)/Z_s (4)

L₃＝L₂ (8)

C₃＝C₂ (9)

R＝Z_s (10)

式(1)至式(4)及式(8)至式(10)中，ω₁、ω₂分别是低频工作频带和高频工作频带中心频率对应的角频率值，Z_s是功分器端口阻抗。

7.如权利要求6所述的一种带有隔离阻带的+/-45°相移双频带通响应集总元件功分器，其特征在于，在所述电路结构内可以插入电长度为整数倍波长的传输线结构。

8.如权利要求6所述的一种带有隔离阻带的+/-45°相移双频带通响应集总元件功分器，其特征在于，所述电容、电感、电阻采用引线直插或者贴片封装，或所述电容、电感采用高/低阻抗传输线所等效的等值电容、电感。

9.如权利要求6所述的一种带有隔离阻带的+/-45°相移双频带通响应集总元件功分器，其特征在于，所述电路结构采用的电路工艺采用PCB电路工艺实现，或采用单片微波集成电路、薄膜印刷电路、厚膜印刷电路，或采用低温共烧陶瓷工艺实现。

10.一种如权利要求6所述的带有隔离阻带的+/-45°相移双频带通响应集总元件功分器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

搭建如权利要求6所述的电路结构，电路结构中元件参数值由式(1)至式(4)及式(8)至式(10)计算：

L₁＝Z_s(1/ω₁-1/ω₂) (1)

C₁＝1/[Z_s(ω₂-ω₁)] (2)

L₂＝Z_s/(ω₂-ω₁) (3)

C₂＝(1/ω₁-1/ω₂)/Z_s (4)

L₃＝L₂ (8)

C₃＝C₂ (9)

R＝Z_s (10)

式(1)至式(4)及式(8)至式(10)中，ω₁、ω₂分别是低频工作频带和高频工作频带中心频率对应的角频率值，Z_S是功分器端口阻抗。

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