CN112886175B - 一种集总元件不等功分器及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用最少集总元件组成的不等功分器拓扑结构及其设计方法。该功分器仅由6个集总元件组成，是目前使用元件数量最少的不等功分器电路结构。该功分器的三个端口在中心频率处都具有良好的端口阻抗匹配性能，两个输出端口具有良好的隔离特性，以及超过10％的工作带宽。这些优异特性彰显该不等功分器将在诸多领域具有明显的应用前景。

Description

一种集总元件不等功分器及设计方法

技术领域

本发明涉及一种小型化不等功率分配/合成器的集总元件电路拓扑结构及设计方法，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。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。亦可以按照两个端口的功率分配比的大小，分为(3dB)等功分器和不等功分器。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一。标准的3dB等功分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Z_s的

倍。

要实现不等功分功能，不仅两根传输线的特性阻抗以及隔离电阻的阻值要根据功分比进行计算。在两个功分输出端口也必须各自额外增加一根四分之一波长阻抗变换器，以将其端口阻抗变换到50欧姆标准阻抗。其典型原理图可参见下图1a。如果直接采用传输线的T型或PI型等效集总元件电路替换传输线来实现集总元件不等功分器，所需的集总元件个数为4*3+1＝13个。图1b和图1c则给出了两种已经进行了结构优化的新型集总元件不等功分器，所需最少集总元件个数分别为10个和8个。

发明内容

本发明的目的是：减少集总元件不等功分器中使用的集总元件的个数。

为了达到上述目的，本发明的一个技术方案是提供了一种集总元件不等功分器，其特征在于，电路结构由输入端口并联到地的电容C₁，输入端口分别到输出端口一、输出端口二的电感L₁和电感L₃，输出端口一和输出端口二之间的隔离电阻R和电容C₂，以及隔离电阻R和电容C₂之间并联到地的电感L₂组成；

输入端口、输出端口一和输出端口二均具有端口阻抗匹配性能；输出端口一和输出端口二具有相等的非±90°相移，以及不相等的功率分配比，并且互相隔离。

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，视为与本发明具有完全的等效性。

优选地，所述电容C₁、电容C₂采用引线直插或者贴片封装的电容，或者采用高/低阻抗传输线所等效的等值电容；

所述电感L₁、电感L₂、电感L₃采用引线直插或者贴片封装的电感，或者采用高/低阻抗传输线所等效的等值电感；

所述隔离电阻R采用引线直插或者贴片封装的电阻。

优选地，所述电路结构所采用的电路工艺是采用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、低温共烧陶瓷等工艺实现。

本发明的另一个技术方案是提供了一种上述的集总元件不等功分器的设计方法，其特征在于，上述的集总元件不等功分器中所述电容C₁、所述电容C₂、所述电感L₁、所述电感L₂、所述电感L₃、所述隔离电阻R的参数值则由下式(1)-(6)计算：

L₁＝Z_s/ω₀ (1)

L₂＝kL₁/(k-1) (2)

L₃＝L₁/k (3)

C₁＝C₂＝1/(Z_sω₀) (4)

R＝Z_s (5)

θ＝tan^-1(1-1/k) (6)

式(1)至式(6)中，Z_s是端口阻抗，ω₀是中心工作频率对应的角频率值，k²(>1)是输出端口一、输出端口二的功率分配比，θ是输入端口与输出端口一或输出端口二之间的相移。

本发明提出了一种与威尔金森功分器具有类似的性能的集总元件不等功分器。在中心工作频率处，该功分器的三个端口都具有良好的端口阻抗匹配，输出端口二和端口三具有相同的相位并且相互隔离。经过分析和计算，该不等功分器的输出端口与输入端口的相位差并非90°，这一点显示了这种不等功分器与经典威尔金森功分器在工作原理上的显著不同。而本发明所需集总元件的总数仅为6个，是目前所知具有最为简单拓扑结构的集总元件不等功分器。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、采用本发明提出的不等功分器，仅需6个元器件，比已知集各种总元件威尔金森不等功分器电路少使用2-5个，是目前已知所需元件个数最少的集总元件不等功分器电路结构；

2、采用本发明提出的不等功分器拓扑结构，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相位和设定的功率分配比，并且互相隔离。但其相移并非是经典的±90°；

3、从计算公式(4)和(5)可以看到，本发明所提功分器的电路形式所需的两个电容都具有相同的参数值；并且，电感L₁和两个C₁、C₂的元件值都仅仅是工作频率的函数，而不随功分分配比发生变化；而隔离电阻则是一个不随功率比的不同而发生变化的固定值，这些优良特性都非常适合电子工业化生产。

附图说明

图1a至图1c为经典传输线和集总元件威尔金森不等功分器原理框图，其中，图1a为传输线威尔金森不等功分器，图1b为具有反相功能集总元件威尔金森不等功分器结构原理图，图1c为一种改进型的集总元件不等功分器结构原理图；

图2为最简集总元件不等功分器的原理框图；

图3为中心工作频率1.0GHz的集总元件不等功分器的散射参数。

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。

本发明公开的一种小型化功分器电路。其基本结构形式可如图2所示。在中心工作频率处，本发明提出的集总元件不等功分器三个端口都具有良好的端口阻抗匹配；两路输出端口，输出端口2和输出端口3，具有相同的相移和设计指定的功率分配比，并且互相隔离。该功分器的电路结构由输入端口1并联到地的电容C₁，输入端口1分别到输出端口2、输出端口3的电感L₁和L₃，输出端口2和输出端口3之间的隔离电阻R和电容C₂，以及隔离电阻R和电容C₂之间并联到地的电感L₂组成。

元件参数值则由下式(1)-(6)计算：

L₁＝Z_s/ω₀ (1)

L₂＝kL₁/(k-1) (2)

L₃＝L₁/k (3)

C₁＝C₂＝1/(Z_sω₀) (4)

R＝Z_s (5)

θ＝tan^-1(1-1/k) (6)

式(1)至式(6)中，Z_s是端口阻抗，ω₀是中心工作频率对应的角频率值，k²(>1)是输出端口2、输出端口3的功率分配比，θ是输入端口1与输出端口2或输出端口3之间的相移。

从不等功分器典型电路可以看出，该电路由2个电容，3个电感和一个隔离电阻，共6个元件。从公式(4)可以看到，采用该电路形式的功分器所需的两个电容具有相同的参数值。并且，电感L₁和两个电容C₁、C₂的元件值都仅仅是工作频率的函数，而不随功分分配比发生变化。此外，无论功分分配比如何，所需隔离电阻值都不会发生变化(经典威尔金森不等功分器的隔离电阻值随着功分分配比的不同而改变)。

根据公式(1)至(4)或者公式(5)至公式(6)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。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。在本发明提出的不等功分器中，由于两个的幅度特性并非同步变化，以两路功率分配比与设计值偏差小于0.5dB范围作为工作带宽。以下文中的给出的中心频率为1GHz的功分器设计结果为例，其百分工作带宽为12％。

此外，虽然本专利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。

以中心工作频率为1GHz，端口阻抗为50欧姆不等功分器(功率比值为1:4)作为设计目标，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。本发明提出的集总元件不等功分器的具体元件参数值可如下表1所示，图3则给出了这种功分器的微波特性(散射参数)。从图3可以看出，在中心工作频率出本发明提出的集总元件不等功分器具有非常好的端口阻抗匹配性能和功分端口隔离特性，其百分工作带宽约为12％。

表1中心工作频率1GHz的集总元件不等功分器参数值

元件	C<sub>1</sub>＝C<sub>2</sub>(pF)	L<sub>1</sub>(nH)	L2(nH)	L<sub>3</sub>(nH)	R(Ω)
						参数值	3.20	8.0	15.9	4.0	50

Claims (5)

1.一种集总元件不等功分器，其特征在于，电路结构由输入端口并联到地的电容C₁，输入端口分别到输出端口一、输出端口二的电感L₁和电感L₃，输出端口一和输出端口二之间的串联的隔离电阻R和电容C₂，以及隔离电阻R和电容C₂之间并联到地的电感L₂组成；

输入端口、输出端口一和输出端口二均具有端口阻抗匹配性能；输出端口一和输出端口二具有相等的非±90°相移，以及不相等的功率分配比，并且互相隔离。

2.如权利要求1所述的一种集总元件不等功分器，其特征在于，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。

3.如权利要求1所述的一种集总元件不等功分器，其特征在于，所述电容C₁、电容C₂采用引线直插或者贴片封装的电容，或者采用高/低阻抗传输线所等效的等值电容；

所述电感L₁、电感L₂、电感L₃采用引线直插或者贴片封装的电感，或者采用高/低阻抗传输线所等效的等值电感；

所述隔离电阻R采用引线直插或者贴片封装的电阻。

4.如权利要求1所述的一种集总元件不等功分器，其特征在于，所述电路结构所采用的电路工艺是采用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、低温共烧陶瓷工艺实现。

5.一种如权利要求1所述的集总元件不等功分器的设计方法，其特征在于，如权利要求1所述的集总元件不等功分器中所述电容C₁、所述电容C₂、所述电感L₁、所述电感L₂、所述电感L₃、所述隔离电阻R的参数值则由下式(1)-(6)计算：

L₁＝Z_s/ω₀ (1)

L₂＝kL₁/(k-1) (2)

L₃＝L₁/k (3)

C₁＝C₂＝1/(Z_sω₀) (4)

R＝Z_s (5)

θ＝tan^-1(1-1/k) (6)

式(1)至式(6)中，Z_s是端口阻抗，ω₀是中心工作频率对应的角频率值，k²是输出端口一、输出端口二的功率分配比，其中，k²＞1，θ是输入端口与输出端口一或输出端口二之间的相移。

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