CN116093572A - 基于变压器结构的宽带功分器及应用系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于变压器结构的宽带功分器及应用系统，宽带功分器包括在输入端设置的多个初级线圈、输出端设置的多个次级线圈以及多个隔离电阻，每个隔离电阻与任意两个次级线圈连接，多个初级线圈依次串联连接，初级线圈与对应的次级线圈形成一个耦合变压器；每个次级线圈的一端连接隔离电阻，另一端接地，宽带功分器应用系统中，功分器将高输入阻抗转换为低输出阻抗，使电路功能模块能工作在低输入和输出阻抗下，提高电路功能模块的非线性性能。低阻功率合成器将合成后的低阻功率信号进行阻抗变换，形成常用阻抗再输出。本发明结构简单，并且输出的信号相位与输入信号保持相同，具有宽带工作特性，减小了整体电路的占用空间。

Description

基于变压器结构的宽带功分器及应用系统

技术领域

本发明涉及宽带功分器技术领域，尤其涉及一种基于变压器结构的宽带功分器及应用系统。

背景技术

功分器(即功率分配器)是无线通信系统中重要的射频无源器件，其广泛运用在功率放大器和相控阵天线系统中，例如第五代(5G)通信系统的Massive MIMO架构及室内无线覆盖的信源功率分配等，其使用范围相当广泛。

以一分二功分器为例，其一般采用四分之一波长的传输线作为阻抗转换器(Impedance transformer)，并作为功分器的两路分支路径，以实现与输出、输入阻抗匹配的需求。同时，一般威尔金森(Wilkinson)功分器在两路分支路径上还设置有一电阻，以改善功分器的隔离度。然而，现有的Wilkinson功分器的频宽有限，因此应用较为局限。当被要求进行多路功率分配时，二功分器显然无法满足，因此需要进行多路分配，例如三功分器、四功分器等，其中三功分器多为电阻功分器，电阻功分器的最大缺陷是插入损耗比较大。对于更多路的功率分配需求，目前常常采用多个二功分器进行级联的形式扩展为四功分器。例如将3个二功分器级联实现四功分器，但是以现有技术的标准需要使用6个四分之一波长的传输线，且电路架构比较复杂，体积较大，损耗也较大。在申请号为“CN113659300A”的专利文献中，提出了一种通过三个变压器实现四功分器的方案，但是输出的四路阻抗中，有两路与另外两路的相位是相反的。因此在后续使用中还会涉及其他部件或电路结构对反向相位进行翻转，结构依然比较复杂。

综上所述，本申请提出了一种基于变压器结构的宽带功分器及应用系统，在现有的基础上简化电路结构，并能实现多路功分输出。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种基于变压器结构的宽带功分器及应用系统，采用简单结构实现电路的多种功率分配需求，并且输出的信号相位与输入信号保持相同，结构简单，减小了整体电路的占用空间。

为了实现上述目的，本发明提出了一种基于变压器结构的宽带功分器，包括根据功率分配需要在输入端设置的多个初级线圈、输出端设置的多个次级线圈以及多个隔离电阻，所述每个隔离电阻与任意两个次级线圈连接，

多个所述初级线圈依次串联连接，每个所述初级线圈与对应的次级线圈耦合形成一个耦合变压器；每个次级线圈的一端连接隔离电阻，另一端接地。

可选的，当功率分配比例为1：2时，宽带功分器为二功分器，包括一个输入端口和两个输出端口；所述初级线圈包括第一初级线圈和第二初级线圈；所述次级线圈包括第一次级线圈和第二次级线圈；第一初级线圈和第二初级线圈串联；第一次级线圈的一端和第二次级线圈的一端分别连接第一隔离电阻，另一端接地；第一隔离电阻的两端分别连接第一输出端口和第二输出端口；

所述第一初级线圈与第一次级线圈形成第一耦合变压器；第二初级线圈与第二次级线圈形成第二耦合变压器。

进一步优选的，所述二功分器的第一初级线圈与第一次级线圈的阻抗比为1：1，第二初级线圈与第二次级线圈的阻抗比为1：1时，每个输出端口分别为输入端口阻抗的一半。

可选的，所述二功分器的第一初级线圈与第一次级线圈的阻抗比为1：2，第二初级线圈与第二次级线圈的阻抗比为1：2时，每个输出端口与输入端口阻抗相等。

可选的，当功率分配比例为1：3时，宽带功分器为三功分器，还包括第三输出端口、第三初级线圈、第三次级线圈，第二隔离电阻、第三隔离电阻；所述第三初级线圈的两端分别与第一初级线圈、第二初级线圈连接；所述第三次级线圈与第三初级线圈耦合，形成第三耦合变压器；所述第三次级线圈一端接地，另一端连接第三输出端口及第二隔离电阻的一端、第三隔离电阻的一端；所述第二隔离电阻的另一端连接第二次级线圈和第一输出端口，所述第三隔离电阻的另一端连接第一次级线圈和第二输出端口。

进一步，每个所述隔离电阻的两端并联隔离电容。提高端口输出信号的隔离能力。

进一步优选的，每个初级线圈或次级线圈的一端分别并联一个频率扩展电容；所述频率扩展电容的一端连接每个初级线圈或次级线圈的一端，另一端连接该线圈的另一端。这个电容的作用是在集成电路中，与线圈的电感并联，从而提高线圈的等效阻抗，使低端工作频率范围得到扩展。

本发明还提供一种宽带功分器应用系统，包括高阻功率分配器、电路功能模块和低阻功率合成器；

所述高阻功率分配器用于将输入的高阻抗功率信号分解为低阻抗功率信号，并输出至电路功能模块；

所述电路功能模块利用低阻抗功率信号工作，并将工作结果信号输出；所述低阻功率合成器用于合成低功率信号并进行阻抗变换，形成常用阻抗再输出。

进一步优选的，所述电路功能模块为放大器。

本申请公开的基于变压器结构的宽带功分器及应用系统，相比于现有技术，至少具有以下优点：

1、采用简单结构实现电路的多种功率分配需求，并且输出的信号相位与输入信号保持相同，结构简单，减小了整体电路的占用空间。

2、采用本申请的宽带功分器应用系统，功分器对输入信号分解的同时使电路中的其它电路模块可以工作在低阻的工作状态下，从而使这些电路模块可以在低功耗的情况下，得到更好的非线性特性。

附图说明

图1为本发明基于变压器结构的宽带功分器的结构原理图。

图2为实施例1中宽带功分器的结构示意图。

图3为实施例2中宽带功分器的结构示意图。

图4为实施例3中宽带功分器的结构示意图。

图5为本发明中隔离电容的电路结构图。

图6为本发明一种宽带功分器应用系统的结构示意图。

图7为实施例4中宽带功分器应用系统的结构示意图。

具体实施方式

以下通过附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，本发明一方面实施例提供的一种基于变压器结构的宽带功分器，包括根据功率分配需要在输入端设置的多个初级线圈、输出端设置的多个次级线圈以及多个隔离电阻，所述每个隔离电阻与任意两个次级线圈连接，

多个所述初级线圈依次串联连接，每个所述初级线圈与对应的次级线圈耦合形成一个耦合变压器；每个次级线圈的一端连接隔离电阻，另一端接地。

实施例1，如图2所示，可选的，当功率分配比例为1：2时，宽带功分器为二功分器，包括一个输入端口P1和两个输出端口P2和P3；所述初级线圈包括第一初级线圈L2和第二初级线圈L3；所述次级线圈包括第一次级线圈L1和第二次级线圈L4；第一初级线圈L2和第二初级线圈L3串联；第一次级线圈L1的一端和第二次级线圈L4的一端分别连接第一隔离电阻R1，另一端接地；第一隔离电阻R1的两端分别连接第一输出端口P2和第二输出端口P3；

所述第一初级线圈L2与第一次级线圈L1形成第一耦合变压器；第二初级线圈L3与第二次级线圈L4形成第二耦合变压器。

进一步优选的，二功分器的第一初级线圈与第一次级线圈的阻抗比K2为1：1，第二初级线圈与第二次级线圈的阻抗比K1为1：1时，每个输出端口分别为输入端口阻抗的一半。即输入信号被L3与L2分压，L4和L1分别得到与L3和L2相同的电压。当L3＝L4，L2＝L1时，P2和P3各自得到P1输入功率的一半。R为隔离电阻，当P1为50欧姆时，P2和P3的阻抗为25欧姆，R＝50欧姆。

可选的，所述二功分器的第一初级线圈与第一次级线圈的阻抗比为1：2，第二初级线圈与第二次级线圈的阻抗比为1：2时，每个输出端口与输入端口阻抗相等。如果变压器的电感值比例为1：2，可以实现P1，P2和P3阻抗都相同的性能。如果是在50欧姆的系统中，端口阻抗就都是50欧姆，而R＝100欧姆。

如图3所示，初级线圈和次级线圈的耦合还可以为反向耦合的情况。在集成电路中，考虑到寄生参数的影响，反向耦合的结构可以实现更大的带宽。

进一步，每个初级线圈或次级线圈的一端分别并联一个频率扩展电容C1，C2，C3，C4；所述频率扩展电容的一端连接每个初级线圈或次级线圈的一端，另一端连接该线圈的另一端。这个电容的作用是在集成电路中，与线圈的电感并联，从而提高线圈的等效阻抗，使低端工作频率范围得到扩展。

图3中，C1，C2，C3，C4是为了拓展功分器的低频工作频段。由于集成电路中，电感的尺寸不可能太大，导致L1-L4的电感值比较小，低频情况下，变压器由于励磁电感较小导致不能有效传输信号，使用电容并联的方法可以拓展功分器的频率范围。

如图4所示，可选的，当功率分配比例为1：3时，宽带功分器为三功分器，还包括第三输出端口P4、第三初级线圈L5、第三次级线圈L6，第二隔离电阻R2、第三隔离电阻R3；所述第三初级线圈L5的两端分别与第一初级线圈L2、第二初级线圈L3连接；所述第三次级线圈L6一端接地，另一端连接第三输出端口P4。第三次级线圈L6与第三初级线圈L5耦合，形成第三耦合变压器；第二隔离电阻R2的一端，连接第三次级线圈L6和第三输出端口P4，另一端连接第二次级线圈L4和第一输出端口P2，所述第三隔离电阻R3的一端同样连接第三次级线圈L6和第三输出端口P4。另一端连接第一次级线圈L1和第二输出端口P3，

图中左侧是功率合成端，右边是功率分解端。当变压器的电感值比例均为1：1时，右边三个端口的阻抗为左边端口阻抗的三分之一。同理，1：4的功分器也可以这样实现。

如图5所示，每个所述隔离电阻的两端并联隔离电容。提高端口输出信号的隔离能力。

如图6所示，本发明还提供一种宽带功分器应用系统，包括高阻功率分配器、电路功能模块和低阻功率合成器；

所述高阻功率分配器用于将输入的高阻抗功率信号分解为低阻抗功率信号，并输出至电路功能模块；

所述电路功能模块利用低阻抗功率信号工作，并将工作结果信号输出；所述低阻功率合成器用于合成低功率信号并进行阻抗变换，形成常用阻抗再输出。

进一步优选的，所述电路功能模块为放大器。功分器对输入信号分解的同时使电路中的其它电路模块可以工作在低阻的工作状态下，从而使这些电路模块可以在低功耗的情况下，得到更好的非线性特性。然后再将电路模块的输出合成，通过第二个功分器，将阻抗变换至常用的阻抗(通常为50欧姆)。

图中7中的电路模块为放大器。功分器对输入信号分解的同时使电路中的放大器可以工作在低阻的工作状态下，从而使它们在低功耗的情况下，得到更好的非线性特性。然后再将电路模块的输出合成，通过第二个功分器，将阻抗变换至常用的阻抗(通常为50欧姆)。

显然，上述实施例仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种基于变压器结构的宽带功分器，其特征在于，包括根据功率分配需要在输入端设置的多个初级线圈、输出端设置的多个次级线圈以及多个隔离电阻，所述每个隔离电阻与任意两个次级线圈连接，

多个所述初级线圈依次串联连接，每个所述初级线圈与对应的次级线圈耦合形成一个耦合变压器；每个次级线圈的一端连接隔离电阻，另一端接地。

2.根据权利要求1所述的基于变压器结构的宽带功分器，其特征在于，当功率分配比例为1：2时，宽带功分器为二功分器，包括一个输入端口和两个输出端口；所述初级线圈包括第一初级线圈和第二初级线圈；所述次级线圈包括第一次级线圈和第二次级线圈；第一初级线圈和第二初级线圈串联；第一次级线圈的一端和第二次级线圈的一端分别连接第一隔离电阻，另一端接地；第一隔离电阻的两端分别连接第一输出端口和第二输出端口；

所述第一初级线圈与第一次级线圈形成第一耦合变压器；第二初级线圈与第二次级线圈形成第二耦合变压器。

3.根据权利要求2所述的基于变压器结构的宽带功分器，其特征在于，所述二功分器的第一初级线圈与第一次级线圈的阻抗比为1：1，第二初级线圈与第二次级线圈的阻抗比为1：1时，每个输出端口分别为输入端口阻抗的一半。

4.根据权利要求2所述的基于变压器结构的宽带功分器，其特征在于，所述二功分器的第一初级线圈与第一次级线圈的阻抗比为1：2，第二初级线圈与第二次级线圈的阻抗比为1：2时，每个输出端口与输入端口阻抗相等。

5.根据权利要求2所述的基于变压器结构的宽带功分器，其特征在于，当功率分配比例为1：3时，宽带功分器为三功分器，还包括第三输出端口、第三初级线圈、第三次级线圈，第二隔离电阻、第三隔离电阻；所述第三初级线圈的两端分别与第一初级线圈、第二初级线圈连接；所述第三次级线圈与第三初级线圈耦合，形成第三耦合变压器；所述第三次级线圈一端接地，另一端连接第三输出端口及第二隔离电阻的一端、第三隔离电阻的一端；所述第二隔离电阻的另一端连接第二次级线圈和第一输出端口，所述第三隔离电阻的另一端连接第一次级线圈和第二输出端口。

6.根据权利要求1-5中任意一项所述的基于变压器结构的宽带功分器，其特征在于，每个所述隔离电阻的两端并联隔离电容。

7.根据权利要求1-5任意一项所述的基于变压器结构的宽带功分器，其特征在于，每个初级线圈或次级线圈的一端分别并联一个频率扩展电容；所述频率扩展电容的一端连接每个初级线圈或次级线圈的一端，另一端连接该线圈的另一端。

8.一种宽带功分器应用系统，其特征在于，包括高阻功率分配器、电路功能模块和低阻功率合成器；

所述高阻功率分配器用于将输入的高阻抗功率信号分解为低阻抗功率信号，并输出至电路功能模块；

所述电路功能模块利用低阻抗功率信号工作，并将工作结果信号输出；所述低阻功率合成器用于合成低功率信号并进行阻抗变换，形成常用阻抗再输出。

9.根据权利要求7所述的宽带功分器应用系统，其特征在于，所述电路功能模块为放大器。

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