CN1202022A - 射频功率分配器 - Google Patents

Abstract

一种无线电发信机UHF频带高功率放大器中使用的RF功率分配器,包括:单一的输入端口;第一和第二输出端口;第一微带线;第一和第二线圈,第二微带线,第三微带线,第一电容器,一个电阻器,和第二电容器,本发明提供制成集中整数等效电路的形式,其中λ/4线由线圈形成,各电容器为集总元件而不是微带线。

Description

射频功率分配器

本发明涉及RF(射频)功率分配器，更具体地说，涉及一种用于无线电发信机UHF(超高频)频带高功率放大器中的威尔金森功率分配器。

随着各色各样无线电传呼服务的提供，维修管理工作已作为重大问题出现在服务提供单位的面前。特别是用来通过大气通道传送信号的无线电传呼发信机因无线电传呼机用户始终不断的增加而在数量上成比例地增加的情况下，上述情况更是如此。然而，服务提供单位不能因此而无限制地扩充无线电传呼机，更不用说扩充工作人员和辅助设施了。

这样，由于各种形式的信号是一次性快速传送而且无线电传呼发信机传播信号的距离越来越远，因而总希望无论用户的数量如何增加都能在现有工作人员和现有无线电传呼设备和辅助设施的情况下提供充分的服务。因此，迫切需要有一种能扩大信号传送范围的高功率放大器。

另一方面，大多数高功率放大器是通过组合使用多个并联连接的放大装置放大无线电信号提高功率输出的，而这些组合在输出上并不是没有限制的。分配或组合无线电信号的装置叫做RF功率分配器或功率合成器。RF功率分配器可分为T形连接功率分配器、威尔金森功率分配器和正交混合功率分配器三类。这三类是按其特性选用的。

这些RF功率分配器用于象上述无线电传呼发信机之类的无线电发信机。在这些RF功率分配器中，威尔金森功率分配器广泛用在UHF频带无线电发信机中，其在传输线路方面的基本组成如图1中所示。图1举例示出了等分配比威尔金森功率分配器，供将输入信号分成两个相等的输出信号。这里，输出信号与输入信号同相，但比输入信号小3分贝。

图1的威尔金森功率分配器通常是制成如图2所示的形式：在一个衬底上具相应阻抗的一些微带线或同轴线。图2的RF功率分配器的输入端口只有一个，即IP1，输出端口有两个，即第一输出端OP1和第二输出端口OP2。微带线10耦合到输入端口IP1，两个微带线18和12串联耦合在微带线10的输出端与第二输出端口OP2之间。假设系统阻抗为Z₀，微带线10，12和14各自的阻抗为Z₀，如图1中所示，微带线18和20起四分之一波长(λ/4)线的作用，其阻抗分别为 此外，并联电阻器16耦合在微带线18和12的接触点与微带线20和14的接触点之间。电阻器16的电阻为2Z₀，如图1中所示。

λ/4线如上所述制成微带线时，各分配线的长度相当于功率分配频带的λ/4。就是说，微带线18和20长度为频带的λ/4，因而若频带为UHF频带则变得非常大。举例说，325兆赫的λ/4传输线路长约23厘米。

因此，当λ/4线采用微带线或同轴线时，RF功率分配器占用了一定放大器范围很大的一部分，从而使其余放大电路在空间上受限制。此外，λ/4传输线路，其长度按所使用的频带确定，对处理诸如频率变化之类外部条件的变化是无能为力的。因此，为得出所要求的电气性能，应根据变化的条件重新构制RF功率分配器。

RF功率分配器的另一个问题是分配器输出信号的测定。为测定输出信号，测量仪器的测定端应直接接输入和输出端口。按惯例，测定端是直接焊接到输入和输出端口的。

因此，本发明的目的是提供一种较小的RF功率分配器。

本发明的另一个目的是提供一种性能能根据外部条件的变化调节改变的RF功率分配器。

本发明还有另一个目的，即提供一种便于测定自身的输出信号的RF功率分配器。

为达到上述和其它目的，本发明提供了一种用于无线电发信机的UHF频带高功率放大器中的RF功率分配器。本发明的RF功率分配器包括：单一的输入端口；第一和第二输出端口；第一微带线，耦合到输入端口；第一和第二线圈，并联耦合到一微带线的输出端；第二微带线，耦合在第二线圈的输出端与第二输出端口之间；第一电容器，耦合在地与第一微带线和第一和第二线圈的接触点之间；一个电阻器，耦合在第一线圈和第二微带线的接触点与第二线圈和第三微带线的接触点之间；和第二电容器，并联耦合到电阻器上。这样就提供了制成集中整数等效电路的威尔金森功率分配器，其中λ/4线由一些线圈构成，各电容器不是微带线而是集总元件。

参看附图详细说明本发明的最佳实施例可以更清楚地理解本发明的上述目的和优点。附图中：

图1是按传输线路绘制的一般威尔金森功率分配器线路图；

图2是图1采用微带线的威尔金森功率分配器的示意图；

图3A和3B是微带线的集中整数等效电路图；

图4是本发明一个实施例采用集总元件的RF功率分配器的示意图；

图5A和5B分别示出了图4线圈的侧视图和正视图；

图6是图4中所示的RF功率分配器经修改的示意图；

图7是用图6中所示的RF功率分配器的四输出端RF功率分配器的示意图；

图8示出了本发明一个实施例测量连接件的形式；

图9是图8所示测量连接件后表面上的丝质标记。

现在参看附图详细说明本发明例举的实施例。为全面理解本发明，这里对诸如电路结构、类型、形式、元部件数和例举值之类的细节都作了说明。但本技术领域的行家们都知道，没有这些细节照样也可以实施本发明的。此外，应该指出的是，各附图中同样的编号表示同样的元件。此外，那些可能使本发明变得模糊的周知功能或结构，这里就不详加说明了。

微带线可模拟成采用集总元件的集中整数等效电路的形式。就是说，如图3A中所示的单一微带线可模拟成如图3B中所示带单一线圈L1和两个电容器C1和C2的等效电路。这样，按照本发明的一个实施例，威尔金森功率分配器中的λ/4线由多个集总元件构成。

图4是本发明的一个实施例采用集总元件的RF功率分配器的示意图。这里，RF功率分配器是个λ/4传输线路采用集总元件(即线圈和电容器)的威尔金森功率分配器。图中与图2中相同的编号表示与图2中相同的元件。图4的RF功率分配器包括单一的输入端口IP1、第一输出端口OP1和第二输出端口OP2、以及耦合到输入端口IP1的微带线10。线圈22和微带线12串联耦合在微带线10的输出端与第一输出端口OP1之间。线圈24和微带线14串联耦合在微带线10的输出端与第二输出端口OP2之间。假设系统阻抗为Z₀，微带线10，12和14各自的阻抗为Z₀，如图1所示。并联电阻器16耦合在线圈22和微带线12的接触点与线圈24和微带线14的接触点之间。电阻器16的电阻为2Z₀，如图1中所示，此外，电容器26耦合在线圈22和微带线12的接触点与地之间。电容器28耦合在线圈24和微带线14的接触点与地之间。电容器30耦合在微带线12和电阻器16的接触点与地之间。电容器32耦合在微带线14和电阻器16的接触点与地之间。

图4中的线圈22和电容器26代替了图2的微带线18，线圈24和电容器28和32代替了图2的微带线20。线圈22和24的电感和电容器26，28，30，32的电容在实际应用中按下述方式确定。

假设图4所示RF功率分配器中使用的频率为322～328.6兆赫，其中心频率为325兆赫，系统阻抗Z₀为50欧。参看图3A和图3B。若图3A的微带线为λ/4传输线且其阻抗为Z₁，则图3A的线圈L1产生的电抗X和图3B的电容器C1和C2产生的电抗B可用下式求出：

X=Z₁Sinθ=ωL $B=\frac{1}{Z_1}\tan \frac{\mathrm{\θ}}{2}=\mathrm{\ωC}-----\left(1\right)$ 其中L为电感，c为电容。由于Z₁如图1中所示为

Z₀，且e为90

由于中心频率为325兆赫，因而(2)式可以电感L和电容C表示出来：

因此，若图4的RF功率分配器在325兆赫下使用，则线圈22和24的电感分别为34.63纳亨，电容器26，28，30和32的电容分别为6.93皮法。

线圈22和24如图5A和5B所示为空气心子线圈。图5A和5B分别示出了线圈22和24的侧视图和正视图。这里，假设线圈22和24的半径为v，绕制长度为l，绕制圈数为N，则电感L和绕制圈数N可计算如下： $L=\frac{{\mathrm{\γ}}^2{N}^2}{9\mathrm{\γ}+101}------\left(4\right)$ $N=\sqrt{\frac{L(9\mathrm{\γ}+101)}{{\mathrm{\γ}}^2}}$

另一方面，图4的RF功率分配器可以通过将电容器26和28合并为一个电容器、电容器30和32合并为另一个电容器改为图6的RF功率分配器。就是说，要将功率合成和分配的过程中产生的热量通过PCB(印刷电路板)散发到散热片上，可将电容器26和28合并为在PCB上的并联电容为2C的电容器34，将电容器30和32合并为在PCB上的串联电容为C的电容器36。电容器34耦合在微带线10和线圈22和24的接触点与地之间。电容器36与电阻器16并联耦合。

通常，用模拟工具模拟可以在各部分集成到PCB之前轻易地综观整个装置的全貌。用触石公司出品的模拟程序模拟图6所示的RF功率分配器可以估计测定结果。

在模拟中，空气心子线圈22和24的电感和电容器34和36的电容分别为32.6纳亨、10.42皮法和0.747皮法。另一方面，在应用实际陶瓷电容器时，电容器34和36的电容分别为10皮法和0.7皮法。此外，线圈22和24的电感可用(4)式求出，且应在测定之后用网络分析仪加以调整。因此，线圈22和24是通过在4毫米直径形成的杆上绕上三圈1.2毫米直径的漆包线制取的，在集成到PCB上之前用测量仪器调谐使其电感达32纳亨。

PCB的实际图形是用CAD(计算机辅助设计)即波形制造程序根据触石公司的模拟程序设计出来的。在本发明RF功率分配器中采用RF电路中广泛使用的介电常数ε₀为2.5的聚四氟乙烯衬底。此外，电容器34和36为ATC(美国技术陶瓷)公司出品的高Q值陶瓷电容器。

图7的RF功率分配器可通过连接多个图6中所示的RF功率分配器以增加分配信号的数量制取。图7是四输出端RF功率分配器的示意图，其中如图6所示的RF功率分配器耦合到图6另一RF功率分配器的各第一和第二输出端口OP1和OP2。因此，图7的四输出端RF功率分配器其输入端口OP1只有1个，输出端口OP1～OP4则有4个。图7的RF功率分配器可看成是由三个图6所示的RF功率分配器构成，其中一个分配器的元件也可包括另一个分配器的类似元件。三组RF功率分配器的组成分别如下：微带线38，40和42、电阻器52、线圈58和60、和电容器70和72；微带线40，44和46、电阻器54、线圈62和64、和电容器74和76；和微带线42、48和50、电阻器56、线圈66和68、和电容器78和80。这里，微带线40和42公用。

图7中，提供给输入端口IP1的信号输入分成四个信号，这四个信号是从输入信号衰减6分贝，与输入信号同相，且输出给第一至第四输出端口OP1～OP4。这里，信号在相应频带中的衰减和各输出端口之间的绝缘程度通过调节线圈58～68之间的间距确定。就是说，由于RF功率分配器诸如频率变化之类外部条件的影响，因而其电气性能可通过调节线圈58～68之间的间距加以补偿。因此，线圈58～68起可变调节点的作用从而使RF功率分配器可灵活适应外部条件的变化。RF功率分配器在相应频带下调节之后，分成的四个从原信号衰减6分贝且与原信号同相的信号变成下一级高功率放大器的输入信号。

另一方面，PCB上还集成有多个测量连接件以便将测量仪的各测定端分别连接到图6和图7的RF功率分配器以后的各位置：输入端口IP1和第一和第二输出端口OP1和OP2；和输入端口IP1，第一至第四输出端口OP1～OP4，和微带线40和42的各输出端。图8是这种测量连接件的放大视图。测量连接件82和84用来插入测量仪的测量端子。线86和88分别为前一级RF功率分配器的输出线和下一级RF功率分配器的输入线。因此，各信号的通路可通过将测量端子插入待连接至测量连接件82和84的测量连接器并在连接件84与线86之间或线86与88之间安置陶瓷电容器加以确定。就是说，信号可通过在连接件84与线86之间安置陶瓷电容器借助测量连接器衰减3分贝，同时位于线86与88之间的陶瓷电容器作为下一级功率分配器的输入通路连接。这样，从各输出端口出来的信号无需将各测量端子焊接到输入和输出端口就可以测量出来。

测量连接器焊接到PCB上时，PCB在连接器周围的表面会因焊锡滴到焊接面上而变得凹凸不平。这样，这个凹凸不平的表面会妨碍高功率放大器的散热片与衬底之间的紧密接触，从而达不到RF接地作用。为防止这一点，在PCB有测量连接件82和84的后焊接面上打上丝质标记90。丝标90在图9中呈圆形，防止焊锡在测量连接器焊接到PCB的过程中滴入焊接表面。在实际制造RF功率分配器时，丝标90被制成直径12毫米、厚1毫米的圆圈。这样，连接器周围的衬底就与高功率放大器的散热片紧密接触。

鉴于本发明的电气特性，信号在相应频率的二次和三次频带衰减20分贝，因而可以通过抑制无线电信号的二次和三次谐波频率提高信号波的质量。

综上所述，本发明RF功率分配器的好处是通过采用集总元件作为λ/4线可以有效利用放大器空间。此外，RF功率分配器的电气性能可以无需重新配置RF功率分配器而根据外部条件的变化加以改变调节，而且通过在衬底上配备测量连接器就可轻易测定出其输出信号。

本技术领域的行家们都不难理解，虽然上面是就例举的一些实施例详细说明本发明的，但在不脱离本发明的范围和精神实质的前提下是可以对上述实施例进行种种修改的。上述实施例中本发明应用的中心频率325兆赫可以用UHF频带内的任何频率代替。因此，所述频率的适当范围符合下面提出的权利要求书的要求。

Claims (17)

1.一种无线电发信机UHF频带高功率放大器中使用的RF功率分配器，其特征在于，它包括：

单一的输入端口；

第一和第二输出端口；

第一微带线，耦合到输出端口；

第二微带线，其一端耦合到第一输出端口；

第三微带线，其一端耦合到第二输出端口；

一个电阻器，耦在第二微带线的另一端与第三微带线的另一端之间；和

集中整数等效电路装置，耦合到所述第一、第二和第三微带线和所述电阻器上供分配输入的RF功率用。

2.如权利要求1所述的RF功率分配器，其特征在于，所述集中整数等效电路包括集总线圈和电容元件。

3.一种无线电发信机UHF频带高功率放大器的RF功率分配器，其特征在于，它包括：

单一的输入端口；

第一和第二输出端口；

第一微带线，耦合到输入端口；

第一和第二线圈，并联耦合到第一微带线的输出端；

第二微带线，耦合在第一线圈的输出端与第一输出端口之间；

第三微带线，耦合在第二线圈的输出端与第二输出端口之间；

第一电容器，耦合在地与第一微带线和第一和第二线圈的接触点之间；

一个电阻器，耦合在第一线圈和第二微带线的接触点之间；和

第二电容器，并联耦合到电阻器上。

4.如权利要求3所述的RF功率分配器，其特征在于，RF功率分配器耦合到各第一和第二输出端上。

5.如权利要求4所述的RF功率分配器，其特征在于，第一和第二线圈为空气心子线圈。

6.如权利要求3所述的RF功率分配器，其特征在于，第一和第二线圈为空气心子线圈。

7.如权利要求6所述的RF功率分配器，其特征在于，第一和第二线圈为根据外部条件的变化可改变的调节点。

8.如权利要求3所述的RF功率分配器，其特征在于，它还包括一个测量连接器供将测量仪的测量端子连接到各输入端口和第一和第二输出端口。

9.如权利要求8所述的RF功率分配器，其特征在于，测量连接器后面的焊接表面设有丝标。

10.如权利要求9所述的RF功率分配器，其特征在于，丝标是圆心在测量端子连接部分的一个圆圈。

11.如权利要求3所述的RF功率分配器，其特征在于，它还包括：

第三、第四、第五和第六输出端口；

第三和第四线圈，并联耦合到第一输出端口；

第四微带线，耦合在第三线圈的输出端与第三输出端口之间；

第五微带线，耦合在第四线圈的输出端与第四输出端口之间；

第三电容器，耦合在地与第二微带线和第三和第四线圈的接触点之间；

第二电阻器，耦合在第三线圈和第四微带线的接触点与第四线圈和第五微带线的接触点之间；

第四电容器，并联耦合到第二电阻器上；

第五和第六线圈，并联耦合到第二输出端口；

第六微带线，耦合在第五线圈的输出端与第五输出端口之间；

第七微带线，耦合在第六线圈的输出端与第六输出端口之间；

第五电容器，耦合在地与第三微带线和第五和第六线圈的接触点之间；

第三电阻器，耦合在第五线圈和第六微带线的接触点与第六线圈和第七微带线的接触点之间；和

第六电容器，并联耦合到第三电阻器。

12.一种无线电发信机UHF频带高功率放大器中使用的RF功率分配器，其特征在于，它包括：

单一的输入端口；

第一和第二输出端口；

第一微带线，耦合到输入端口；

第一和第二线圈，并联耦合到第一微带线的输出端；

第二微带线，耦合在第一线圈的输出端与第一输出端口之间；

第三微带线，耦合在第二线圈的输出端与第二输出端口之间；

第一电容器，耦合在地与第一线圈和第二微带线的接触点之间；

第二电容器，耦合在地与第二线圈和第三微带线的接触点之间；

一个电阻器，耦合在第一线圈和第二微带线的接触点与第二线圈和第三微带线的接触点之间；

第三电容器，耦合在地与第二微带线和电阻器的接触点之间；

第四电容器，耦合在地与第三微带线和电阻器的接触点之间。

13.如权利要求12所述的RF功率分配器，其特征在于，第一和第二线圈为空气心子线圈。

14.如权利要求13所述的RF功率分配器，其特征在于，第一和第二线圈为根据外部条件的变化可改变的调节点。

15.如权利要求12所述的RF功率分配器，其特征在于，第一和第二线圈为根据外部条件的变化可改变的调节点。

16.如权利要求12所述的RF功率分配器，其特征在于，它还包括一个测量连接器供将测量仪的测量端子连接到各输入端口和第一和第二输出端口。

17.如权利要求16所述的RF功率分配器，其特征在于，测量连接器后面的焊接表面上设有丝标。

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