CN202721250U

CN202721250U - 一种混合型功分器

Info

Publication number: CN202721250U
Application number: CN 201220183285
Authority: CN
Inventors: 官劲; 张立军; 孙征宇; 冷永清; 彭亚涛
Original assignee: Institute of Microelectronics of CAS
Current assignee: Institute of Microelectronics of CAS
Priority date: 2012-04-26
Filing date: 2012-04-26
Publication date: 2013-02-06
Anticipated expiration: 2022-04-26

Abstract

本实用新型公开了一种结合Wilkinson和Gysel型结构的混合型功分器，包括三端口、六个分支传输线、一个隔离电阻和两个接地负载电阻。本实用新型的混合型功分器结合Wilkinson和Gysel型功分器的特点，通过调节传输线特性阻抗和电阻阻值，可以方便的实现对功分器带宽和散热特性的折衷选择。根据实际应用需求设置合理的参数值，可以克服传统Gysel型功分器带宽窄的缺陷，同时保留了Gysel型传统功分器部分的散热能力，尤其适合微波系统中要求有一定带宽和功率散热能力的应用。本实用新型结构简单，传输线特性阻抗和电阻阻值动态可调范围大，既能方便取用标准电阻值又能兼顾微带线工艺对传输线特性阻抗的要求。

Description

一种混合型功分器

技术领域

本实用新型涉及一种结合Wilkinson和Gysel型结构的混合型功分器，属于无线通信技术领域。

背景技术

在微波通信、雷达系统的功率分配和馈电网络中，功分器被广泛使用。功分器有许多种类，其中Wilkinson型和Gysel型功分器是常见的两种结构。

传统的Wilkinson型功分器结构如图1，图1中Z₀为三个端口特性阻抗，分支线特性阻抗，R₀＝2Z₀为隔离电阻，各个传输线的电长度θ＝90°。Wilkinson型功分器具有低插损、高隔离度和合理的带宽等优点，然而在高功率应用中，Wilkinson型功分器由于隔离电阻跨接结构，失配造成的功率流失将损耗在隔离电阻上，然而在跨接结构的隔离电阻上不易加装散热装置，热量直接产生在模块内部，将严重影响模块电学特性。

Gysel型功分器克服了Wilkinson型功分器的低散热能力的缺点，其负载电阻可接出模块并接地，便于散热；同时，Gysel功分器还有监测输出端口功率失配度的能力。加装合适散热系统，Gysel型功分器可承受L波段上至10kW和S波段上至5kW的连续波(CW)功率。传统的Gysel型功分器结构如图2，图2中Z₀为三个端口特性阻抗，

Z₂＝Z₀，Z₃＝Z₀为三个分支线特性阻抗，R_L＝Z₀为接地负载电阻，传输线的电长度θ＝90°。传统Gysel型功分器能将1端口输入的功率从2、3端口等分输出，并能在工作频率下，实现三个端口良好的匹配以及两个输出端口间的相互隔离。

最近几年，国内外出现了有关提高Gysel功分器带宽的报道。O.Ban-Leong等在文献(O.Ban-Leong，W.Palei，and M.S.Leong，″Broad-banding technique for in-phase hybrid ring equal power divider，″ Microwave Theory and Techniques，IEEE Transactions on，vol.50，pp.1790-1794，2002.)中采用更改优化各分支线的阻抗和长度的方法可提高15％的带宽。H.Oraizi等在文献(H.Oraizi and A.R.Sharifi，″Optimum Design of a Wideband Two-Way Gysel Power Divider With Source to Load Impedance Matching，″Microwave Theory and Techniques，IEEE Transactions on，vol.57，pp.2238-2248，2009.和H.Oraizi and A.R.Sharifi，″Optimum Design of Asymmetrical Multisection Two-Way Power Dividers With Arbitrary Power Division and Impedance Matching，″Microwave Theory and Techniques，IEEE Transactions on，vol.59，pp.1478-1490，2011.)中，提出通过采用多节Gysel功分器的技术可调高32％的带宽，但是这种技术导致了功分器更大的面积。而且上述技术中缺乏最终的设计参数和方程，通常需要采用计算机优化的方法来得到最终参数。

实用新型内容

(一)要解决的技术问题

本实用新型针对Wilkinson型功分器不适合高功率应用，传统Gysel型功分器带宽窄，而已有宽带Gysel型功分器只能通过计算机优化设计的不足，提供一种结合Wilkinson和Gysel型结构的混合型功分器。

(二)技术方案

为达到上述目的，本实用新型提供了一种混合型功分器，该功分器包括负载阻值为Z₀的第一端口10，负载阻值为Z₀的第二端口11，负载阻值为Z₀的第三端口12，特性阻抗为Z₁的第一分支传输线1，特性阻抗为Z₂的第二分支传输线2，特性阻抗为Z₃的第三分支传输线3，特性阻抗为Z₁的第四分支传输线4，特性阻抗为Z₂的第五分支传输线5，特性阻抗为Z₃的第六分支传输线6，阻值为R_L的第一接地负载电阻7，阻值为R_L的第二接地负载电阻8，阻值为R₀的第一隔离电阻9，其中：

所述第一分支传输线1、第二分支传输线2、第三分支传输线3、第六分支传输线6、第五分支传输线5和第四分支传输线4依次首尾相连呈闭合的传输线路；

所述第一端口10连接于第一分支传输线1和第四分支传输线4的连接处；所述第二端口11连接于第一分支传输线1和第二分支传输线2的连接处；所述第三端口12连接于第四分支传输线4和第五分支传输线5的连接处；所述第一接地负载电阻7一端连接于第二分支传输线2和第三分支传输线3的连接处，另一端短路接地；所述第二接地负载电阻8一端连接于第五分支传输线5和第六分支传输线6的连接处，另一端短路接地；所述第一隔离电阻9一端连接于第一分支传输线1和第二分支传输线2的连接处，另一端连接于第四分支传输线4和第五分支传输线5的连接处。

上述方案中，所述第一至第六分支传输线具有相同的电长度，该电长度为θ。

上述方案中，在该功分器工作中心频率f₀处，各个传输线的电长度θ＝90°；当因功分器失配时，功分器的第一和第二两个接地负载电阻与第一隔离电阻9上所吸收的反射功率比例因子值：

k = \frac{P_{L}}{P_{0}} = \frac{R_{0}}{{2 R}_{L}}

其中P_L为第一和第二两个接地负载电阻总共吸收的反射功率，其中P₀为第一隔离电阻9吸收的反射功率。

上述方案中，所述各个分支传输线特性阻抗值、第一、二接地负载电阻值和第一隔离电阻值，是根据第一端口10、第二端口11和第三端口12所接负载的阻值Z₀，以及第一和第二两个接地负载电阻与第一隔离电阻9上所吸收的反射功率比例因子k得到的，具体包括：

b1：计算出第一、四分支传输线特性阻抗值Z₁，其值为：

Z_{1} = \sqrt{2} Z_{0};

b2：设定第三、六分支传输线特性阻抗值Z₃大小；为得到更大的带宽，设定第二、五分支传输线特性阻抗值Z₂，其值为：Z₂＝R_L；

b3：根据第一和第二两个接地负载电阻与第一隔离电阻9上所吸收的反射功率比例因子k，得到两个接地负载电阻的阻值R_L和第一隔离电阻9的阻值R₀，其值分别为：

R_{L} = \frac{Z_{0} (k + 1)}{k}

R₀＝2Z₀(k+1)。

(三)有益效果

本实用新型提供的混合功分器，通过结合Wilkinson和Gysel型功分器的特点，调节传输线特性阻抗和电阻阻值，可以方便的实现对功分器带宽和散热特性的折衷选择以适应不同设计需求。根据实际应用需求设置合理的参数值，可提高相对带宽到66％的同时依然保留Gysel型传统功分器一半的散热能力。在工作频率范围内实现三个端口的好的匹配，第二端口和第三端口的好的隔离，第一端口与第二、第三端口功率低损耗传输，同时结构简单紧凑。传输线特性阻抗和电阻阻值动态可调范围大，既能方便取用标准电阻值又能兼顾微带线工艺对传输线特性阻抗的要求，尤其适合微波要求带宽和高功率分配合成的应用。

附图说明

图1为传统Wilkinson型功分器的结构示意图；

图2为传统Gysel型功分器的结构示意图；

图3为依照本实用新型明实施例的混合型功分器的结构示意图；

图4为依照本实用新型明实施例的混合型功分器的1端口反射系数、23端口隔离度和12端口传输系数在不同R_L值情况下频谱特性。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。

图3是依照本实用新型明实施例的混合型功分器的结构示意图。该混合型功分器可直接印制在高频PCB印制板上，其传输线线长及线宽等根据使用频率及PCB板材的不同而不同。

参照图3，本实用新型提供的这种混合型功分器，包括负载阻值为Z₀的第一端口10，负载阻值为Z₀的第二端口11，负载阻值为Z₀的第三端口12，特性阻抗为Z₁的第一分支传输线1，特性阻抗为Z₂的第二分支传输线2，特性阻抗为Z₃的第三分支传输线3，特性阻抗为Z₁的第四分支传输线4，特性阻抗为Z₂的第五分支传输线5，特性阻抗为Z₃的第六分支传输线6，阻值为R_L的第一接地负载电阻7，阻值为R_L的第二接地负载电阻8，阻值为R₀的第一隔离电阻9，其中：所述第一分支传输线1、第二分支传输线2、第三分支传输线3、第六分支传输线6、第五分支传输线5和第四分支传输线4依次首尾相连呈闭合的传输线路；所述第一端口10连接于第一分支传输线1和第四分支传输线4的连接处；所述第二端口11连接于第一分支传输线1和第二分支传输线2的连接处；所述第三端口12连接于第四分支传输线4和第五分支传输线5的连接处；所述第一接地负载电阻7一端连接于第二分支传输线2和第三分支传输线3的连接处，另一端短路接地；所述第二接地负载电阻8一端连接于第五分支传输线5和第六分支传输线6的连接处，另一端短路接地；所述第一隔离电阻9一端连接于第一分支传输线1和第二分支传输线2的连接处，另一端连接于第四分支传输线4和第五分支传输线5的连接处。

所述第一至第六分支传输线具有相同的电长度，该电长度为θ。在该功分器工作中心频率f₀处，各个传输线的电长度θ＝90°；当因功分器失配时，功分器的第一和第二两个接地负载电阻与第一隔离电阻9上所吸收的反射功率比例因子值：

k = \frac{P_{L}}{P_{0}} = \frac{R_{0}}{{2 R}_{L}}

所述各个分支传输线特性阻抗值、第一、二接地负载电阻值和第一隔离电阻值，是根据第一端口10、第二端口11和第三端口12所接负载的阻值Z₀，以及第一和第二两个接地负载电阻与第一隔离电阻9上所吸收的反射功率比例因子k得到的，具体包括：

b1：计算出第一、四分支传输线特性阻抗值Z₁，其值为：

Z_{1} = \sqrt{2} Z_{0};

R_{L} = \frac{Z_{0} (k + 1)}{k}

R₀＝2Z₀(k+1)。

本实用新型实施例提供了一种混合型功分器，所用的工作点为1GHz，端口负载阻抗均为50Ω，功分器两个接地负载电阻与一个隔离电阻上所吸收的反射功率比例因子k＝1∶1，高频PCB板材是Taconic TLX-8，介电常数2.55，厚度0.787mm。设计具体执行步骤为：

a：设定所述混合型功分器第一端口、第二端口和第三端口所接负载的电阻值Z₀，在一般的微波系统中取Z₀＝50Ω。功分器中心频率f₀＝1GHz，在中心频率处，传输线的电长度θ＝90°。确定在当因功分器失配时，功分器两个接地负载电阻与一个隔离电阻上所吸收的反射功率比例因子：

k = \frac{P_{L}}{P_{0}} = \frac{R_{0}}{{2 R}_{L}} = \frac{1}{1}

其中P_L为两个接地负载电阻总共吸收的反射功率，其中P₀为隔离电阻吸收的反射功率。

b1：计算出第一、四分支传输线特性阻抗值Z₁，其值为：

Z_{1} = \sqrt{2} Z_{0} = 70.7 Ω

b2：根据实际情况，为得到更宽的带宽，设定第三、六分支传输线特性阻抗值Z₃，第二、五分支传输线特性阻抗值Z₂，其值为：

Z₃＝35Ω

Z₂＝R_L

b3：根据混合型功分器两个接地负载电阻与一个隔离电阻上所吸收的反射功率比例因子k＝1∶1，得到接地负载电阻阻值R_L和隔离电阻阻值R₀，其值为：

R_{L} = \frac{Z_{0} (k + 1)}{k} = 100 Ω = Z_{2}

R₀＝2Z₀(k+1)＝200Ω

c1：根据计算出的传输线阻抗值和相移值以及所用板材特性综合出实际传输线线宽和线长。

如图4所示，混合功分器的端口负载阻抗均为50Ω，第一端口反射系数为S11，第二、三端口的隔离度为S23，第一、二端口的传输系数S21在不同R_L值情况下频谱特性。

当设定在当因功分器失配时，功分器两个接地负载电阻与一个隔离电阻上所吸收的反射功率比例因子k＝1(即R₀＝200Ω，R_L＝100Ω)时，从660MHz到1340MHz的范围内(相对带宽66％)，第一端口反射系数S11和第二、三端口的隔离度为S23，均小于-15dB，有好的端口匹配和隔离特性。第一端口到第二端口的传输系数S21，均高于-3.3dB，有好的功率分配特性和低传输损耗特性。

当k→∞(即R_L＝50Ω，R₀→∞Ω)，这种混合型功分器即成为传统的Gysel功分器，具有高散热、带宽窄的特点；当k＝0(即R₀＝100Ω，R_L→∞Ω)，这种混合型功分器即成为传统的Wilkinson功分器，具有低散热、带宽宽的特点。k越大，混合型功分器的散热能力越强，而带宽则越窄；k越小，混合型功分器的散热能力越差，而带宽越宽。通过调节电阻阻值和传输线特性阻抗值，可以方便的实现对功分器带宽和散热特性的折衷选择以适应不同设计需求。根据实际应用需求设置合理的参数值，如R₀＝200Ω，R_L＝100Ω时，可提高相对带宽到66％的同时依然保留Gysel型传统功分器一半的散热能力。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种混合型功分器，其特征在于，该功分器包括负载阻值为Z₀的第一端口(10)，负载阻值为Z₀的第二端口(11)，负载阻值为Z₀的第三端口(12)，特性阻抗为Z₁的第一分支传输线(1)，特性阻抗为Z₂的第二分支传输线(2)，特性阻抗为Z₃的第三分支传输线(3)，特性阻抗为Z₁的第四分支传输线(4)，特性阻抗为Z₂的第五分支传输线(5)，特性阻抗为Z₃的第六分支传输线(6)，阻值为R_L的第一接地负载电阻(7)，阻值为R_L的第二接地负载电阻(8)，阻值为R₀的第一隔离电阻(9)，其中：

所述第一分支传输线(1)、第二分支传输线(2)、第三分支传输线(3)、第六分支传输线(6)、第五分支传输线(5)和第四分支传输线(4)依次首尾相连呈闭合的传输线路；

所述第一端口(10)连接于第一分支传输线(1)和第四分支传输线(4)的连接处；所述第二端口(11)连接于第一分支传输线(1)和第二分支传输线(2)的连接处；所述第三端口(12)连接于第四分支传输线(4)和第五分支传输线(5)的连接处；所述第一接地负载电阻(7)一端连接于第二分支传输线(2)和第三分支传输线(3)的连接处，另一端短路接地；所述第二接地负载电阻(8)一端连接于第五分支传输线(5)和第六分支传输线(6)的连接处，另一端短路接地；所述第一隔离电阻(9)一端连接于第一分支传输线(1)和第二分支传输线(2)的连接处，另一端连接于第四分支传输线(4)和第五分支传输线(5)的连接处。

2.根据权利要求1所述的混合型功分器，其特征在于，所述第一至第六分支传输线具有相同的电长度，该电长度为θ。

3.根据权利要求2所述的混合型功分器，其特征在于，在该功分器工作中心频率f₀处，各个传输线的电长度θ＝90°；当因功分器失配时，功分器的第一和第二两个接地负载电阻与第一隔离电阻(9)上所吸收的反射功率比例因子值：

其中P_L为第一和第二两个接地负载电阻总共吸收的反射功率，其中P₀ 为第一隔离电阻(9)吸收的反射功率。

4.根据权利要求1所述的混合型功分器，其特征在于，所述各个分支传输线特性阻抗值、第一、二接地负载电阻值和第一隔离电阻值，是根据第一端口(10)、第二端口(11)和第三端口(12)所接负载的阻值Z₀，以及第一和第二两个接地负载电阻与第一隔离电阻(9)上所吸收的反射功率比例因子k得到的，具体包括：

b1：计算出第一、四分支传输线特性阻抗值Z₁，其值为：

b3：根据第一和第二两个接地负载电阻与第一隔离电阻(9)上所吸收的反射功率比例因子k，得到两个接地负载电阻的阻值R_L和第一隔离电阻(9)的阻值R₀，其值分别为：

R₀＝2Z₀(k+1)。