CN205303641U - 一种双频等分威尔金森功分器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种双频等分威尔金森功分器，一种双频等分威尔金森功分器，包括分别连接有负载的第一端口、第二端口和第三端口，第一段传输线网络，第二段传输线网络，以及RLC并联谐振网络；第一段传输线网络由第一传输线和第二传输线组成，第二段传输线网络由第三传输线和第四传输线组成；该电路结构不仅实现了较大程度减小功分器的体积和实现精确的双频操作，而且增加了系统的可重复利用率，通过调整RLC并联谐振网络的电感和电容，可以使同一个结构用于多种频率组合的情况。

Description

一种双频等分威尔金森功分器

技术领域

本实用新型涉及一种功率分配器，尤其涉及一种威尔金森功率分配器。

背景技术

功率分配器(简称功分器)在微波和射频领域有着非常广泛的应用，主要用于实现功率按比例分配或合成。通过将两个功率放大器的输出功率合成成单端输出，极大程度上缓解了单个功率放大器在输出相同功率时因功耗大而产生的热稳定性的问题。由于传统的威尔金森功分器只适用于特定的基波频率及其奇数谐波，不适用于现代通信系统多频多模方面的应用，所以研究任意频率比的双频功分器具有重要的实际意义。

到目前为止，已经报道了多种实现双频威尔金森功分器的技术方案。如I.Lin等人在文献中(I.Lin,M.Vincentis,etal.Arbitrarydual-bandcomponentsusingcompositeright/left-handtransmissionlines[J].IEEETrans.Microw.TheoryTech.,Apr.2004,52(4):1142-1149.)通过采用独殊的电路结构和材料实现双频功分器，不过，这种方法对于微波集成电路来说过于复杂，且不容易集成。

在中国专利201220433173.9中，采用阶梯阻抗谐振器实现双频阻抗变换的功能，不过这种方法需要相邻传输线间有着较好的耦合系数，在一定程度上增加了设计的复杂度。

另外，在中国专利201010213812.6中，采用两节传输线实现阻抗变换，并通过在分别在两输出端口并联一段开路微带线提高隔离度，不过这种方法额外增加了功分器的体积。

实用新型内容

现有的双频威尔金森设计方法上，要么依赖特殊板质材料，要么采用传统方式的微带线结构，从而使所设计的功分器体积过于庞大，不适合于现代通信系统的要求。

本实用新型采用两节不同特性阻抗的传输线，并结合RLC并联谐振网络，提供一种结构简单，同时可以在任意频率比的两个频率下实现精确的阻抗变换的双频等分威尔金森功分器电路结构。其通过以下技术方案实现：

一种双频等分威尔金森功分器，包括分别连接有负载的第一端口、第二端口和第三端口，第一段传输线网络101，第二段传输线网络102，以及RLC并联谐振网络103；

所述第一段传输线网络101由两段特性阻抗相同的第一传输线104和第二传输线105组成，且第一端口连接于第一传输线104和第二传输线105的连接处；所述第二段传输线网络102由两段特性阻抗相同的第三传输线106和第四传输线107组成，且第一传输线104的另一端与第三传输线106相连，第二传输线105的另一端与第四传输线107相连，第四传输线107的另外一端与第二端口相连，第三传输线106的另外一端与第三端口相连；

所述RLC并联谐振网络103由电阻、电容和电感并联组成二端口网络，所述RLC并联谐振网络的其中一端与第二端口相连，另外一端与第三端口相连。所述的RLC并联谐振网络103包括各种形式的电阻、电容和电感的并联组合方式或其等效方式，RCL并联谐振网络103中的电容和电感可以使用开路传输线或短路传输线代替。

进一步，所述第一端口、第二端口和第三端口的负载电阻值相同；所述的第一端口在第二端口和第三端口接负载时，输入阻抗值与负载电阻值相同；所述的第二端口在第一端口和第三端口接负载时，输入阻抗值与负载电阻值相同；所述的第三端口在第一端口和第二端口接负载时，输入阻抗值与负载电阻值相同；

进一步，所述第一传输线104和第二传输线105的长度相同，所述第三传输线106和第四传输线107的长度相同；

进一步，为了消除传输线直角的电容效应，传输线拐角处为切角处理。

本实用新型还提供了一种所述双频等分威尔金森功分器的电路参数设计方法；其包括以下步骤：

步骤A：选择和确定PCB板材，确定加载在所述第一端口、第二端口和第三端口的负载的电阻值以及所述功分器的任意两个工作频率点f₁、f₂(f₁≤f₂)，并记f₁＝Mf₂，M为所述两个工作频率点的频率比，第一段传输线网络101中的第一传输线104和第二传输线105的长度相等记为l_1，特性阻抗为Z₁；第二段传输线网络102中的第三传输线106和第四传输线107的长度相等记为l_2，特性阻抗为Z₂；根据所述频率比M计算第一段传输线网络101与第二段传输线网络102中传输线的最小长度比例因子；

步骤B：根据步骤A中第一端口、第二端口和第三端口所接的负载的电阻值，最小长度比例因子，以及所述两个工作频率点的相位常数(β₁,β₂)，分别计算第一段传输线网络101和第二段传输线网络102中的传输线的特性阻抗(Z₁，Z₂)、长度(l₁，l₂)，以及RLC并联谐振网络103中的电容Cx和电感Lx。

进一步，所述步骤A中，第一端口、第二端口和第三端口所接负载的电阻值相同，均为Z₀，以保证功率均等分配。

进一步，所述步骤A中，第一段传输线网络101中的传输线与第二段传输线网络102中传输线的最小长度比例因子为正整数n。

进一步，所述步骤B中，为了使所述功分器的物理尺寸最小，第一和第二传输线的长度l₁与第三和第四传输线的长度l₂相等且为：

$l_1=l_2=\frac{n\mathrm{\π}}{{\mathrm{\β}}_1+{\mathrm{\β}}_2}$

第一段传输线网络101和第二段传输线网络102的传输线特性阻抗(Z₁，Z₂)分别为：

$Z_1=\frac{Z_0{R}_L}{Z_2}$

$Z_2=\sqrt{\frac{Z_0}{2\mathrm{\α}}(R_L-Z_0)+\sqrt{{\[\frac{Z_0(R_L-Z_0)}{2\mathrm{\α}}\]}^2+R_L{Z_0}^3}}$

其中，R_L为所述RLC并联谐振网络103中的电阻，R_L＝2Z₀，α＝(tanβ₁l₁)²，

RLC并联谐振网络103中的电容值Cx和电感值Lx分别为：

$C_x=\frac{A/{\mathrm{\ω}}_2-B/{\mathrm{\ω}}_1}{2({\mathrm{\ω}}_1/{\mathrm{\ω}}_2-{\mathrm{\ω}}_2/{\mathrm{\ω}}_1)}$

$L_x=\frac{2({\mathrm{\ω}}_1/{\mathrm{\ω}}_2-{\mathrm{\ω}}_2/{\mathrm{\ω}}_1)}{{\mathrm{A\ω}}_2-{\mathrm{B\ω}}_1}$

其中，ω₁和ω₂分别为所述两个工作频率点的角频率，p＝tanβ₁l₁，

A＝(Z₂-Z₁p²)/[Z₂(Z₁+Z₂)p]，q＝tanβ₂l₂，B＝(Z₂-Z₁q²)/[Z₂(Z₁+Z₂)q]。

本实用新型的有益效果：该电路结构不仅实现了较大程度减小功分器的体积和实现精确的双频操作，而且增加了系统的可重复利用率，通过调整RLC并联谐振网络的电感和电容，可以使同一个结构用于多种频率组合的情况。

附图说明

图1为实施例的电路图；

图2为实施例的版图；

附图标记说明：101第一段传输线网络、102第二段传输线网络、103RLC并联谐振网络、104第一传输线、105第二传输线、106第三传输线、107第四传输线；

图中P1、P2、P3分别为第一端口、第二端口和第三端口。

具体实施方式

本实用新型的一个较佳实施例，如图1和图2所示的一种双频等分威尔金森功分器，包括分别连接有负载均为Z₀＝50Ω的第一端口P1、第二端口P2和第三端口P3，第一段传输线网络101，第二段传输线网络102，以及RLC并联谐振网络103；所述第一段传输线网络101由两段特性阻抗相同且长度相同的第一传输线104和第二传输线105组成，且第一端口P1连接于第一传输线104和第二传输线105的连接处；所述第二段传输线网络102由两段特性阻抗相同且长度相同的第三传输线106和第四传输线107组成，且第一传输线104的另一端与第三传输线106相连，第二传输线105的另一端与第四传输线107相连，第四传输线107的另外一端与第二端口P2相连，第三传输线106的另外一端与第三端口P3相连；传输线拐角处为切角处理，如图2中圈起的局部放大图所示；所述RLC并联谐振网络103由电阻、电容和电感并联组成二端口网络，所述RLC并联谐振网络的其中一端与第二端口P2相连，另外一端与第三端口P3相连。选用介电常数为4.61GHz，以及损耗角正切为0.011GHz的FR4板材，其中，板材厚度为0.8mm，铜箔厚度为1/1oz；工作频率为900MHz和1.8GHz的双频，n＝1，电长度Φ₁＝60°，Φ₂＝120°；用本实用新型技术方案的公式计算得L_x＝15.7nH，C_x＝1pF，Z1＝79.3Ω，Z2＝63Ω。

Claims (4)

1.一种双频等分威尔金森功分器，其特征在于：所述功分器包括分别连接有负载的第一端口、第二端口和第三端口，第一段传输线网络(101)，第二段传输线网络(102)，以及RLC并联谐振网络(103)；

所述第一段传输线网络(101)由两段特性阻抗相同的第一传输线(104)和第二传输线(105)组成，且第一端口连接于第一传输线(104)和第二传输线(105)的连接处；所述第二段传输线网络(102)由两段特性阻抗相同的第三传输线(106)和第四传输线(107)组成，且第一传输线(104)的另一端与第三传输线(106)相连，第二传输线(105)的另一端与第四传输线(107)相连，第四传输线(107)的另外一端与第二端口相连，第三传输线(106)的另外一端与第三端口相连；

所述RLC并联谐振网络(103)由电阻、电容和电感并联组成二端口网络，所述RLC并联谐振网络(103)的其中一端与第二端口相连，另外一端与第三端口相连。

2.根据权利要求1所述的双频等分威尔金森功分器，其特征在于：所述第一端口、第二端口和第三端口的负载电阻值相同。

3.根据权利要求2所述的双频等分威尔金森功分器，其特征在于：所述第一传输线(104)和第二传输线(105)的长度相同，所述第三传输线(106)和第四传输线(107)的长度相同。

4.根据权利要求1、2或3所述的双频等分威尔金森功分器，其特征在于：传输线拐角处为切角处理。