CN209881747U - 具有正交相位差切换功能的集总元件功分器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有正交相位差切换功能的集总元件功分器，设有一个信号输入端口、两个信号输出端口、两个电容、两个电感及一隔离电阻R，其特征在于，还设有端子p1至p8以及切换开关。在开关状态一，功分器具有低通特性，信号输入端口到两信号输出端口的传输相移为45°；在开关状态二，功分器具有高通特性，信号输入端口到两信号输出端口的传输相移为‑45°。本实用新型通过现有技术改进，获得的集总元件功分器可在45°和‑45°两种传输相位之间切换，提供具有正交相位差的小型化功分器。且电路结构规划合理，不仅保留了现有功分器的优点，并且在状态切换时，两个输出端口的端口阻抗匹配以及两个输出端口之间的隔离特性能够保持稳定。

Description

具有正交相位差切换功能的集总元件功分器

技术领域

本实用新型涉及一种能通过开关切换实现45°和-45°两种正交相位差的小型化等功率分配/合成器的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。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。从功分器的结构实现形式上则可分为波导型、同轴线型、带状线型及微带线型等。为了减小电路的整体尺寸，也出现采用集总参数设计的威尔金森功分器。具体的集总参数元件可以采用贴片封装电感、电容和电阻等商品化器件或者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的集总参数电路。公开号为CN109216852A的专利申请文献即提供了“一种具有45°相移的集总元件功分器”，具有更简化的电路结构设计，并具有更宽的工作带宽。

实用新型内容

本实用新型的技术目的是对现有技术做出改进，在现有技术的基础，设计具有45°和-45°传输相位的集总参数功分器结构，通过开关实现这两种结构之间切换，从而具备90°(正交)相位差控制功能。

为实现上述技术目的，本实用新型提供的技术方案为：

一种具有正交相位差切换功能的集总元件功分器，设有一个信号输入端口、两个信号输出端口、两个电容、两个电感及一隔离电阻R，其特征在于，还设有端子p1至p8以及切换开关；

端子p1与第一电感L1的一端连接，第一电感L1的另一端与第一信号输出端口的一端连接，所述第一信号输出端口的另一端接地；

端子p2与所述信号输入端口的一端连接，信号输入端口的另一端接地；

端子p7与第二信号输出端口的一端连接，第二信号输出端口的另一端接地；

端子p8接地；

端子p3与第一电容C1的一端连接，所述第一电容C1的另一端连接至第一电感L1与第一信号输出端口之间；

端子p4与隔离电阻R的一端连接，隔离电阻R的另一端连接至端子p7与第二信号输出端口之间；

端子p5与第二电感L2的一端连接，第二电感L2的另一端与端子p2连接；

端子p6与第二电容C2的一端连接，第二电容C2的另一端连接至第二电感L2与端子p2之间；

所述信号输入端口、第一信号输出端口和第二信号输出端口的阻抗值Z_S相等，第一电容C1和第二电容C2的电容值C相等，第一电感L1和第二电感L2的电感值L相等；

所述切换开关处于状态一时：p1端子与p2端子连接，p3端子与p4端子连接，p5端子与p7端子连接，p6端子与p8端子连接，信号输入端口与第一信号输出端口、第二信号输出端口的相位差均为45°；

所述切换开关处于状态二时：p1端子与p4端子连接，p2端子与p3端子连接，p5端子与p8端子连接，p6端子与p7端子连接，信号输入端口与第一信号输出端口、第二信号输出端口的相位差均为-45°。

在上述方案的基础上，进一步改进或优选的方案还包括：

所述切换开关优选采用四刀双掷开关。

功分器的优选相对带宽为41.3% 。

进一步的，所述功分器满足以下优选条件：

L=Z_S/ω₀；

C=1/(Z_Sω₀)；

R₀= Z_S；

其中，ω₀是功分器中心工作频率对应的角频率值，R₀是隔离电阻R的电阻值

作为优选参数，L=7.96nH，C=3.20pF，R₀=50Ω,Z_S=50Ω,中心工作频率为1GHz。

有益效果：

本实用新型通过对电路结构进行改进，获得的集总元件功分器可在45°和-45°两种传输相位之间切换，因而提供90°正交相位差变化。且电路结构规划合理，改进后的功分器仍具有已有45°相移集总元件功分器的优点：包括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的幅度和相位，并且互相隔离。功分器电路所需两个电容和两个电感具有相同的参数值，非常适合降低工业化生产成本等。同时，本实用新型功分器在两种不同相位状态切换时，两个输出端口的端口阻抗匹配以及两个输出端口之间的隔离特性保持稳定，完全没有发生变化，这种优良品质非常适合输出端口端接有源电路的工作情形。

附图说明

图1为本实用新型集总元件功分器状态一的电路结构示意图；

图2为本实用新型集总元件功分器状态二的电路结构示意图；

图3为信号输入端口到第一或第二信号输出端口传输系数幅度的坐标系示意图；

图4为信号输入端口到第一或第二信号输出端口传输系数相位的坐标系示意图；

图5为信号输入端口到第一或第二信号输出端口在状态一和状态二两种不同状态下传输系数相位差的坐标系示意图；

图6为信号输入端口反射系数幅度的坐标系示意图；

图7为第一或第二信号输出端口反射系数幅度的坐标系示意图；

图8为第一和第二信号输出端口之间隔离度幅度的坐标系示意图。

具体实施方式

为了进一步阐明本实用新型的技术方案和工作原理，下面结合附图与具体实施例对本实用新型做进一步的介绍。

如图1、图2所示，一种具有正交相位差切换功能的集总元件功分器，包括一信号输入端口、两个信号输出端口、两个电容、两个电感、一隔离电阻R以及一四刀双掷开关，集总元件功分器电路中设有p1至p8等八个接线端子，八个端子中对应的端子通过所述四刀双掷开关切换连接关系。

所述端子p1至p8中：

端子p1与第一电感L1的一端连接，第一电感L1的另一端与第一信号输出端口2的一端连接，所述第一信号输出端口2的另一端接地；

端子p2与所述信号输入端口1的一端连接，信号输入端口1的另一端接地；

端子p7与第二信号输出端口3的一端连接，第二信号输出端口3的另一端接地；

端子p8接地；

端子p3与第一电容C1的一端连接，所述第一电容C1的另一端连接至第一电感L1与第一信号输出端口2之间；

端子p4与隔离电阻R的一端连接，隔离电阻R的另一端连接至端子p7与第二信号输出端口3之间；

端子p5与第二电感L2的一端连接，第二电感L2的另一端与端子p2连接；

端子p6与第二电容C2的一端连接，第二电容C2的另一端连接至第二电感L2与端子p2之间；

所述信号输入端口1、第一信号输出端口2和第二信号输出端口3的阻抗值Z_S相等，第一电容C1和第二电容C2的电容值C相等，第一电感L1和第二电感L2的电感值L相等，且满足：

L=Z_S/ω₀；

C=1/(Z_Sω₀)；

R₀= Z_S；

上述公式中，ω₀是功分器中心工作频率（中心频率）对应的角频率值，R₀是隔离电阻R的电阻值。

所述四刀双掷开关处于状态一时：

p1端子与p2端子连接，p3端子与p4端子连接，p5端子与p7端子连接，p6端子与p8端子连接，信号输入端口1与第一信号输出端口2、第二信号输出端口3的相位差均为45°；

所述四刀双掷开关处于状态二时：

p1端子与p4端子连接，p2端子与p3端子连接，p5端子与p8端子连接，p6端子与p7端子连接，信号输入端口1与第一信号输出端口2、第二信号输出端口3的相位差均为-45°。

本实施示例以中心工作频率为1GHz，端口阻抗Z_S为50欧姆的等功分器做为设计目标，采用是德公司ADS软件做仿真验证。ADS软件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。

表1中心工作频率1GHz的功分器参数值

L(nH)	C(pF)	R<sub>0</sub>(Ω)
			7.96	3.20	50

图3至图8给出了表1限定的功分器在两种工作状态下的微波特性（散射参数）的比较。

从各个图可以看出，在两种不同的工作状态下该功分器都很好的实现了功分器功能，包括三个端口均具有良好端口阻抗匹配性能，信号输入端口1到两个信号输出端口2和3的等功率无损输出，以及两个信号输出端口2和3互相隔离。此外，在两种不同的开关状态下，两个信号输出端口2和3的端口阻抗匹配以及两个端口之间的隔离度曲线也完全相同。

不同的地方是：

在开关状态一，两个电感的一端共同连接在信号输入端口1，另一端分别到第一信号输出端口2和第二信号输出端口3上，一个电容由信号输入端口1并联到地,另一个电容和电阻则以串联形式连接在两个信号输出端口之间，功分器具有低通特性，信号输入端口1到第一信号输出端口2或第二信号输出端口3的传输相移为45°；

在开关状态二，电感与电容的位置发生调换,两个电容的一端共同连接在信号输入端口1，另一端分别到输出端口2和端口3，一个电感由输入端口1并联到地,另一个电感和电阻则以串联形式连接在两个输出端口2和3之间，功分器具有高通特性，信号输入端口1到第一信号输出端口2或第二信号输出端口3的传输相移为-45°。

根据理论分析和实际测量结果，在功分器的诸多散射参数中，一般以信号输入端口1的反射系数S₁₁最容易受频率影响。根据图3至图8可知，若以两种开关状态下信号输入端口1的回波损耗均≤15 dB的公共频段作为功分器的工作带宽，其相对工作带宽41.3%，在此带宽内，传输系数幅度起伏的理论值≤ 0.08 dBc, 两个信号输出端口2和3的回波损耗≤19.6 dB,隔离度≥19.1 dB. 两种状态下功分器传输相位差偏离90度的角度≤3.6°。

本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书、说明书及其等效物界定。以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，包括：本实施例提出的集总元件功分器基本结构形式如图1、图2所示，若在电路结构内插入电长度为整数倍波长的传输线结构，视为与本方案具有完全的等效性；本实施例所使用的集总元件既可以是引线直插或者贴片封装的电容、电感、电阻，也可以是采用高/低阻抗传输线所等效的等值电容、电感；本实施例所采用的电路工艺既可以是采用PCB电路工艺实现，也可以是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；关于四刀双掷开关，可以是单件，也可以是两个双刀双掷开关或四个单双掷开关的组合，其它产生相同实施效果的开关单件或组合，视为等同方案。

Claims (5)

1.一种具有正交相位差切换功能的集总元件功分器，设有一个信号输入端口、两个信号输出端口、两个电容、两个电感及一隔离电阻R，其特征在于，还设有端子p1至p8以及切换开关；

端子p1与第一电感L1的一端连接，第一电感L1的另一端与第一信号输出端口（2）的一端连接，所述第一信号输出端口（2）的另一端接地；

端子p2与所述信号输入端口（1）的一端连接，信号输入端口（1）的另一端接地；

端子p7与第二信号输出端口（3）的一端连接，第二信号输出端口（3）的另一端接地；

端子p8接地；

端子p3与第一电容C1的一端连接，所述第一电容C1的另一端连接至第一电感L1与第一信号输出端口（2）之间；

端子p4与隔离电阻R的一端连接，隔离电阻R的另一端连接至端子p7与第二信号输出端口（3）之间；

端子p5与第二电感L2的一端连接，第二电感L2的另一端与端子p2连接；

端子p6与第二电容C2的一端连接，第二电容C2的另一端连接至第二电感L2与端子p2之间；

所述信号输入端口（1）、第一信号输出端口（2）和第二信号输出端口（3）的阻抗值Z_S相等，第一电容C1和第二电容C2的电容值C相等，第一电感L1和第二电感L2的电感值L相等；

所述切换开关处于状态一时：p1端子与p2端子连接，p3端子与p4端子连接，p5端子与p7端子连接，p6端子与p8端子连接，信号输入端口（1）与第一信号输出端口（2）、第二信号输出端口（3）的相位差均为45°；

所述切换开关处于状态二时： p1端子与p4端子连接，p2端子与p3端子连接，p5端子与p8端子连接，p6端子与p7端子连接，信号输入端口（1）与第一信号输出端口（2）、第二信号输出端口（3）的相位差均为-45°。

2.根据权利要求1所述的一种具有正交相位差切换功能的集总元件功分器，其特征在于，所述切换开关为四刀双掷开关。

3.根据权利要求1所述的一种具有正交相位差切换功能的集总元件功分器，其特征在于，功分器的相对带宽为41.3% 。

4.根据权利要求1或2所述的一种具有正交相位差切换功能的集总元件功分器，其特征在于：

L=Z_S/ω₀；

C=1/(Z_Sω₀)；

R₀= Z_S；

其中，ω₀是功分器中心工作频率对应的角频率值，R₀是隔离电阻R的电阻值。

5.根据权利要求4所述的一种具有正交相位差切换功能的集总元件功分器，其特征在于：L=7.96nH，C=3.20pF，R₀=50Ω,Z_S=50Ω,中心工作频率为1GHz。