TW201830767A - 可調輸出功率之混合式枝幹耦合器 - Google Patents

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曾振東
江泳翰
林宜賢
邱其祥
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Abstract

本發明係揭露一種可調輸出功率之混合式枝幹耦合器，其包含基板、傳輸線組及二電感。傳輸線組包含第一傳輸線及一平行並置在第一傳輸線下緣的第二傳輸線；其中，第二傳輸線一端延伸有第一延伸段，第一延伸段具有第一斜邊。第二傳輸線另端延伸有第二延伸段，第二延伸段具有第二斜邊。其一電感一端電性連接在靠近第一傳輸線一端的位置上，其另端則電性連接於第二傳輸線的一端。其二電感一端電性連接在靠近第一傳輸線另端的位置上，其另端電性連接於第二傳輸線的另端，俾能藉由可調電感結構設計而可適用於不同中心頻率的系統電路中。

Description

可調輸出功率之混合式枝幹耦合器
本發明係有關一種可調輸出功率之混合式枝幹耦合器，尤指一種藉由可調電感結構設計而適用於不同中心頻率之系統電路的枝幹耦合器技術。
隨著時代的演進，無線通訊系統發展迅速，凡舉數位電視系統、全球衛星系統、或是行動通訊系統，無線資訊傳輸皆已和生活密不可分，其產品逐漸朝高效能、低成本、製作容易及輕薄短小改良等方向發展，而寬頻、多頻段、縮小化以及可調結構為設計耦合器之要項。在微波電路中枝幹耦合器如參考文獻[1-6]所示是不可或缺的重要元件，其大量使用於功率放大器如參考文獻[7]所示、鏡像抑制混頻器如參考文獻[8]所示、天線陣列如參考文獻[9]所示和相移器如參考文獻[10]所示。
再者，傳統等功率枝幹耦合器的電氣特徵為傳輸線電氣長度為四分之一波長(θ=90°)，輸出埠與耦合埠之輸出功率比在半功率點(-3dB)，兩輸出訊號相位相差90度，而|S 11|與|S 41|能達-15dB以下，為因應不同的使用需求，增加電路使用彈性。依據目前所知，尚未有一種具備任可調輸出功率之混合式枝幹耦合器的專利或是論文被提出，而且基於電子產業的迫切需求下，本發明人等乃經不斷的努力研發之下，終於研發出一種以枝幹耦合器元件為出發點而製作出之新式電路架構的本發明。
本發明主要目的，在於提供一種可調輸出功率之混合式枝幹耦合器，主要是以電路來實現多種輸出比例之耦合器，在系統的建置上相當便利，可適用於多種不同中心頻率，不僅具備高度的系統支援性，且能減少整個系統建置的成本支出，因而具高度支援性、製作簡易、體積小，能大幅地降低建置通訊系統的成本等特點。達成上述目的功效採用之技術手段，係包括基板、傳輸線組及二電感。傳輸線組包含第一傳輸線及一平行並置在第一傳輸線下緣的第二傳輸線；其中，第二傳輸線一端延伸有第一延伸段，第一延伸段具有第一斜邊。第二傳輸線另端延伸有第二延伸段，第二延伸段具有第二斜邊。其一電感一端電性連接在靠近第一傳輸線一端的位置上，其另端則電性連接於第二傳輸線的一端。其二電感一端電性連接在靠近第一傳輸線另端的位置上，其另端電性連接於第二傳輸線的另端。
10‧‧‧基板
20‧‧‧傳輸線組
21‧‧‧第一傳輸線
22‧‧‧第二傳輸線
220‧‧‧第一延伸段
220a‧‧‧第一斜邊
220b‧‧‧第一梯形段
220c‧‧‧第一矩形段
221‧‧‧第二延伸段
221a‧‧‧第二斜邊
221b‧‧‧第二梯形段
221c‧‧‧第二矩形段
30‧‧‧輸入埠
31‧‧‧輸出埠
32‧‧‧耦合埠
33‧‧‧隔離埠
L‧‧‧電感
圖1係本發明電路結構示意圖。
圖2係傳統枝幹耦合器電路結構示意圖。
圖3係傳統傳輸線PI型等效電路示意圖。
圖4係本發明傳輸線PI型等效電路(LC)示意圖。
圖5係本發明電路成型的實施示意圖。
圖6係本發明實體電路的實施示意圖。
圖7(a)係本發明輸出功率比4：1電路的模擬和量測數據示意圖。
圖7(b)係本發明輸出功率比3：1電路的模擬和量測數據示意圖。
為讓 貴審查委員能進一步瞭解本發明整體的技術特徵與達成本發明目的之技術手段，玆以具體實施例並配合圖式加以詳細說明如后：本發明主要是一種可調輸出功率之混合式枝幹耦合器設計，電路是以傳統枝幹耦合器為架構，透過兩種不同的傳輸線PI型等效公式，將一對傳輸線各由一傳輸線及兩個接地電容取代，另一對傳輸線則用一可調式電感和兩接地電容替代，並抵銷相鄰電容值，使電路結構只由電感及傳輸線組成，無需額外增加電容。藉由調整電感值的大小，可將原輸出功率比電路附加更多功率輸出選擇，本發明使用輸出功率比4：1的耦合器調整至3：1進行實作，經由電磁模擬軟體證實電路特性再以雕刻機實現，板材使用FR-4基板，厚度為1.6mm，相對介電質係數4.3，最後經網路分析儀量測，在工作頻段模擬數據與實測結果相符。本發明電路為可調結構設計，故可適用於不同中心頻率的系統，因而具有高度支援性、製作簡易、體積小，能大幅地降低建置通訊系統的成本等特點。
請配合參看圖5、6所示，為達成本發明主要目的之具體實施例，係包含一基板10、一覆設於基板10上的傳輸線組20，及二個電感L等技術特徵。傳輸線組20係包含一橫向延伸的第一傳輸線21及一平行並置在第一傳輸線21下緣的第二傳輸線22。其中，第二傳輸線22之一端延伸有一第一延伸段220，第二傳輸線22之另端延伸有一第二延伸段221。第一延伸段220具有一第一斜邊220a；第二延伸段221具有一第二斜邊221a。其一電感L一端電性連接在靠近第一傳輸線21一端的位置上，其另端則電性連接於第二傳輸線22的一端位置上。其二電感L一端電性連接 在靠近第一傳輸線21另端的位置上，其另端則電性連接於第二傳輸線22的另端位置上。
具體來說，上述傳輸線組20的等效後阻抗Z 3=50Ω；傳輸線組20的電氣長度θ 3=116.6°。請參看圖5、6所示，第一傳輸線21的長度L 1=L 2=33.74mm，寬度W 1=W 2=3.055mm。第二傳輸線22頂部長邊的長度L 3=23.14mm，第二傳輸線22底部長邊的長度L 4=21.74mm。
此外，再請參看圖5、6所示，第一延伸段220包含一第一梯形段220b及一第一矩形段220c，第一梯形段220b的斜邊為第一斜邊220a，其一側邊與第二傳輸線22之一端連接，其底邊則與第一矩形段220c連接。第一斜邊220a的長度W 3=3.89mm；第一矩形段220c之二長邊W 4=W 5=3.95mm，其二短邊L 5=3.055mm。第二延伸段221包含一第二梯形段221b及一第二矩形段221c，第二梯形段221b的斜邊為第二斜邊221a，其一側邊與第二傳輸線22之另端連接，其底邊則與第二矩形段221c連接。第二斜邊221a的長度W 6=3.83mm；第二矩形段221c之其一長邊W 7=3.95mm，其二長邊W 8=3.055mm，其二短邊L 6=3.055mm。
具體的，本發明所提出之具有可調輸出功率之混合式枝幹耦合器不同於傳統枝幹耦合器是由四條傳輸線所組成，而是以兩條傳輸線和兩個可調式電感L所組成。電路構造則如圖1、6所示，第一傳輸線21一端為Port1輸入埠30，第一傳輸線21另端為Port2輸出埠31，第二傳輸線22一端為Port3耦合埠32，第二傳輸線22另端為Port4隔離埠33，Z 3為傳輸線阻抗，θ 3為電氣長度，L為可調式電感，僅藉由改變電感值使電路輸出功率比具有調整性。本發明電路優點是以一種電路來實現多種輸出比例之 耦合器，在系統的建置上相當便利，故可適用於多種不同中心頻率，不僅具備高度的系統支援性，且能減少整個系統建置的成本支出。
本發明的電路分析與設計的實施中，傳統輸出比率為4：1的枝幹耦合器結構如圖2所示，Port1為輸入埠30，Port2為輸出埠31，Port3為耦合埠32，Port4為隔離埠33，Z 1=44.72Ω，Z 2=100Ω，θ 1=θ 2=90°。以傳輸線PI型等效結構取代Z 1傳輸線如圖3所示，Z 3和θ 3為等效後阻抗和電氣長度，C 1為等效電容，傳輸線PI型等效阻抗和電容值為公式(1)(2)。再以LC傳輸線PI型等效結構取代Z 2如圖4所示，L為等效電感L，C 2為等效電容，可由公式(3)(4)求得。為使電路構造簡單化，無需額外增加電容，將Z 1等效後的電容值C 1和Z 2等效後的電容值C 2相互抵銷得到公式(5)，使電路架構如圖1所示。經由上述公式經簡化後可得到對照圖1的公式(6)(7)(8)，藉由調整L值的大小，能改變電路的輸出功率。
Z 3=Z 0(特性阻抗) (6)
經前述公式(6)(7)(8)和輸出功率比4：1枝幹耦合器參數，可求出Z 3=50Ω，θ 3=116.6°，L=6.5nH，經由電磁模擬軟體(Microwave Office & IE3D)驗證電路特性，選用板材為FR4(厚度1.6mm)，相對介電係數4.3，結構經最佳化調整如圖5所示，電路尺寸：L 1=33.74mm,W 1=3.055mm,L 2=33.74mm,W 2=3.055mm,L 3=23.14mm,W 3=3.89mm,L 4=21.74mm,W 4=3.95mm,L 5=3.055mm,W 5=3.95mm,L 6=3.055mm,W 6=3.83mm,W 7=3.95mm,W 8=3.055mm。經雕刻機加工後成品如圖6所示。由網路分析儀量測，與模擬結果進行比較，得到電路模擬結果與實體電路頻率響應如圖7(a)所示，量測頻率由0到4GHz，大小由0至-40dB，於工作頻段(f 0=2.45GHz)|S11|與|S41|皆在-15dB以下，兩端之輸出功率比|S21|與|S31|為4：1，上述模擬與量測結果與預期相當接近。
有此良好特性後，再將電感L調整至L=5.63nH達到輸出功率比3：1電路之特性，由網路分析儀測量，和模擬結果比對，得電路模擬結果與實體電路頻率響應如圖7(b)，量測頻率由0到4GHz，大小由0至-40dB，於工作頻段(f 0=2.45GHz)|S11|與|S41|皆在-15dB以下，兩端之輸出功率比|S21|與|S31|為3：1，上述模擬與量測結果與預期相當接近。
經由上述具體實施例說明，本發明確實是一種可調輸出功率之混合式枝幹耦合器設計，電路是以傳統枝幹耦合器為架構，透過兩種不同PI型等效，將傳統枝幹耦合器的四條傳輸線修改為兩條傳輸線與兩個可調式電感L，並透過相鄰電容值抵銷，使電路無需額外增加電容，本發明是以輸出功率比4：1進行實作電路設計，並藉由更改電感值，調整至輸出功率比3：1，兩者模擬與實測結果皆相近，由此可知電路可行性，且可應用 於不同工作頻率之系統。
以上所述，僅為本發明之可行實施例，並非用以限定本發明之專利範圍，凡舉依據下列請求項所述之內容、特徵以及其精神而為之其他變化的等效實施，皆應包含於本發明之專利範圍內。本發明所具體界定於請求項之結構特徵，未見於同類物品，且具實用性與進步性，已符合發明專利要件，爰依法具文提出申請，謹請 鈞局依法核予專利，以維護本申請人合法之權益。
參考文獻
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Claims (9)

  1. 一種可調輸出功率之混合式枝幹耦合器，其包含一基板、一覆設於該基板上的傳輸線組及二電感；該傳輸線組包含一橫向延伸的第一傳輸線及一並置在該第一傳輸線下緣的第二傳輸線；其中，該第二傳輸線一端延伸有一第一延伸段，該第二傳輸線另端延伸有一第二延伸段；該第一延伸段具有一第一斜邊；該第二延伸段具有一第二斜邊；其一該電感一端電性連接在靠近該第一傳輸線一端的位置上，其另端則電性連接於該第二傳輸線的一端；其二該電感一端電性連接在靠近該第一傳輸線另端的位置上，其另端電性連接於該第二傳輸線的另端。
  2. 如請求項1所述之可調輸出功率之混合式枝幹耦合器，其中，該傳輸線組的等效後阻抗 Z 3=50Ω；該傳輸線組的電氣長度 θ 3=116.6°。
  3. 如請求項1所述之可調輸出功率之混合式枝幹耦合器，其中，該二電感為可調式電感，該二可調式電感之電感值介於5.63~6.5nH之間。
  4. 如請求項1所述之可調輸出功率之混合式枝幹耦合器，其中，該第一傳輸線的長度 L 1= L 2=33.74mm，寬度 W 1= W 2=3.055mm。
  5. 如請求項1所述之可調輸出功率之混合式枝幹耦合器，其中，該第二傳輸線之頂部長邊的長度 L 3=23.14mm，該第二傳輸線之底部長邊的長度 L 4=21.74mm。
  6. 如請求項1所述之可調輸出功率之混合式枝幹耦合器，其中，該第一延伸段包含一第一梯形段及一第一矩形段，該第一梯形段的斜邊為該第一斜邊，其一側邊與該第二傳輸線之一端連接，其底邊則與該第一矩形段連接。
  7. 如請求項6所述之可調輸出功率之混合式枝幹耦合器，其中，該第一斜邊的長度 W 3=3.89mm；該第一矩形段之二長邊 W 4= W 5=3.95mm，其二短邊 L 5=3.055mm。
  8. 如請求項1所述之可調輸出功率之混合式枝幹耦合器，其中，該第二延伸段包含一第二梯形段及一第二矩形段，該第二梯形段的斜邊為該第二斜邊，其一側邊與該第二傳輸線之另端連接，其底邊則與該第二矩形段連接。
  9. 如請求項8所述之可調輸出功率之混合式枝幹耦合器，其中，該第二斜邊的長度 W 6=3.83mm；該第二矩形段之其一長邊 W 7=3.95mm，其二長邊 W 8=3.055mm，其二短邊 L 6=3.055mm。
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