TWI407625B - 具高隔離度之功率分配器 - Google Patents

Description

具高隔離度之功率分配器

本發明係指一種功率分配器，尤指一種不需使用電阻亦具有高隔離特性之功率分配器。

功率分配器常被使用於微波電路中，用來將輸入訊號功率分配至各元件中。傳統常用的一分二功率分配器有威金森功率分配器(Wilkinson power divider)以及T型功率分配器(T-junction power divider)等兩種。這兩種功率分配器的差異主要在於威金森功率分配器通常需要一顆額外的電阻器來提升隔離度，而T型功率分配器則是不需額外的電阻器，但其隔離度則相對較差。

請參考第1圖，第1圖為習知一威金森功率分配器10之示意圖。威金森功率分配器10包含有一輸入埠102、分路埠104，106以及一電阻器108。一般來說，電阻器108的阻抗值通常為輸入埠102的兩倍。舉例來說，輸入埠102之阻抗值為Zo，分路埠104，106之阻抗值為Zo，電阻器108之阻抗值則為2Zo。威金森功率分配器10可透過輸入埠102輸入一微波輸入訊號SI，並經由分路埠104，106輸出兩個微波輸出訊號SO1，SO2至輸出埠110，112。然而，由於一般電阻器通常有操作頻率的限制，當威爾金森功率分配器10使用一般電阻器於愈高頻時，元件間所產生的寄生電容及電感效應會更加明顯，而使威金森功分配器10之電子特性變差。請參考第2圖，第2圖為習知威爾金森功率分配器10於高頻時使用理想電阻之模擬響應波形圖。其中，輸入埠102為第1埠，輸出埠110為第2埠，輸出埠112為第3埠，而電阻器108係以100歐姆之理想電阻實現。由第2圖之模擬結果可知，儘管威爾金森功率分配器10使用了電阻性較佳(即去除了寄生電感效應)之理想電阻，S23隔離度參數依然不甚理想，僅在-8dB左右。也就是說，縱使將電阻器108換成理想電阻，仍無法提供理想的隔離度，由此可知。威金森功率分配器10實不適用於高頻。

除此之外，當威金森功率分配器10操作的頻率越來越高時，四分之一波長分路埠104，106會隨著操作頻率的升高而尺寸變得更小，以使用RO4233(介電系數為3.33)的基板為例，當操作於Ka頻段時，分路埠104，106的長度僅約2.4mm左右，如此一來，由於兩分路埠彼此間的距離過短，將造成極大的耦合效應。在此情況下，即使使用理想電阻，依然無法達到有效的隔離度特性。

簡言之，習知技術中，使用T型功率分配器雖不需使用額外的電阻器，但無法獲得適當的隔離度，而使用威爾金森功率分配器在操作頻率較低頻時雖可達到一定程度之隔離特性，但卻必須增加昂貴的電阻器成本，並且當操作頻率較高時，仍無法提供有效之隔離度。

因此，本發明之主要目的即在於提供一種具高隔離度之功率分配器。

本發明揭露一種功率分配器包含有一基板，包含有一第一表面及一第二表面；一第一分路臂，佈於該基板之該第一表面上，包含有一第一端及一第二端；一第二分路臂，佈於該基板之該第一表面上，包含有一第一端及一第二端；一訊號輸入單元，佈於該基板之該第一表面上，並耦接於該第一分路臂之該第一端與該第二分路臂之該第一端，用來接收一輸入訊號並將該輸入訊號分配至該第一分路臂及該第二分路臂；一連接單元，佈於該基板之該第一表面上，並耦接於該第一分路臂之該第二端與該第二分路臂之該第二端，其中該連接單元、該第一分路臂與該第二分路臂圍繞出一第一區域；一接地層，佈於該基板之該第二表面上，用來提供接地；一狹縫槽，形成於該接地層中；其中至少一部分之該狹縫槽係形成於相對於該第一區域之一第二區域內。

請參考第3圖至第5圖，第3圖為本發明實施例一功率分配器30之上視平面圖，第4圖為功率分配器30之下視平面圖，第5圖為功率分配器30之立體結構圖。功率分配器30包含有一基板302、一第一分路臂304、一第二分路臂306、一訊號輸入單元308、一連接單元310、一接地層312、一狹縫槽(slit)314、一第一訊號輸出單元316及一第二訊號輸出單元318。基板302包含有一上表面及與上表面相對之一下表面，其中第一分路臂304、第二分路臂306、訊號輸入單元308、連接單元310、第一訊號輸出單元316及第二訊號輸出單元318係佈設於上表面，而接地層312及狹縫槽314係佈設於下表面。較佳地，第一分路臂304、第二分路臂306、訊號輸入單元308及連接單元310可以一微帶傳輸線結構來實現。如第3圖所示，第一分路臂304之一第一端304A與第二分路臂306之一第一端306A會耦接至訊號輸入單元308。因此，訊號輸入單元308可將一輸入訊號SI分配至第一分路臂304與第二分路臂306，再分別由其對應之第一訊號輸出單元316及第二訊號輸出單元318傳送出輸出訊號SO1，SO2。連接單元310耦接於第一分路臂304之一第二端304B與第二分路臂306之一第二端306B。連接單元310、第一分路臂304與第二分路臂306所圍繞出之區域為一第一區域A。而在用以提供接地之接地層312中包含有相對於第一區域A之區域為一第二區域A’。換句話說，第二區域A’為第一區域A正投影於接地層312之區塊範圍。在此情況下，狹縫槽314會形成於接地層312中，並且至少有一部分之狹縫槽314係形成於第二區域A’之範圍內。

相較於傳統威金森功率分配器使用電阻元件來提高各分路間的隔離性，在本發明實施例中，功率分配器30將傳統威金森功率分配器使用電阻元件之位置以連接單元310取代，並利用狹縫槽314產生阻抗值。以微帶傳輸線的理論來說明，微帶傳輸線可等效一RLGC電路，也就是串聯的電感與電阻，再加上兩個並聯的電容與電導。通常電感值主要是隨微帶線本身的長度而變，電容值則是由微帶線與接地面所產生的。當功率分配器30增加了狹縫槽314，即相當於微帶線之下方之接地面增加了狹縫槽的改變，如此一來，相當於降低該RLGC等效電路的電容值。而在理想無損耗的微帶線中，其特性阻抗等於，因此，於電容值降低時，相對地整體阻抗值即會提高。因此，本發明之功率分配器30透過狹縫槽314之設計，即能達到於傳統威金森功率分配器中之電阻元件的目的。

簡單來說，本發明之功率分配器30透過狹縫槽314之設計而能有效到高隔離度的目的，如此一來，不需使用額外的電阻元件，便將輸入的射頻訊號分配成多路相互隔離之同相輸出訊號。

為方便說明，在本實施例中，所提出之模擬結果主要係以功率分配器30為基本架構，訊號輸入單元308設為第1埠，第一訊號輸出單元316設為第2埠，第二訊號輸出單元318設為第3埠，並以此計算S參數。第6圖為具矩形狹縫槽之功率分配器30之模擬響應波形圖，其係以第5圖所示之實施例為架構，操作於10.7GHz至12.75GHz之Ku頻段間所模擬出之結果。如第6圖所示，S23隔離度參數超過隔離度基準-15dB的頻寬達到0.39GHz，意味著擁有高隔離度的特性，而反射係數S11參數亦落在-10dB附近，數值很小，表示大部分的能量都已被傳輸出去。

在本實施例中，狹縫槽314為形成於接地層312中之槽洞，其可以任何形狀之槽體結構實現，舉例來說，如第3至5圖所示，狹縫槽314為狹長矩形槽體狀。如第7圖所示，狹縫槽314為一梯形槽體。其中狹縫槽314之短底面與長底面之連長分別為S與L，且狹縫槽314之短底面部分係位於第二區域A’內。請繼續參考第8圖，第8圖為具梯形狹縫槽之功率分配器30之模擬響應波形圖，其係以第7圖所示之實施例為架構，操作於10.7GHz至12.75GHz之Ku頻段間所模擬出之結果。如第8圖所示，S23隔離度參數超過隔離度基準-15dB的頻寬大於4.5GHz，而反射係數S11參數於整個頻段內皆小於-15dB。換句話說，本發明之功率分配器30具備極優異之高隔離度的特性並擁有很小的反射損失。請參考第9圖及第10圖，第9圖為第7圖中狹縫槽314之短底面的邊長S對諧振頻率之比較示意圖。第10圖為第7圖中狹縫槽314之長底面的邊長L對諧振頻率之比較示意圖。橫軸表示邊長長度，縱軸表示諧振頻率。由第9圖及第10圖可知，當短底面或長底面的邊長越短，S23隔離度參數之諧振頻率越往低頻偏移，而S11與S22反射係數參數則朝高頻偏移。換句話說，當使用梯形狹縫槽時，可以藉由改變其短底面或長底面的邊長來調整功率分配器30之諧振頻率。

如先前技術所述，傳統威金森功率分配器必須使用電阻器於兩分路臂間，隨著操作頻率愈高，寄生效應及電磁耦合效應會更加嚴重，因而造成威金森功率分配器操作於高頻頻段時，無法達到有效的隔離度而導致電子特性不佳。相較之下，本發明之設計不需使用到電阻器，而更能適用於高頻頻段。舉例來說，請參考第11圖，第11圖為本發明實施例功率分配器30操作於Ka頻段之模擬響應波形圖，其係以第7圖所示之實施例為架構，操作於18.2GHz至20.2GHz之Ka頻段間所模擬出之結果。如第11圖所示，於18.2GHz至20.2GHz之頻段間，S23隔離度參數皆低於-18dB。相較於第2圖中傳統威金森功率分配器之模擬結果，本發明實施例於在隔離度方面提升了至少10dB的效果。而反射係數S11及S22亦均落於-10dB之下，亦即擁有極少之反射損失。因此，本發明之功率分配器將可摒除傳統威金森功率分配器之缺點而使用於較高的頻率。

另一方面，如同習知功率分配器之功能，本發明之功率分配器除了能將輸入的射頻訊號分配成多路相互隔離之同相輸出訊號外；同理，將本發明之功率分配器反向操作，亦即將訊號分別由第一訊號輸出單元316及第二訊號輸出單元318輸入至第一分路臂304與第二分路臂306，透過訊號輸入單元308將流經第一分路臂304與第二分路臂306之同相訊號結合起來輸出，便成為一功率合成器。換句話說，本發明之功率分配器可雙向操作，除了用於功率分配，亦可反向作功率合成之用。

需注意的是，功率分配器30僅為本發明之實施例，本領域具通常知識者當可據以做不同之修飾。舉例來說，功率分配器30可應用於各種訊號頻段，例如Ka-Ku頻段。狹縫槽314可以蝕刻方式或是其他方式形成於接地層312。基板302可以是任何之微波基板，例如RO4233微波基板。一般來說，第一分路臂304與第二分路臂306之長度或寬度可視功率分配的比例或是其他任何需求加以變化。舉例來說，若欲使經分配出的訊號擁有更一致性的相位，則可將第一分路臂304與第二分路臂306設計成長度相同之分路臂。若將第一分路臂304與第二分路臂306設計為不同寬度時，則可達到不等功率分配的目的。此外，分路臂之長度可設計成四分之一波長或四分之一波長的奇數倍，以獲得等功率分配的效果。

總而言之，相較於傳統威金森功率分配器，本發明之功率分配器不需使用額外的電阻元件，而能保有優異的高隔離度特性，可大幅地節省製造成本，更重要的是，本發明之功率分配器可有效適用於高頻頻段，改善了以往傳統功率分配器操作於高頻時無法提供有效隔離度的缺點，以滿足功率分配之需求。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

10．．．威金森功率分配器

102．．．輸入埠

104．．．分路埠

108．．．電阻器

30．．．功率分配器

302‧‧‧基板

304‧‧‧第一分路臂

306‧‧‧第二分路臂

308‧‧‧訊號輸入單元

310‧‧‧連接單元

312‧‧‧接地層

314‧‧‧狹縫槽

316‧‧‧第一訊號輸出單元

318‧‧‧第二訊號輸出單元

A‧‧‧第一區域

A’‧‧‧第二區域

SI‧‧‧輸入訊號

SO1、SO2‧‧‧輸出訊號

第1圖為習知一威金森功率分配器之示意圖。

第2圖為習知威爾金森功率分配器於高頻時使用理想電阻之模擬響應波形圖。

第3圖為本發明實施例一功率分配器之上視平面圖。

第4圖為本發明實施例一功率分配器之下視平面圖。

第5圖為本發明實施例一功率分配器之立體結構圖。

第6圖為一具矩形狹縫槽之功率分配器之模擬響應波形圖。

第7圖為一具梯形狹縫槽之功率分配器之立體結構圖。

第8圖為具梯形狹縫槽之功率分配器之模擬響應波形圖。

第9圖為第7圖中狹縫槽之短底面的邊長對諧振頻率之比較示意圖。

第10圖為第7圖中狹縫槽之長底面的邊長對諧振頻率之比較示意圖。

第11圖為本發明實施例功率分配器操作於Ka頻段之模擬響應波形圖。

30‧‧‧功率分配器

302‧‧‧基板

304‧‧‧第一分路臂

306‧‧‧第二分路臂

308‧‧‧訊號輸入單元

310‧‧‧連接單元

314‧‧‧狹縫槽

316‧‧‧第一訊號輸出單元

318‧‧‧第二訊號輸出單元

A‧‧‧第一區域

Claims (13)

1. 一種具高隔離度之功率分配器：一基板，包含有一第一表面及一第二表面；一第一分路臂，佈於該基板之該第一表面上，包含有一第一端及一第二端；一第二分路臂，佈於該基板之該第一表面上，包含有一第一端及一第二端；一訊號輸入單元，佈於該基板之該第一表面上，並耦接於該第一分路臂之該第一端與該第二分路臂之該第一端，用來接收一輸入訊號並將該輸入訊號分配至該第一分路臂及該第二分路臂；一連接單元，佈於該基板之該第一表面上，並耦接於該第一分路臂之該第二端與該第二分路臂之該第二端，其中該連接單元、該第一分路臂與該第二分路臂圍繞出一第一區域；一接地層，佈於該基板之該第二表面上，用來提供接地；以及一狹縫槽，形成於該接地層中；其中至少一部分之該狹縫槽係形成於相對於該第一區域之一第二區域內，該第二區域係為該第一區域正投影於該接地層之區域。
2. 如請求項1所述之功率分配器，其另包含一第一訊號輸出單元，佈設於該基板之該第一表面上，並耦接於該第一分路臂之 該第二端，用來輸出經由該第一分路臂之該輸入訊號；以及一第二訊號輸出單元，佈設於該基板之該第一表面上，並耦接於該第二分路臂之該第二端，用來輸出經由該第二分路臂之該輸入訊號。
3. 如請求項1所述之功率分配器，其中該狹縫槽為一矩形槽體。
4. 如請求項3所述之功率分配器，其中該狹縫槽為一狹長矩形槽體。
5. 如請求項1所述之功率分配器，其中該狹縫槽為一梯形槽體。
6. 如請求項5所述之功率分配器，其中該狹縫槽之短底面部分係位於該第二區域內。
7. 如請求項5所述之功率分配器，其中該狹縫槽之短底面與長底面的邊長係相關於該功率分配器之諧振頻率。
8. 如請求項1所述之功率分配器，其中該狹縫槽係以蝕刻方式形成於該接地層。
9. 如請求項1所述之功率分配器，其中該第一分路臂、該第二分路臂、該訊號輸入單元及該連接單元為一微帶傳輸線結構。
10. 如請求項1所述之功率分配器，其中該基板係為一RO4233之微波基板。
11. 如請求項1所述之功率分配器，其中該功率分配器係操作於一Ku微波頻段。
12. 如請求項1所述之功率分配器，其中該功率分配器係操作於一Ka微波頻段。
13. 如請求項1所述之功率分配器，其中該第一分路臂與第二分路臂之長度相同。