TWI433385B - 平面式非對稱跨接耦合器 - Google Patents
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Description
本發明是有關於一種耦合器，且特別是有關於一種平面式非對稱的跨接耦合器。
在高頻微波電路快速發展及功能要求提高的趨勢下，往往將數個電路功能整合至一個電路功能，使得高密度印刷電路板之需求益為殷切。這些印刷電路板多數未能符合未來電氣產品輕、薄、短、小及多功能的趨勢，究其原因乃在於多數電氣產品的電路板常需要用到許多的微波電路，諸如功率分配器、耦合器、濾波器、波長轉換器、截線調諧器等。
由於微波的波長極短，其所使用之電路的尺寸為同一個量級，因此，許多在低頻交流電路當中被忽略的參數(例如其等效的電阻、電感、電容和電導等電路參數)在微波電路當中必須被考慮。進一步言之，在微波電路當中，導線會有來自其本身的材料與結構(幾何形狀及尺寸)所造成的電阻、電感、電容和電導等效應，這些參數是微波電路的重要參數，不能輕易忽略。此外，導線的長短與粗細也會影響與其相連結的元件間阻抗匹配。簡言之，微波電路的尺寸變化，即使是一條導線的縮短，也會影響其原有之功能，並不能以低頻交流網路理論的觀點而將之視為一個無損耗的節點。
枝幹耦合器在微波電路和射頻積體電路(Radio Frequency Integrated Circuit，RFIC)中為一相當重要的元件，可作為功率分配器(power divider)和功率合成器(power combiner)。美國專利第5,600,285號揭露了一種三維架構的跨接耦合器，由於此跨接耦合器為三維的架構，因此不適合應用於平面電路中且其製程亦較昂貴。另外，美國專利第5,274,839號則揭露了一種對稱結構的跨接耦合器，其雖可應用於平面電路中，但因其對稱結構的限制，使得使用者在設計電路時的自由度大大減低而難以設計出符合使用者要求的電路。
本發明提供一種平面式非對稱跨接耦合器，其具有架構簡單、設計容易等優點，可應用於平面電路中並降低生產所需的成本。
本發明提出一種平面式非對稱跨接耦合器，包括第一枝幹至第七枝幹，其中第一枝幹至第四枝幹形成一第一區域，第四枝幹至第七枝幹形成一第二區域，第一區域具有一第一埠與一第四埠，第二區域具有一第二埠與一第三埠，各枝幹之特性阻抗依據各埠的負載阻抗與功率分配比所決定。
在本發明之一實施例中，上述各枝幹之長度為平面式非對稱跨接耦合器中心頻率所對應之波長長度的四分之一。
在本發明之一實施例中，上述之第一區域與第二區域為矩形。
在本發明之一實施例中，上述第一埠位於第一枝幹與第三枝幹的接點，第二埠位於第五枝幹與第六枝幹的接點，第三埠位於第五枝幹與第七枝幹的接點，第四埠位於第二枝幹與第三枝幹的接點。
在本發明之一實施例中，上述第一埠之負載阻抗等於第三埠之負載阻抗，第二埠之負載阻抗等於第四埠之負載阻抗。
在本發明之一實施例中，其中當第一埠為輸入埠時，第四埠為隔離埠，而第二埠與第三埠為輸出埠。
基於上述，本發明利用調整各枝幹的特性阻抗，即可任意調整平面式非對稱跨接耦合器的負載阻抗以及輸出功率以符合微波電路的應用需求，使得跨接耦合器具有高設計自由度。
為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
圖1繪示為本發明一實施例之平面式非對稱跨接耦合器的示意圖。請參照圖1，平面式非對稱跨接耦合器100為包括枝幹101~枝幹107的四埠元件。其中枝幹101~枝幹107分別具有特性阻抗Z1
~Z7
，且枝幹101、102、103以及枝幹104形成一第一區域，而枝幹104、105、106以
及枝幹107形成一第二區域。在本實施例中第一區域與第二區域為矩形的區域，然不以此為限，第一區域與第二區域亦可為其他幾何形狀，例如平行四邊形。平面式非對稱跨接耦合器100的第一埠P1位於枝幹101與枝幹103的接點、第二埠P2位於枝幹105與枝幹106的接點、第三埠P3位於枝幹105與枝幹107的接點、第四埠P4則位於枝幹102與枝幹103的接點。其中第一埠P1~第四埠P4所對應的負載阻抗分別為Zo1
~Zo4
，而各枝幹的長度為λ/4。其中λ為平面式非對稱跨接耦合器100中心頻率的波長長度。
透過適當調整平面式非對稱跨接耦合器100中各枝幹的特性阻抗可使第一埠P1~第四埠P4的負載阻抗Zo1
~Zo4
分別匹配其所對應連接的電路，並使平面式非對稱跨接耦合器100中各埠的輸出功率符合微波電路的應用需求。其中調整各枝幹的特性阻抗的方式可以透過改變各枝幹的寬度大小來達成。以下將舉例說明如何依據各埠的負載阻抗以及功率分配比來調整各枝幹的特性阻抗大小。
圖2繪示為本發明一實施例之串接的非對稱枝幹耦合器的示意圖。請同時參照圖1與圖2，圖1之平面式非對稱跨接耦合器100可視為圖2所示之兩個非對稱之非對稱枝幹耦合器200A與B所串接而成。其中非對稱枝幹耦合器200A包括枝幹101、102、103以及枝幹104A，非對稱枝幹耦合器200B則包括枝幹105、106、107以及枝幹104B。其中枝幹104A與枝幹104B的特性阻抗分別為Za
與Zb
。非對稱枝幹耦合器200A與非對稱枝幹耦合器200B分別具有第一埠P1A~第四埠P4A以及第一埠P1B~第四埠P4B。
其中，非對稱枝幹耦合器200A的第一埠P1A位於枝幹101與103的接點，第二埠P2A位於枝幹101與枝幹104A的接點，第三埠P3A位於枝幹104A與枝幹102的接點，第四埠P4A則位於枝幹102與枝幹103的接點。另外非對稱枝幹耦合器200B的第一埠P1B則位於枝幹106與枝幹104B的接點，第二埠P2B位於枝幹105與枝幹106的接點，第三埠P3B位於枝幹105與枝幹107的接點，第四埠P4B則位於枝幹104B與枝幹107的接點。其中非對稱枝幹耦合器200A的第一埠P1A與第四埠P4A分別相當於平面式非對稱跨接耦合器100的第一埠P1與第四埠P4，而非對稱枝幹耦合器200B的第二埠P2B與第三埠P3B分別相當於平面式非對稱跨接耦合器100的第二埠P2與第三埠P3。為使第二埠P2A與第一埠P1B的負載阻抗匹配，因此設定第二埠P2A與第一埠P1B的負載阻抗皆為Zi1
。類似地，第三埠P3A與第四埠P4B的負載阻抗則設為Zi2
。
在本實施例中，假設各枝幹的長度為λ/4，而平面式非對稱跨接耦合器100兩對角線上的負載阻抗分別為Zo1
以及Zo2
，也就是說第一埠P1的負載阻抗Zo1
等於第三埠P3的負載阻抗為Zo3
，且第二埠P2的負載阻抗Zo2
等於第四埠P4的負載阻抗Zo4
。另外，非對稱枝幹耦合器200A
的散射係數S21A
與S31A
分別為-jαA
與βA
，而枝幹耦合器的散射係數S21B
與S31B
分別為-jαB
與βB
，其中αA 2
+βA 2
=1，且αB 2
+βB 2
=1。
假設平面式非對稱跨接耦合器100的輸入埠為第一埠P1，且微波電路之設計規格要求平面式非對稱跨接耦合器100的第一埠P1與第二埠P2間為隔絕(isolation)，亦即第二埠P2為隔離埠，並將輸入信號S1的功率分配至第三埠P3，則散射係數S21
、S31
可如下列式子所示：S21
=(-jαA
)(-jαB
)+(-βA
)(-βB
)=-αA
αB
+βA
βB
=0 (1)
S31
=(-jαA
)(-βB
)+(-βA
)(-jαB
)=j(αA
βB
+βA
αB
)=1 (2)
經由代數運算，即可得到αA
=βB
、αB
=βA
。另外，各枝幹的特性阻抗則可以下列式子求出：
其中sinΘ=αA
、cosΘ=βA
，而Zo1
~Zo4
為已知的第一埠P1~第四埠P1的負載阻抗。因此，只要給定負載阻抗Zi1
與負載阻抗Zi2
的值，可依據(3)式~(10)式而得到參數Θ與特性阻抗的關係圖，其中參數Θ為表示功率分配量的變
數。舉例來說，圖3A與圖3B分別繪示為圖2實施例之枝幹耦合器的參數Θ值與特性阻抗的關係圖。請參照圖3A與圖3B，在圖3A與圖3B的實施例中所設定的負載阻抗Zo1
=50Ω、Zo2
=25Ω，且第二埠P2A的負載阻抗Zi1
與第三埠P3A的負載阻抗Zi2
皆等於Zi
。如圖3A與圖3B的實施例所示，圖3A與圖3B的實施例分別設定了三組不同負載阻抗值的Zi
，其分別為25Ω、50Ω以及100Ω，不同的Zi
值分別可對應到一組不同的Z1
、Z2
、Z3
、Z5
、Z6
、Z7
、Za
以及Zb
的特性阻抗值。另外，由於圖1的枝幹104可視為圖2的枝幹104A與枝幹104B的並聯，因此枝幹104的特性阻抗Z4
=Za
//Zb
。因此圖1中各枝幹的特性阻抗值皆可藉由圖2的實施例求出。
舉例來說，在非對稱枝幹耦合器200A中，由於非對稱枝幹耦合器200A的散射係數S21A
與S31A
分別為-jαA
與βA
，因此可得知由第一埠P1A到第二埠P2A和由第一埠P1A到第三埠P3A的功率分配比為αA 2
/βA 2
。另外由於sinΘ=αA
、cosΘ=βA
，因此只要依據所欲分配至第二埠P2A與第三埠P3A的功率分配比來決定參數Θ的值，即可得到非對稱枝幹耦合器200A中各個枝幹所對應的特性阻抗值。舉例來說，假設非對稱枝幹耦合器200A中的第二埠P2A與第三埠P3A的負載阻抗Zi1
以及Zi2
皆等於50Ω，而欲分配至第二埠P2A與第三埠P3A的功率分配比分別為25%和75%，則可設定相位Θ=30°。如此一來，對照圖3A中參數Θ與特性阻抗的關係圖便可得到枝幹101、103、
102以及104A的特性阻抗值分別為26Ω、28Ω、20Ω以及12Ω。
值得注意的是，本實施例所列舉的Zi
值僅為示範性的實施例，實際應用上並不以此為限，且負載阻抗Zi1
與Zi2
亦可為不同的阻抗值，也就是說，使用者可依據實際情形分別設定Zi1
與Zi2
的阻抗值。另外，本實施例雖以平面式非對稱跨接耦合器100的第一埠P1為輸入埠為例進行平面式非對稱跨接耦合器100的說明，然實際上並不以此為限。平面式非對稱跨接耦合器100中的任一埠皆可做為輸入信號S1的輸入埠，例如亦可將第四埠P4作為平面式非對稱跨接耦合器100的輸入埠。在部分實施例中亦可同時具有兩個輸入埠，例如可同時將平面式非對稱跨接耦合器100的第一埠P1與第四埠P4同時作為輸入埠，而分別輸入不同的輸入信號至第三埠P3與第二埠P2。其中在不同輸入埠的情形下，非對稱枝幹耦合器200A中各枝幹的特性阻抗計算方式皆類似於圖2的實施例，因此不再贅述。
類似地，非對稱枝幹耦合器200B中枝幹105、106、107以及104B的特性阻抗值亦可根據所欲分配至第二埠P2B與第三埠P3B的功率分配比以及非對稱枝幹耦合器200B中各埠的負載阻抗來求得，其中非對稱枝幹耦合器200B中各枝幹特性阻抗值的計算方式與非對稱枝幹耦合器200A中各枝幹特性阻抗值的計算方式相同，因此不再贅述。如此藉由設定圖2中非對稱枝幹耦合器200A與非對稱枝幹耦合器200B中的各輸出埠的功率比即可任意調
整圖1中平面式非對稱跨接耦合器100各輸出埠的功率比。
圖4A繪示為本發明一實施例之平面式非對稱跨接耦合器100的頻率響應圖。請參照圖4A，在本實施例中負載阻抗Zo1
設定為50Ω，而Zo2
設定為75Ω，而平面式非對稱跨接耦合器100的中心頻率設定在1GHz，輸入信號S1為由平面式非對稱跨接耦合器100的第一埠P1輸入。由圖4A之模擬和實際量測的結果可看出，平面式非對稱跨接耦合器100在1GHz的位置所對應的散射係數S11
、S21
、S31
以及S41
分別約為-30.07dB、-35.8dB、-0.25dB以及-29.4dB。而功率消耗(1-|S 11
|2
-|S 21
|2
-|S 31
|2
-|S 41
|2
)約為5.4%。S11
、S21
以及S41
的20-dB頻寬分別為14%、19.5%以及7%，另外S31
的0.5-dB頻寬則為18%左右。由此可知，平面式非對稱跨接耦合器100確實可有效使第一埠P1與第二埠P2相互隔絕，並使第一埠P1與第四埠P4相互隔絕，而將輸入第一埠P1之輸入信號S1的功率輸出至第三埠P3。
類似地，輸入信號S1亦可由平面式非對稱跨接耦合器100的第四埠P4輸入。圖4B繪示為本發明另一實施例之平面式非對稱跨接耦合器100的頻率響應圖。請參照圖4B，在本實施例中負載阻抗Zo1
設定為50Ω，而Zo2
設定為75Ω。由圖4B之模擬和實際量測的結果可看出，平面式非對稱跨接耦合器100在1GHz的位置所對應的散射係數S14
、S24
、S34
以及S44
分別約為-29.3dB、-0.28dB、-30.2dB以及-22.6dB。而功率消耗(1-|S 14
|2
-|S 24
|2
-|S 34
|2
-|S 44
|2
)約為5.5%。S14
、S34
以及S44
的20-dB頻寬分別為7%、20.5%
以及11.5%，另外S24
的0.5-dB頻寬則為17%左右。由此可知，在平面式非對稱跨接耦合器100的第四埠P4作為輸入埠的情形下，平面式非對稱跨接耦合器100亦可有效將第一埠P1與第四埠P4相互隔絕，並將第三埠P3與第四埠P4相互隔絕，而將輸入第四埠P4之輸入信號S1的功率輸出至第二埠P2。
綜上所述，本發明利用調整各枝幹的特性阻抗，以調整平面式非對稱跨接耦合器的負載阻抗以及輸出功率以符合微波電路的應用需求，使得跨接耦合器具有高設計自由度，其簡單的架構不但可應用於單層或多層平面電路中，更可降低生產的成本。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧平面式非對稱跨接耦合器
101~107‧‧‧枝幹
200A、200B‧‧‧非對稱枝幹耦合器
P1~P4、P1A~P4A、P1B~P4B‧‧‧第一埠~第四埠
Zo1
~Zo4
、Zi
、Zi1
、Zi2
‧‧‧負載阻抗
Θ‧‧‧表示功率分配量的變數
Z1
~Z7
、Za
、Zb
‧‧‧特性阻抗
S11
、S21
、S31
、S41
、S14
、S24
、S34
、S44
‧‧‧散射係數
圖1繪示為本發明一實施例之平面式非對稱跨接耦合器的示意圖。
圖2繪示為本發明一實施例之串接的非對稱枝幹耦合器的示意圖。
圖3A與圖3B分別繪示為圖2實施例之枝幹耦合器的相位與特性阻抗的關係圖。
圖4A繪示為本發明一實施例之平面式非對稱跨接耦
合器的頻率響應圖。
圖4B繪示為本發明另一實施例之平面式非對稱跨接耦合器的頻率響應圖。
101~107‧‧‧枝幹
P1~P4‧‧‧第一埠~第四埠
Zo1
~Zo4
‧‧‧負載阻抗
Claims (6)
- 一種平面式非對稱跨接耦合器，包括：一第一枝幹至一第七枝幹，其中該第一枝幹至該第四枝幹形成一第一區域，該第四枝幹至該第七枝幹形成一第二區域，該第一區域具有一第一埠與一第四埠，該第二區域具有一第二埠與一第三埠，各該枝幹之特性阻抗依據各該埠的負載阻抗與功率分配比所決定，其中該第一區域與該第二區域至少其中之一的形狀為非對稱，以配合該第一埠、該第二埠、該第三埠以及該第四埠之阻抗值。
- 如申請專利範圍第1項所述之跨接耦合器，其中各該枝幹之長度為該平面式非對稱跨接耦合器的中心頻率所對應波長長度的四分之一。
- 如申請專利範圍第1項所述之跨接耦合器，其中該第一區域與該第二區域為矩形。
- 如申請專利範圍第3項所述之跨接耦合器，其中該第一埠位於該第一枝幹與該第三枝幹的接點，該第二埠位於該第五枝幹與該第六枝幹的接點，該第三埠位於該第五枝幹與該第七枝幹的接點，該第四埠位於該第二枝幹與該第三枝幹的接點。
- 如申請專利範圍第4項所述之跨接耦合器，其中該第一埠之負載阻抗等於該第三埠之負載阻抗，該第二埠之負載阻抗等於該第四埠之負載阻抗。
- 如申請專利範圍第4項所述之跨接耦合器，其中當該第一埠為輸入埠時，該第四埠為隔離埠，而該第二埠與該第三埠為輸出埠。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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|---|---|---|---|
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Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| TW099119677A TWI433385B (zh) | 2010-06-17 | 2010-06-17 | 平面式非對稱跨接耦合器 |
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- 2010-06-17 TW TW099119677A patent/TWI433385B/zh not_active IP Right Cessation
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