TWI496344B - 多頻段之功率分配器 - Google Patents

Description

多頻段之功率分配器

本發明係有關一種多頻段之功率分配器，尤指一種可以達到六種頻段的多頻段功率分配器技術。

按，現今高頻微波電路逐漸受到矚目，在電子產業應用上的需求也愈來愈多，積體電路的應用及設計趨勢也隨之複雜化，除了要考慮到電路層面的問題之外，如何提升高頻微波電路的多頻段功能性應用，亦已成為相關技術領域業者所急欲研發與挑戰的重要課題。除此之外，隨著時代不斷演進，科技不斷更新，多頻段元件已成為新的設計主流及要求，並逐漸朝向高頻化發展。在超高頻段上有許多個頻帶，例如數位電視(DTV)、無線射頻辨識(RFID)、全球衛星定位系統(GPS)、第三代行動通訊技術(3G)以及無線區域網路(Wi-Fi)，都成為生活需求不可缺少的一部分。全球定位衛星系統的頻段約1.575GHz，3G(第三代行動通訊技術)、無線區域網路的頻段約2.4GHz，至於LTE-Taiwan(即第四代行動通訊技術4G)則包括0.7、0.9、1.8GHz等三個頻段。其中，GPS(全球衛星定位系統)之中心頻率點在1.575GHz，以提供陸地、海上與空中共計24顆高軌道衛星，週期為12個小時，準確紀錄三維位置(經度、緯度與仰角)，如附件1參考文獻[1-2]所示。另，3G(第三代行動通訊技術)指的是IMT-2000，同時能傳送聲音及資料資訊，最高速率可達到100Mbps以上，如附件1參考文獻[3]所示。至於 WCDMA頻段1.92-2.17GHz(中心頻率設為2.045GHz)，如附件1參考文獻[4]所示。至於Wi-Fi(無線網路)則可應用在許多方面，例如在室內比方在學校、工廠、住宅區、醫院及辦公大樓，以IEEE 802.11做為標準，使用頻段則在2.4-2.5GHz，共有14個頻道，每個頻道頻寬是22MHz，如附件1參考文獻[5-6]所示。此外，藍芽也是使用此頻段，如附件1參考文獻[7]所示，速度最快可達到54Mbit/s。另一方面，未來LTE-Taiwan(第四代行動通訊技術4G)即將釋照，開放主要頻段則落在0.7、0.9、1.8GHz等三個頻段，以5MHz×2為一單位，共27單位，最快速率可達到100Mbit/s以上，如附件1參考文獻[8-9]所示，將空間分為多個區塊，優點是非常簡單、增加頻寬容量。

緣是，依據目前所知，尚未有一種具備六頻段之功率分配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，終於研發出一套有別於上述文獻之技術概念的本發明。

本發明之主要目的，在於提供一種多頻段之功率分配器，主要是以多頻點電路為電路主體，並將Pi型等效電路應用在功率分配器上，使功率分配器可以工作於多種頻段上，經驗證後發現，模擬與實測的結果具有相當的一致性，進而可在第四代行動通訊技術4G(0.7、0.9、1.8GHz)、全球衛星定位系統GPS(1.575GHz)、第三代行動通訊技術3G(2.045GHz)及無線區域網路Wi-Fi(2.45GHz)等六種頻段上運作，因而得以有效提升功率分配器的功能性應用層面，藉以節省其他頻段之電路元件的開發成本。達成上述功效所採用之技術手段，其係覆設於基板上，並包括第一傳輸線、圓形 第二傳輸線、第三傳輸線及第四傳輸線。第一傳輸線連接於第二傳輸線一端。第三傳輸線自第二傳輸線的另端一側向外斜向延伸。第四傳輸線則自第二傳輸線另端的另一側向外斜向延伸。第一傳輸線與第二傳輸線連接處設有第一多頻點電路組。第二傳輸線、第三傳輸線與第四傳輸線連接處設有一與第一多頻點電路組形成左右對稱的第二多頻點電路組。第一多、第二多頻點電路組各自包含有上下對稱的多頻點電路，俾使功率分配器可以達到具備六頻段功能性的應用功效。

10‧‧‧基板

20‧‧‧第一傳輸線

21‧‧‧長矩形末伸段

22‧‧‧錐形段

23‧‧‧訊號輸入埠

30‧‧‧第二傳輸線

40‧‧‧第三傳輸線

41、51‧‧‧矩形末伸段

42、52‧‧‧訊號輸出埠

50‧‧‧第四傳輸線

60a‧‧‧第一多頻點電路組

60b‧‧‧第二多頻點電路組

61‧‧‧多頻點電路

610‧‧‧第五傳輸線

611‧‧‧第六傳輸線

610a‧‧‧延伸段

62‧‧‧橫伸傳輸線段組

A1‧‧‧橫軸線

620、621、622、623‧‧‧橫伸傳輸線段

A2‧‧‧縱軸線

圖1係習知功率分配器架構示意圖。

圖2係Pi型等效電路結構示意圖。

圖3：係本發明用Pi型短路接地方式應用在功率分配器之示意圖。

圖4係本發明六頻點等效電路結構示意圖。

圖5係本發明傳輸線等效電路示意圖。

圖6係本發明電路架構的具體實施示意圖。

圖7係本發明實體電路的具體實施示意圖。

圖8：係本發明多頻點電路之實施示意圖。

圖9係本發明模擬MWO與IE3D頻率響應圖示意圖。

圖10係本發明模擬IE3D與實測頻率響應圖示意圖。

附件1係本發明的參考文獻。

附件2係本發明電路結構的實體圖片。

壹.本發明應用與技術概念

本發明係應用在高頻微波的電路上，尤其是應用在射頻、微 波及毫米波等之被動電路上。主要是針對現在趨勢以及未來性做為設計。本發明技術概念在於，係將電路適用頻段選定為包括全球定位衛星系統GPS(1.575GHz)、3G(第三代行動通訊技術)、無線區域網路(2.4GHz)以及LTE-Taiwan(0.7、0.9、1.8GHz)(第四代行動通訊技術)等六種頻段。電路結構則以多頻點電路為主體，並以Pi型等效電路應用在功率分配器上。模擬部分則是採用電磁模擬軟體Microwave office與IE3D，實作部分則是採用FR-4雙面基板10(板材厚度為1.6mm)進行製作，藉以驗證本發明電路設計方法之正確性。再者，本發明提出之多頻點等效電路，係以Pi型等效公式，將原傳輸線做Pi型等效電路，進而應用在功率分配器上，如附件1參考文獻[10-11]所示。功率分配器又稱為分波器，Port 1為輸入端，Port 2和Port 3為平均功率分配的輸出端，如附件1參考文獻[12]所示，將兩輸出端間利用電阻增強隔離性。

貳.本發明具體實施例

請配合參看圖6~8所示，為達成本發明主要目之實施例，其係覆設於一基板10上。該多頻段分支器包括可分別產生一特性阻抗的一第一傳輸線20、一圓形之第二傳輸線30、一第三傳輸線40及一第四傳輸線50等技術特徵。圓形第二傳輸線30有通過其圓心且相互垂直的一橫軸線A1及一縱軸線A2。第一傳輸線20位於縱軸線A2一側並沿著橫軸線A1延伸而連接於第二傳輸線30一側。第三傳輸線40位於縱軸線A2另一側並與橫軸線A1具有一夾角而呈直線延伸，其一端連接於第二傳輸線30的另一側。第四傳輸線50與第三傳輸線40位於縱軸線A2同一側並與橫軸線A1具有一夾角而呈直線延伸，圖示例中，第四傳輸線50與第三傳輸線40對稱於橫軸線A1，亦即，第四傳輸線50及第三傳輸線40與橫軸線A1的夾角相等。 與第一傳輸線20位在縱軸線A2同側的位置上設有一第一多頻點電路組60a。第一多頻點電路組60a的中央連接於第一傳輸線20與第二傳輸線30連接處。與第三傳輸線40及第四傳輸線50位在縱軸線A2同側的位置上設有一第二多頻點電路組60b。第二多頻點電路組60b的中央連接於第二傳輸線30位於第三傳輸線40與第四傳輸線50之間的位置上。第一多頻點電路組60a與第二多頻點電路組60b相對於縱軸線A2呈左右對稱。第一多頻點電路組60a與第二多頻點電路組60b各自包含有相對於橫軸線A1呈對稱的多頻點電路61。每一多頻點電路61包括有一與第二傳輸線30相切且與縱軸線A2平行延伸的第五傳輸線610，接設在第五傳輸線610兩末端且與橫軸線A1平行延伸的第六傳輸線611，及複數條依序並排且與橫軸線A1平行延伸的橫伸傳輸線段620、621、622、623。

再請配合參看圖6~8所示，於一種具體的實施例中，上述第一傳輸線20末端設有一訊號輸入埠23。該第三傳輸線40與第四傳輸線50末端各自彎折延伸有一與第一傳輸線20平行的矩形末伸段41、51，該二矩形末伸段41、51各自設有一訊號輸出埠42、52。第一多頻點電路組60a與第二多頻點電路組60b分別包含一與縱軸線A2平行延伸而與第二傳輸線30外緣相切的第五傳輸線610。第一多頻點電路組60a與第二多頻點電路組60b之第五傳輸線610鄰近其兩末端分別接設有向外橫向且與橫軸線A1平行延伸的第六傳輸線611。第五傳輸線610鄰近其兩末端處各設有向外橫向且與橫軸線A1平行延伸之複數條朝向第二傳輸線30為逐漸縮短長度的一橫伸傳輸線段組62。每一橫伸傳輸線段組62包括有連接在第五傳輸線610上且自第五傳輸線610末端至中央依序並排的複數條橫伸傳輸線段620、621、622及623。第六傳輸線611較複數條橫伸傳輸線段620、621、622及 623遠離第五傳輸線610中央。實驗例中，第五傳輸線610的長度為40.718mm，第六傳輸線611的長度為48.3737mm，四條橫伸傳輸線段620、621、622、623的長度依序為27.642mm、24.187mm、21.289mm及17.7699mm。第六傳輸線611與第一鄰近第六傳輸線611之橫伸傳輸線段620的距離為6.837mm；第一鄰近第六傳輸線611之橫伸傳輸線段620與第二鄰近第六傳輸線611之橫伸傳輸線段621的距離為1.0728mm；第二鄰近第六傳輸線611之橫伸傳輸線段621與第三鄰近第六傳輸線611之橫伸傳輸線段622的距離為1.17486mm；第三鄰近第六傳輸線611之橫伸傳輸線段622與第四鄰近第六傳輸線611之橫伸傳輸線段623的距離為2.1671mm。

具體而言，該第五傳輸線610的長度為40.718mm，該第六傳輸線611的長度為48.3737mm。第六傳輸線611與第一鄰近第六傳輸線611之橫伸傳輸線段620的距離為6.837mm。橫伸傳輸線段620的長度為27.642mm。第二鄰近第六傳輸線611之第二橫伸傳輸線段621與第一鄰近第六傳輸線611之橫伸傳輸線段620的距離為1.0728mm。第二鄰近第六傳輸線611之橫伸傳輸線段621的長度為24.187mm。第三鄰近第六傳輸線611之橫伸傳輸線段622與第二鄰近第六傳輸線611之橫伸傳輸線段621的距離為1.17486mm。第三鄰近第六傳輸線611之橫伸傳輸線段622的長度為21.289mm。第四鄰近第六傳輸線611之橫伸傳輸線段623與第三鄰近第六傳輸線611之橫伸傳輸線段622的距離為2.1671mm。第四鄰近第六傳輸線611之橫伸傳輸線段623的長度為17.7699mm。第一多頻點電路組60a及第二多頻點電路組60b之第五傳輸線610分別與第二傳輸線30兩側外緣相切。第二多頻點電路組60b之二第五傳輸線610而穿過第三、第四傳輸線 40、50。各第五傳輸線610與各第六傳輸線611連接處設有一自第五傳輸線610一體向外延伸的延伸段610a。另一方面，該第一傳輸線20包含一體依序連接的一長矩形末伸段21及一錐形段22。該錐形段22一端連接長矩形末伸段21，另端則連接圓形第二傳輸線30一側及第一多頻點電路組60a。該第一傳輸線20的長度為50mm。該第三傳輸線40及第四傳輸線50與第二傳輸線30連接處至末端的距離為51.747mm。該第二傳輸線30的直徑為11.25525mm。該第一傳輸線20、第三傳輸線40及第四傳輸線50的線寬為9.82mm。該基板10的厚度厚度1.6mm，介電係數為4.3。該第一、第二、第三、第四傳輸線20、30、40、50、第一多頻點電路組60a及第二多頻點電路組60b係以印刷或蝕刻方式成型於基板10上。

貳．電路特性分析

習知功率分配器電路架構如圖1所示，係將Z_C 阻抗與電氣長度採用70.71歐姆Ohm、90°。請參看圖2所示，係將習知功率分配器之傳輸線做Pi型等效電路，如式(1)，將各元件以(ABCD)矩陣連乘計算。

其中左圖原始傳輸線，傳輸線公式如式(2)所示：

右圖等效傳輸線，左右兩側短路接地為，如式(3)所示：

式(4)為Pi型等效的中間段。

接著再給定Z、Z₁ 、β 、d，求出d₁ ，Z₁ >Z是必要的條件，如式(5)、(6)所示：cosβd =cosβd ₁ -BZ ₁ Y ₂ sinβd ₁ Z sinβd =Z ₁ sinβd ₁ jY sinβd =BY ₂ cosβd ₁ +jY ₁ sinβd ₁ +B (cosβd ₁ -BY ₂ Z ₁ sinβd ₁ )Y sinβd =BY ₂ cosβd ₁ +Y ₁ sinβd ₁ +B cosβd (5)

再來給定Z₂ 、Z、β 、d、d₁ ，求出B，如式(7)所示： 如圖(3)所示，用功率分配器Pi型單邊等效電路，Zc用Pi型等效於jB，如圖(4)將多頻點等效電路，給定B、Z₁ 、Z₂ 、Z₃ 、Z₄ 、Z₅ 、Z₆ 、Z₀₁ 、Z₀₂ 、Z₀₃ 、Z₀₄ 、Z₀₅ 、Y₀₁ 、Y₀₂ 、Y₀₃ 、Y₀₄ 、Y₀₅ 、Y_f1 、Y_f2 、Y_f3 、Y_f4 、Y_f5 、Y_f6 ，求解d₁ 、d₂ 、d₃ 、d₄ 、d₅ 、d₆ 、d₀₁ 、d₀₂ 、d₀₃ 、d₀₄ 、d₀₅ ，由圖(5)所示，利用傳輸線公式，如式(8)所示，當傳輸線為開路殘段(Z _L =∞)時，Z _in =-jZ _O cotβd 、Y _in =jY _O cotβd ，傳輸線為短路接地(Z _L =0)時，Z _in =jZ _O tanβd 、Y _in =-jY _O cotβd ，開路殘段均使用四分之一波長。

在第一頻點時(最低頻)時，給定f₁ 、Y₁ ，此時，可以 求得出d₁ 、d₀₁ ，運算如式(9)、(10)所示：

在第二個頻段點時，給定f₂ 、Y₂ 、d₀₁ 、Y₀₁ ，，可以 求得出d₂ 、d₀₂ ，運算式如式(11)、(12)所示：

在第三個頻段點時，給定f₃ 、Y₃ 、d₀₂ 、Y₀₂ ，，可以 求得出d₃ 、d₀₃ ，運算式如式(13)、(14)所示：

在第四個頻段點時，給定f₄ 、Y₄ 、d₀₃ 、Y₀₃ ，，可以 求得出d₄ 、d₀₄ ，運算式如式(15)、(16)所示：

在第五個頻段點時，給定f₅ 、Y₅ 、d₀₄ 、Y₀₄ ，，可以 求得出d₅ 、d₀₅ ，運算式如式(17)、(18)所示：

如式(19)、(20)所示：

再應用微帶線公式，傳輸線寬度W利用式(21-a)、(21-b)、(21-c)、(21-d)、(21-e)、(21-f)、(21-g)求出，其中ε _e 代表均勻介質、Zo代表特性阻抗、d代表介質厚度、ε _r 代表介質板。

參.電路設計與量測

將習知功率分配器Z_c 阻抗與電氣長度用70.71歐姆ohm、90°，原電路Port1、Port2、Port 3饋入阻抗50歐姆ohm，寬度3.108mm，原 電路等於Pi型等效，中心頻率點設定，用求 出β =33.0087，d=0.0475873m，給定Zca=100歐姆ohm、βd ₁ =45°、d₁ =0.02379367147m，求解出B₁ =0.01S，給定Y₁ 、Y₂ 、Y₃ 、Y₄ 、Y₅ 、Y₆ 、Y_O1 、Y_O2 、Y_O3 、Y_O4 、Y_O5 =0.01S，Y_f1 、Y_f2 、Y_f3 、Y_f4 、Y_f5 =0.01S，求出d_o1 =0.030591067 m、d_o2 =0.036649445m、d_o3 =0.041637841 m、d_o4 =0.047586104m、d_o5 =0.083275683 m、d₁ =0.045886601 m、d₂ =0.003730768 m、d₃ =0.002022578 m、d₄ =0.001846892 m、d₅ =0.011771383m、d₆ =0.008103412m，再應用微帶線公式，給定Zo=100 ohm、d=1.6mm、ε _r =4.3，求出微帶線寬度W=0.717mm。

請參看圖6及附件2圖片所示，係本發明整體電路尺寸圖， 圖6中多頻點等效電路部分則如圖7所示，藉以求出d₁ =3.108mm、d₂ =0.0475873mm、L₁ =50mm、L₂ =11.25525mm、L₃ =51.747mm、L₄ =48.3737mm、W₁ =9.82mm、W₂ =40.718mm、W₃ =49.5226mm、L₅ =48.3737mm、L₆ =27.642mm、L₇ =24.187mm、L₈ =21.28918mm、L₉ =17.7699mm、W₄ =3.661mm、W₅ =6.837mm、W₆ =1.0728mm、W₇ =1.17486mm、W₈ =2.1671mm、W₉ =26.43216mm。

請參看附件2圖片所示，為本發明電路實體的圖片，其中，電路板材採用FR4雙面板，介電係數4.3，實體電路尺寸則為6 cm×9.6 cm。至於圖9代表模擬MWO與IE3D模擬頻率響應圖。圖10則代表模擬IE3D與實測頻率響應圖，再由圖9、10中得知，模擬與實測結果有相當大的一致性，並且可以操作在第四代行動通訊技術LTE-Taiwan(0.7、0.9、1.8GHz)、GPS(1.575GHz)、第三代行動通訊技術3G(2.045GHz)及無線區域網路Wi-Fi(2.45GHz)上運作。

肆.結論

因此，藉由上述之具體實施例說明，本發明確實為具備六種頻段的功率分配器，其中可供應用的頻段包括第四代行動通訊技術LTE-Taiwan、第三代行動通訊技術3G、無線區域網路Wi-F以及全球衛星定位系統GPS等頻段，實作部分是採用FR-4雙面板進行實作(ε _r =4.3h=1.6mm)，模擬部分則是使用電磁模擬軟體Microwave office與IE3D進行模擬，以多頻點電路為基底，用Pi型做為多頻點等效，應用在功率分配器上，經驗證後發現，模擬與實測的結果具有相當的一致性。

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。

20‧‧‧第一傳輸線

21‧‧‧長矩形末伸段

22‧‧‧錐形段

23‧‧‧訊號輸入埠

30‧‧‧第二傳輸線

40‧‧‧第三傳輸線

41、51‧‧‧矩形末伸段

42、52‧‧‧訊號輸出埠

50‧‧‧第四傳輸線

60a‧‧‧第一多頻點電路組

60b‧‧‧第二多頻點電路組

61‧‧‧多頻點電路

610‧‧‧第五傳輸線

611‧‧‧第六傳輸線

610a‧‧‧延伸段

62‧‧‧橫伸傳輸線段組

620、621、622、623‧‧‧橫伸傳輸線段

A1‧‧‧橫軸線

A2‧‧‧縱軸線

Claims (10)

1. 一種多頻段之功率分配器，其係於覆設於一基板上，該多頻段分支器包括可分別產生一特性阻抗的一第一傳輸線、一圓形之第二傳輸線、一第三傳輸線及一第四傳輸線；該圓形第二傳輸線有通過其圓心且相互垂直的一橫軸線及一縱軸線；該第一傳輸線位於該縱軸線一側並沿著該橫軸線延伸而連接於該第二傳輸線一側；該第三傳輸線位於該縱軸線另一側並與橫軸線具有一夾角而呈直線延伸，其一端連接於該第二傳輸線的另一側，另一端用以連接一訊號輸出埠；該第四傳輸線與該第三傳輸線位於該縱軸線同一側並與該橫軸線具有一夾角而呈直線延伸；與該第一傳輸線位在該縱軸線同側的位置上設有一第一多頻點電路組；該第一多頻點電路組的中央連接於該第一傳輸線與該第二傳輸線連接處；與該第三傳輸線及該第四傳輸線位在該縱軸線同側的位置上設有一第二多頻點電路組；該第二多頻點電路組的中央連接於該第二傳輸線位於該第三傳輸線與該第四傳輸線之間的位置上；該第一多頻點電路組與該第二多頻點電路組相對於該縱軸線呈左右對稱；該第一多頻點電路組與該第二多頻點電路組各自包含有相對該橫軸線呈對稱的多頻點電路；每一多頻點電路包括有一與該第二傳輸線相切且與該縱軸線平行延伸的第五傳輸線，接設在第五傳輸線兩末端且與該橫軸線平行延伸的第六傳輸線，及複數條依序並排且與該橫軸線平行延伸的橫伸傳輸線段。
2. 如請求項1所述之多頻段之功率分配器，其中，該第四傳輸線與該第三傳輸線對稱於該橫軸線。
3. 如請求項1所述之多頻段之功率分配器，其中，該第一傳輸線末端設有一訊號輸入埠，該第三傳輸線與該第四傳輸線末端各自延伸有一與該第一傳輸線平行的矩形末伸段，該二矩形末伸段各自設有一訊號輸出埠。
4. 如請求項1所述之多頻段之功率分配器，其中，該複數條橫伸傳輸線段之數量為四，其長度朝向第二傳輸線依序逐漸縮短；該第六傳輸線較該複數條橫伸傳輸線段遠離該第五傳輸線中央。
5. 如請求項4所述之多頻段之功率分配器，其中，該第五傳輸線的長度為40.718mm，該第六傳輸線的長度為48.3737mm，該四條橫伸傳輸線段的長度依序為27.642mm、24.187mm、21.289mm及17.7699mm；該第六傳輸線與第一鄰近該第六傳輸線之該橫伸傳輸線段的距離為6.837mm；第一鄰近該第六傳輸線之該橫伸傳輸線段與第二鄰近該第六傳輸線之該橫伸傳輸線段的距離為1.0728mm；第二鄰近該第六傳輸線之該橫伸傳輸線段與第三鄰近該第六傳輸線之該橫伸傳輸線段的距離為1.17486mm；第三鄰近該第六傳輸線之該橫伸傳輸線段與第四鄰近該第六傳輸線之該橫伸傳輸線段的距離為2.1671mm。
6. 如請求項1所述之多頻段之功率分配器，其中，二該第五傳輸線分別與該第二傳輸線之兩側外緣相切。
7. 如請求項1所述之多頻段之功率分配器，其中，各該第五傳輸線與各該第六傳輸線連接處設有一自該第五傳輸線一體向外延伸的延伸段。
8. 如請求項1所述之多頻段之功率分配器，其中，該第一傳輸線包含一體連接的一長矩形末伸段及一錐形段，該錐形段一端連接該長矩形末伸段，另端則連接該第一多頻點電路組。
9. 如請求項1所述之多頻段之功率分配器，其中，該第一傳輸線的長度為50mm，該第三傳輸線及該第四傳輸線與該第二傳輸線連接處至末端的距離為51.747mm，該第二傳輸線的直徑為11.25525mm。
10. 如請求項1所述之多頻段之功率分配器，其中，該基板的厚度為1.6mm，介電係數為4.3，該第一、第二、第三、第四傳輸線、該第一多頻點電路組及該第二多頻點電路組係以印刷或蝕刻方式成型於該基板上。