TWI505545B - 一進四出之功率分配器 - Google Patents

Description

一進四出之功率分配器

本發明是有關於一種功率分配器，特別是指一種微帶線結構的功率分配器。

參見圖1所示，習知一種一進四出的功率分配電路1是由三顆一進二出之繞線式變壓器(transformer)11、12、13和複數電阻(圖未示)所組成，但採用繞線式變壓器存在一些缺點：1、元件成本較高；2、焊接前需以人工整理繞線式功率分配器的腳位，方可進行焊接，因此只能採用人工焊接，無法使用SMT技術焊接，花費工時較長；3、繞線式變壓器以人工焊接腳位，會因為不同人焊接而在特性上出現差異。

因此，為降低成本、焊接工時以及不同人焊接所可能產生的特性差異，習知一種以微帶線功率分配器(power divider)為設計基礎的微帶線結構功率分配器因運而生。如圖2所示，即為習知一種採用3組單段之一輸入二輸出微帶線結構功率分配器21、22、23所組成的一進四出功率分配器2，但是由圖3模擬一進四出功率分配器2呈現該一進四出功率分配器2的S參數可以發現到，其在工作頻率50MHz及700MHz處的反射係數S(1,1)不佳，造成工作頻寬不足，以致無法適用在50MHz~806MHz此一工作頻段範圍。

因此，本發明之目的，即在提供一種一進四出功率分配器，其可改善以微帶線功率分配器為設計基礎的微帶線結構一進四出功率分配器的工作頻寬。

為達到上述目的，本發明一進四出功率分配器工作在一特定頻段，並包括一第一微帶線功率分配器、一第一四分之一波長微帶線、一第二微帶線功率分配器、一第二四分之一波長微帶線及一第三微帶線功率分配器。

該第一微帶線功率分配器，具有一輸入端及二輸出端；該第一四分之一波長微帶線的長度為該特定頻段其中之一特定頻率之訊號的四分之一波長，且其一端與該第一微帶線功率分配器的其中一輸出端電耦接，其特性阻抗與該輸出端的輸出阻抗相同；該第二微帶線功率分配器具有一輸入端及二輸出端，其輸入端與該第一四分之一波長微帶線的另一端電耦接，且該輸入端之輸入阻抗與該第一四分之一波長微帶線的特性阻抗相同；該第二四分之一波長微帶線的一端與該第一微帶線功率分配器的其中另一輸出端電耦接，且其特性阻抗與該另一輸出端之輸出阻抗相同；該第三微帶線功率分配器，具有一輸入端及二輸出端，其輸入端與該第二四分之一波長微帶線的另一端電耦接，並且該輸入端之輸入阻抗與該第二四分之一波長微帶線的特性阻抗相同。

較佳地，該第一微帶線功率分配器、第二微帶線功率分配器及第三微帶線功率分配器皆是以Wilkinson功率分配器為設計基礎的微帶線結構之功率分配器。

較佳地，該第一微帶線功率分配器、第二微帶線功率分配器及第三微帶線功率分配器皆包括一條與輸入端連接之第一微帶線，兩條串接在輸入端與其中一輸出端之間的第二微帶線及第三微帶線，兩條串接在輸入端與其中另一輸出端之間的第四微帶線及第五微帶線，以及一並接在第二微帶線與第三微帶線之接點和第四微帶線與第五微帶線之接點之間的輸出電阻，且該第一、第三及第五微帶線的特性阻抗為Zo，該第二及第四微帶線的特性阻抗為 Zo 。較佳地，Zo為75歐姆。

較佳地，該第一微帶線功率分配器其中之一輸出端的輸出阻抗等於該第三微帶線的特性阻抗，其中另一輸出端的輸出阻抗等於該第五微帶線的特性阻抗，且該第一、第二及第三微帶線功率分配器之輸入端的輸入阻抗等於該第一微帶線的特性阻抗。

較佳地，該一進四出之功率分配器還包括五顆電阻，分別串接在該第一微帶線功率分配器的輸入端、該第二微帶線功率分配器的兩個輸出端，以及該第三微帶線功率分配器的兩個輸出端。

較佳地，該特定頻段為50MHz~806MHz，該特定頻率為700MHz，且該第一及第二四分之一波長微帶線的特性阻抗為75歐姆，且該電阻之阻值為15歐姆。

本發明的功效在於藉由在第一微帶線功率分配器與第二微帶線功率分配器之間加入第一四分之一波長微帶線，以及在第一微帶線功率分配器與第三微帶線功率分配器之間加入第二四分之一波長微帶線做為阻抗匹配，改善了在特定頻率(700MHz)之反射係數不佳問題，增加一進四出功率分配器的工作頻寬；並藉由在第一微帶線功率分配器的輸入端、第二微帶線功率分配器的兩個輸出端，以及第三微帶線功率分配器的兩個輸出端分別串接一電阻，改善了在特定頻率(50MHz)之處阻抗過低而造成反射係數較差的現象，進一步增加一進四出功率分配器的工作頻寬，使其能工作在更低的頻段，藉此取代繞線式的變壓器並工作在上述特定頻段中，進而達到降低成本、節省人工工時及提高工作穩定性之功效和目。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

參見圖4所示，是本發明一進四出功率分配器的第一較佳實施例，本實施例一進四出功率分配器3製作在一印刷電路板上且工作在一特定頻段，並包括一第一微帶線功率分配器31、一第一四分之一波長微帶線32、一第二微帶線功率分配器33、一第二四分之一波長微帶線34及一第三微帶線功率分配器35。

第一微帶線功率分配器31、第二微帶線功率分配器33及第三微帶線功率分配器35皆是以Wilkinson功率分配器(power divider)為設計基礎的微帶線結構之功率分配器，並各別具有一輸入端311、331、351及二輸出端312、313、332、333、352、353；且每一功率分配器31、33、35(以功率分配器31為例)，包括一與輸入端311連接之第一微帶線314，兩條串接在輸入端311與其中一輸出端312之間的第二微帶線315及第三微帶線316，兩條串接在輸入端311與其中另一輸出端313之間的第四微帶線317及第五微帶線318，以及一並接在第二微帶線315與第三微帶線316之接點和第四微帶線317與第五微帶線318之接點之間的輸出電阻Ro。

且在本實施例中，一進四出功率分配器3工作之特定頻段為50MHz~806MHz，而其中第二及第四微帶線315、317的長度為特定頻段其中之一特定頻率之訊號的四分之一波長，且該特定頻率為操作頻段的中心頻率428MHz，而該四分之一波長微帶線長度會因為微帶線曲折次數增加而增加(如圖8所示)，主要是在實際佈線線時，為得到較小的佈線面積，而使用曲折線的方式來佈線，而這個佈線方法會造成線與線的耦合效應，在較小的耦合效應下，需要較長的微帶線長度才能保持操作頻率不變。第一微帶線314主要是功率分配器3的輸入微帶線，一般在佈線時盡量避免較長的線長，主要可避功率分配器有過大的損耗，而第三微帶線316與第五微帶線318為功率分配器3的輸出微帶線，在設計上需越短越好。第一、第三及第五微帶線314、316、318的特性阻抗為Zo，第二及第四微帶線315、317的特性阻抗為 Zo ，且在本實施例中Zo為75歐姆。本實施例中的印刷電路板之絕緣基板材質是使用FR4，FR4的介電係數通常落於4-4.7之間，在此取其中間值4.4。計算微帶線長寬，除介電係數外，還需要絕緣基板厚度(實施例為0.8mm)、正切損耗(實施例為0.0245)、金屬層厚度(實施例為0.035mm)及計算所需的參考頻率點。在以TRL(傳輸線)計算軟體(例如serenade)計算時，輸入上述參數即可求得上述微帶線之長寬。但在不同材質的絕緣基板上，其設計方法不變，只有計算得到的微帶線尺寸會有所不同。藉此，使得第一微帶線功率分配器31、第二微帶線功率分配器33及第三微帶線功率分配器35的輸入端311、331、351之輸入阻抗，以及二輸出端312、313、332、333、352、353的輸出阻抗與第一、第三及第五微帶線314、316、318的特性阻抗Zo相同，即75歐姆。

第一四分之一波長微帶線32的一端與第一微帶線功率分配器31的其中一輸出端312電耦接，其長度為上述特定頻段其中之一特定頻率，即700MHz之訊號的四分之一波長(以700MHz為中心頻率計算得到的四分之一波長微帶線)，且其特性阻抗與第一微帶線功率分配器31的輸出端312之輸出阻抗(或第三微帶線316之特性阻抗Zo)相同，即75歐姆。且第二微帶線功率分配器33的輸入端331與第一四分之一波長微帶線32的另一端電耦接，且其輸入端331的輸入阻抗(或第一微帶線334之特性阻抗Zo)與第一四分之一波長微帶線32的特性阻抗相同。

第二四分之一波長微帶線34的一端與第一微帶線功率分配器31的其中另一輸出端313電耦接，其長度與第一四分之一波長微帶線32相同，為上述特定頻段其中之該特定頻率，即700MHz之訊號的四分之一波長，且其特性阻抗與第一微帶線功率分配器31的另一輸出端313的輸出阻抗(或第五微帶線318之特性阻抗Zo)相同，即75歐姆。且第三微帶線功率分配器35的輸入端351與第二四分之一波長微帶線34的另一端電耦接，且其輸入端351的輸入阻抗(或第一微帶線354之特性阻抗Zo)與第二四分之一波長微帶線34的特性阻抗相同。

且在此實施例中，第一四分之一波長微帶線32的總長度需包含第三微帶線316，同理第二四分之一波長微帶線34的總長度需包含第五微帶線318。

因此，藉由加入第一四分之一波長微帶線32在第一微帶線功率分配器31與第二微帶線功率分配器33之間，以及加入第二四分之一波長微帶線34在第一微帶線功率分配器31與第三微帶線功率分配器35之間做為阻抗匹配，參見圖5所示，使用Microwave Office來作分析模擬，本實施例一進四出功率分配器3工作在特定頻段50MHz~806MHz所得到的S參數，可以發現在特定頻率700MHz附近的反射係數S(1,1)都小於-8dB，與上述習知一進四出功率分配器2相較，有效增加了本實施例一進四出功率分配器3的工作頻寬。不過在也可看見其在工作頻率50MHz的反射係數仍然大於-8dB，原因在於，由圖6所示本實施例一進四出功率分配器3工作在特定頻段50MHz~806MHz之輸入阻抗及輸出阻抗，可以發現本實施例一進四出功率分配器3工作在50MHz時的特性阻抗是呈現低阻抗，較難與75歐姆阻抗匹配，因而造成本實施例工作在50MHz時的反射係數特性不佳。

因此，如圖7所示，本發明一進四出功率分配器的第二較佳實施例，是在原先第一實施例之一進四出功率分配器3的第一微帶線功率分配器31的輸入端311、第二微帶線功率分配器33的兩個輸出端332、333，以及第三微帶線功率分配器35的兩個輸出端352、353各別串接一顆電阻R來增加一進四出功率分配器3的輸入及輸出阻抗，且電阻R的阻值約在10歐姆左右，在本實施例是以15歐姆為例，當然電阻R的阻值並非限定在10歐阻左右，主要是以最低工作頻率例如本實施例之50MHz的反射係數的高低來決定其阻值，來對應適當調整電阻R的阻值。且本實施例一進四出功率分配器之實體電路示意圖如圖8所示。

藉此，從圖9所示模擬本實施例一進四出功率分配器工作在特定頻段50MHz~806MHz所得到的S參數，可以發現反射係數S(1,1)從50MHz到806MHz都在-10dB以下，特性相當不錯，而且傳輸係數S(2,1)也未小於-10dB。

綜上所述，上述實施例利用在第一微帶線功率分配器31與第二微帶線功率分配器33之間加入第一四分之一波長微帶線32，以及在第一微帶線功率分配器31與第三微帶線功率分配器35之間加入第二四分之一波長微帶線34，做為阻抗匹配，改善了在特定頻率700MHz之反射係數不佳問題，增加一進四出功率分配器3的工作頻寬；並藉由在第一微帶線功率分配器31的輸入端311、第二微帶線功率分配器33的兩個輸出端332、333，以及第三微帶線功率分配器35的兩個輸出端352、353分別串接電阻R，改善了在頻率50MHz之處阻抗過低而造成反射係數較差的現象，進一步增加一進四出功率分配器3的工作頻寬，並使其能工作在更低的頻段。此外本發明藉由改善微帶線架構之一進四出功率分配器的特性，使其可以取代繞線式的變壓器並工作在上述特定頻段中，進而達到降低成本、節省人工工時及提高工作穩定性之功效和目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

3．．．一進四出之功率分配器

31．．．第一微帶線功率分配器

32．．．第一四分之一波長微帶線

33．．．第二微帶線功率分配器

34．．．第二四分之一波長微帶線

35．．．第三微帶線功率分配器

311、331、351．．．輸入端

312、313、332、333、352、353．．．輸出端

314、334、354．．．第一微帶線

315．．．第二微帶線

316．．．第三微帶線

317．．．第四微帶線

318．．．第五微帶線

Ro．．．輸出電阻

R．．．電阻

圖1是習知採用繞線式變壓器所組成的一種一進四出的功率分配電路；

圖2是習知一種採用3組單段之一輸入二輸出微帶線結構功率分配器所組成的一進四出功率分配器；

圖3是模擬圖2一進四出功率分配器所測得的S參數曲線圖；

圖4是本發明一進四出功率分配器的第一較佳實施例的電路示意圖；

圖5是模擬圖4第一實施例之一進四出功率分配器所測得的S參數曲線圖；

圖6顯示第一實施例一進四出功率分配器工作在特定頻段50MHz~806MHz之輸入阻抗及輸出阻抗曲線圖；

圖7是本發明一進四出功率分配器的第二較佳實施例的電路示意圖；及

圖8是第二實施例一進四出功率分配器之實體電路示意圖；及

圖9是模擬第二實施例一進四出功率分配器所測得的S參數曲線圖。

3．．．一進四出之功率分配器

31．．．第一微帶線功率分配器

32．．．第一四分之一波長微帶線

33．．．第二微帶線功率分配器

34．．．第二四分之一波長微帶線

35．．．第三微帶線功率分配器

311、331、351．．．輸入端

333、352、353．．．輸出端

312、313、332．．．輸出端

314、334、354．．．第一微帶線

315．．．第二微帶線

316．．．第三微帶線

317．．．第四微帶線

318．．．第五微帶線

Ro．．．輸出電阻

Claims (6)

1. 一種一進四出之功率分配器，工作在一特定頻段，並包括：一第一微帶線功率分配器，具有一輸入端及二輸出端；一第一四分之一波長微帶線，其長度為該特定頻段其中之一特定頻率之訊號的四分之一波長，且其一端與該第一微帶線功率分配器的其中一輸出端電耦接，其特性阻抗與該輸出端的輸出阻抗相同；一第二微帶線功率分配器，具有一輸入端及二輸出端，其輸入端與該第一四分之一波長微帶線的另一端電耦接，且該輸入端之輸入阻抗與該第一四分之一波長微帶線的特性阻抗相同；一第二四分之一波長微帶線，其長度為該特定頻率之訊號的四分之一波長，且其一端與該第一微帶線功率分配器的其中另一輸出端電耦接，且其特性阻抗與該另一輸出端之輸出阻抗相同；及一第三微帶線功率分配器，具有一輸入端及二輸出端，其輸入端與該第二四分之一波長微帶線的另一端電耦接，並且該輸入端之輸入阻抗與該第二四分之一波長微帶線的特性阻抗相同；其中該第一微帶線功率分配器、第二微帶線功率分配器及第三微帶線功率分配器皆包括一條與輸入端連接之第一微帶線，兩條串接在輸入端與其中一輸出端之間的第二微帶線及第三微帶線，兩條串接在輸入端與其中另一輸出端之間的第四微帶線及第五微帶線，以及一並接在第二微帶線 與第三微帶線之接點和第四微帶線與第五微帶線之接點之間的輸出電阻，且該第一、第三及第五微帶線的特性阻抗為Zo，該第二及第四微帶線的特性阻抗為 Zo ；且該第一微帶線功率分配器其中之一輸出端的輸出阻抗等於該第三微帶線的特性阻抗，其中另一輸出端的輸出阻抗等於該第五微帶線的特性阻抗，且該第一、第二及第三微帶線功率分配器之輸入端的輸入阻抗等於該第一微帶線的特性阻抗。
2. 依據申請專利範圍第1項所述的一進四出之功率分配器，其中該第一微帶線功率分配器、第二微帶線功率分配器及第三微帶線功率分配器皆是以Wilkinson功率分配器為設計基礎的微帶線結構之功率分配器。
3. 依據申請專利範圍第1項所述的一進四出之功率分配器，其中Zo為75歐姆。
4. 依據申請專利範圍第1或2項所述的一進四出之功率分配器，還包括五顆電阻，分別串接在該第一微帶線功率分配器的輸入端、該第二微帶線功率分配器的兩個輸出端，以及該第三微帶線功率分配器的兩個輸出端。
5. 依據申請專利範圍第1或2項所述的一進四出之功率分配器，其中該特定頻段為50MHz~806MHz，且該特定頻率為700MHz。
6. 依據申請專利範圍第4項所述的一進四出之功率分配器，其中該特定頻段為50MHz~806MHz，該特定頻率為700MHz，且該第一及第二四分之一波長微帶線的特性阻抗為75歐 姆，且該電阻之阻值為15歐姆。