TWI536654B

TWI536654B - 多頻段分支器

Info

Publication number: TWI536654B
Application number: TW102118805A
Authority: TW
Inventors: 曾振東; 翁聖閔; 林宜賢
Original assignee: 國立勤益科技大學
Priority date: 2013-05-28
Filing date: 2013-05-28
Publication date: 2016-06-01
Also published as: TW201445803A

Description

多頻段分支器

本發明係有關一種多頻段分支器，尤指一種可以達到縮小化電路以增加技術應用適用性之分支器技術。

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，製程方面的設計也愈加困難。除此之外，隨著通訊科技的蓬勃發展，訴求輕、薄、短小、低價位以及高效率實已成為電子產業的發展趨勢。一項優良的元件必須具備其多樣化的功能，成為通訊產品的發展方向。其中，枝幹耦合器，如附件參考文獻[1-2]所示，即非常適合應用於正在流行的射頻、微波及毫米波等之被動電路上。枝幹耦合器的幾何結構有高度的對稱性，因任何一個端埠均可作為輸入端埠，輸出的兩個端埠位於輸入端埠的另一側，與輸入端埠同一側的另一個端埠是隔離埠，這樣的對稱性可由散射係數看出。當所有的端埠均匹配，進入輸入端埠的功率會等分到另一側的輸出端埠，沒有任何的功率會傳到隔離端埠。枝幹耦合器提供一個良好輸入輸出阻抗匹配的能力，單級的枝幹耦合器便能提供等功率分配與90度相位差的效果，用於平衡放大器和混頻器。傳統的枝幹耦合器面積較大，縮小化電路如附件參考文獻[3]所示的方法眾多：使用傳輸線等效T型電路[4]、π型電路如附件參考文獻[5-7]所示、鑿空接地結構 (Defected Ground Structure)如附件參考文獻[[8-9]所示等，藉以縮小電路尺寸。

緣是，依據目前所知，尚未有以π型等效電路設計縮短傳統四分之一波長之單級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，有鑑於此，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分支器，主要是藉由新型分支器的結構配置，而可工作於多個頻段上，且本發明電路結構是以明確的設計公式解析而得，並結合多頻阻抗設計網路，設計出多頻段阻抗網路，電路結構則以電路模擬軟體(IE3D)進行模擬、分析驗證，經模擬與實測結果顯示，本發明分支器確實可以有效的工作於第四代行動通訊技術TD-LTE(f _O=2.6GHz)、無線區域網路Wi-Fi(f _O=2.4GHz)、全球定位衛星系統GPS(f _O=1.575GHz)等三種頻段，因而具備電路縮小化以增加技術應用之適用性、電路結構簡單、設計方便與製作容易以及大幅降低生產成本等特點。達成上述功效所採用之技術手段，係包括四段依序垂直環繞呈一矩形連接而可分別產生特性阻抗的第一傳輸線、第二傳輸線、第三傳輸線及第四傳輸線。第一傳輸線與第四傳輸線連接處設有一自第一傳輸線一體向外延伸的第一延伸段。第一傳輸線與第二傳輸線連接處設有一自第一傳輸線一體向外延伸的第二延伸段。第二傳輸線與第三傳輸線連接處設有一自第三傳輸線一體向外延伸的第三延伸段。第三傳輸線與第四傳輸線連接處設有一自第三傳輸線一體向外延伸的第四延伸段。其中，第一傳輸線與第四傳輸線連接處設有一自第四傳輸線一體向外延伸的第五延伸段，第一傳輸線與第二傳輸線連接處設有一自第二傳輸線一體向外延伸的第六延伸段，第二傳輸線與第三傳輸線連接處設有一自第二傳輸線一體向外延伸的第七延伸段，第三傳輸線與第四傳輸線連接處設有一自第四傳輸線一體向外延伸的第八延伸段。第五、六、七及第八延伸段之鄰近末端位置各自設有一向外垂直延伸的傳輸線段，俾能達到縮小化電路以增加技術應用適用性之目的。

10‧‧‧基板

20‧‧‧第一傳輸線

21‧‧‧第一延伸段

22‧‧‧第二延伸段

21a、22a、41a、42a‧‧‧矩形段

21b、22b、41b、42b‧‧‧長矩形段

30‧‧‧第二傳輸線

31‧‧‧第六延伸段

32‧‧‧第七延伸段

40‧‧‧第三傳輸線

41‧‧‧第三延伸段

42‧‧‧第四延伸段

50‧‧‧第四傳輸線

51‧‧‧第五延伸段

52‧‧‧第八延伸段

60‧‧‧傳輸線段

圖1係習知分支線耦合器結構示意圖。

圖2係習知傳輸線等效結構示意圖。

圖3：係本發明第一頻阻抗設計結構示意圖。

圖4係本發明第二頻阻抗設計結構示意圖。

圖5係本發明電路結構示意圖。

圖6係本發明實體電路的具體實施示意圖。

圖7：模擬與實測之參數對照示意圖。

附件1係本發明的參考文獻。

附件2係本發明電路的實體圖片。

壹.本發明應用與技術概念

本發明主要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。本發明技術概念則是利用π型等效電路設計縮短傳統四分之一波長之單級枝幹耦合器，並利用π型等效傳輸線與傳輸矩陣(ABCD)公式，求出各阻抗值與電氣長度。在電路實際製作方面，因傳輸線不同，特性阻抗、電氣長度略有不同，利用設計公式推導出特性阻抗與電氣長度，達成縮小化電路的目的。此外，再將傳輸線添加到公式化後的分支器之上，可製作在印刷電路板上不需要添加任元件。為了使分支器有效的運用於第四代行動通訊技術TD-LTE、無線區域網路Wi-Fi、全球定位衛星系統GPS以上三個頻段，須將等效後的值利用多頻點阻抗設計網路替代分別為(Y f ₁、Y f ₂)，為達到阻抗最佳匹配在設計時選用相同的阻值，利用λ/4開路殘斷[10]時短路效果，計算出各頻段之開路殘段之長度。

壹.本發明具體實施例

請配合參看圖5、6所示，為達成本發明主要目之實施例，係於基板10覆設四段依序垂直環繞呈一矩形連接而可分別產生一特性阻抗的一第一傳輸線20、一第二傳輸線30、一第三傳輸線40及一第四傳輸線50。該第一傳輸線20與第四傳輸線50連接處設有一自第一傳輸線20一體且與第一傳輸線20相同指向而向外延伸的第一延伸段21。該第一傳輸線20與第二傳輸線30連接處設有一自第一傳輸線20一體且與第一傳輸線20相同指向而向外延伸的第二延伸段22。該第二傳輸線30與第三傳輸線40連接處設有一自第三傳輸線40一體且與第三傳輸線40相同指向而向外延伸的第三延伸段41。該第三傳輸線40與第四傳輸線50連接處設有一自第三傳輸線40一體且與第三傳輸線40相同指向而向外延伸的第四延伸段42；其中，該第一傳輸線20與第四傳輸線50連接處設有一自第四傳輸線50一體且與第四傳輸線50相同指向而向外延伸的第五延伸段51。該第一傳輸線20與第二傳輸線30連接處設有一自第二傳輸線30一體且與第二傳輸線30 相同指向而向外延伸的第六延伸段31。該第二傳輸線30與第三傳輸線40連接處設有一自第二傳輸線30一體且與第二傳輸線30相同指向而向外延伸的第七延伸段32。該第三傳輸線40與第四傳輸線50連接處設有一自第四傳輸線50一體且與第四傳輸線50相同指向而向外延伸的第八延伸段52。該第五、六、七及第八延伸段51、31、32、52之鄰近末端位置各自設有一向外垂直延伸的傳輸線段60。第一傳輸線、第二傳輸線、第三傳輸線、第四傳輸線、第一延伸段21、第二延伸段22、第三延伸段41、第四延伸段42、第五延伸段51、第六延伸段31、第七延伸段32、第八延伸段52分佈呈井字形。第五、六、七及第八延伸段51、31、32、52鄰近其末端位置各自接設有一向外垂直延伸的傳輸線段60。第一延伸段21、第四延伸段42、第二延伸段22及第三延伸段41則分別為輸出入埠。

於一種具體的實施例中，上述第一、二、三及第四延伸段21、22、41、42各自包含一矩形段21a、22a、41a、42a，及一與矩形段21a、22a、41a、42a一體連接且寬度大於矩形段21a、22a、41a、42a的長矩形段21b、22b、41b、42b。且各矩形段21a、22a、41a、42a至各長矩形段21b、22b、41b、42b的長度(L₂)皆為33.35mm。每一長矩形段21b、22b、41b、42b各自設有一訊號埠21c、22c、41c、42c。此外，各第五傳輸線與第五、六、七及第八延伸段51、31、32、52之寬度皆為等寬，且各傳輸線段60與第一、第三傳輸線20、40平行。至於上述第五、六、七及第八延伸段51、31、32、52之長度(W₂)皆為35.63mm。該傳輸線段60與第五、六、七及第八延伸段51、31、32、52之線寬(W₃)則是皆為2.64mm。該第一傳輸線20與第三傳輸線40為平行並置等長，該第二傳輸線30與第四傳輸線50為平行並置等長，該第一傳輸線20與第三傳輸線40的長度小於第二傳輸線30與第四傳輸線50。

具體而言，該第一、第二、第三及第四傳輸線20、30、40、50的線寬(W₃)皆為2.64mm。該第一傳輸線20與第三傳輸線40之間的間距(W₄)為14.54mm。該第二傳輸線30與第四傳輸線50之間的間距(L₃)則為8.89mm。此外，上述基板10的厚度約為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及線段60係以印刷或蝕刻方式成型於基板10上。

貳．電路設計與電路特性分析

本發明為一種三頻段枝幹耦合器，圖1所示為傳統單級枝幹耦合器的設計與傳輸線四分之一波長的部分。圖2之(a)部分為單一傳輸線，以傳輸矩陣(ABCD)表示如式一，其中傳輸線特性阻抗為Z_A，電氣長度為θ。圖2之(b)部分則為縮小化π型傳輸線，由一個分支線的電氣長度和特性阻抗，連接到一對分流，特性阻抗為Z₂，θ為電氣長度。以傳輸矩陣(ABCD)表示如式(2)，經化簡後得式(3)。

如式(4)和式(5)所示，觀察此二式可知，若給定單一傳輸線特性阻抗Zo、即可求出縮小化π型傳輸線特性阻抗B與電氣長度β d。

為了使分支器有效的運用於上述TD-LTE、Wi-Fi、GPS以上三個頻段，故而必須將等效後jB值利用多頻點阻抗設計網路替代分別為(Y f ₁、Y f ₂)，為達到阻抗最佳匹配Z₀、Z₁、Z_O1、Z₂在設計時選用相同的阻值，利用λ/4開路殘斷時短路效果，計算出f1頻段之開路殘段長度d₁，於f2頻段時則以鑿孔接地避免該頻率開路殘斷於低頻產生諧振，於第一頻段時阻抗網路結構如圖3利用式(6)求得長度d_1；。

如圖4設計第二頻段f₂，給定數值Y2、Y_O2、d_O2、d₂計算出Y_B如式(7)

可使用先前的式(6)之方式求出d2如式(8)。

經上述公式證明，進行枝幹耦合器之設計與測量。請配參看圖5所示，以電磁模擬軟體IE3D內含之Line Gauge計算其傳輸線之長度與寬度，可得L₁=13.43mm、L₂=33.35mm、L₃=8.89mm、W₁=26.17mm、W₂=35.63mm、W₃=2.64mm、W₄=14.54mm、W₅3.1mm。實際電路如附件2所示，尺寸為780mm×890mm。

本發明提出新型分支器傳輸線等效π型電路結構，可以達成縮小化功能，並利用傳輸矩陣(ABCD)公式進行分析電路特性與設計，可工作於多個頻段上。本發明所提出新型分支器是以明確的設計公式解析而得，並結合多頻阻抗設計網路，設計出多頻段阻抗網路。電路結構以電路模擬軟體(IE3D)進行模擬、分析驗證。模擬和實驗結果顯示結果得此新型分支器可有效的工作於TD-LTE(f _O=2.6GHz)、Wi-Fi(f _O=2.4GHz)、GPS(f _O=1.575GHz)，模擬與實測吻合，如圖7所示。

參.結論

因此，藉由上述之具體實施例說明，本發明提出新型分支器傳輸線等效π型電路結構，確實可以達成縮小化之功效，並利用傳輸矩陣(ABCD)公式進行分析電路特性與設計，可工作於多個頻段上。所提出新型分支器是以明確的設計公式解析而得，並結合多頻阻抗設計網路，設計出多頻段阻抗網路。電路結構以電路模擬軟體(IE3D)進行模擬與分析驗證。模擬和實驗結果顯示結果得知，本發明分支器確實可以有效的工作第四代行動通訊技術TD-LTE(f _O=2.6GHz)、無線區域網路Wi-Fi(f _O=2.4GHz)、全球定位衛星系統GPS(f _O=1.575GHz)等三種頻段，因此，本發明確實具備電路縮小化以增加技術應用之適用性、電路結構簡單、設計方便與製作容易以及大幅降低生產成本等特點。

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。