TWI543436B

TWI543436B - 適用於ＴＤ－ＬＴＥ、Ｗｉ－Ｆｉ、３Ｇ、ＧＰＳ四頻段威爾金森功率分配器

Info

Publication number: TWI543436B
Application number: TW102130588A
Authority: TW
Inventors: 曾振東; 周家宏; 林宜賢; 王羅綱
Original assignee: 國立勤益科技大學
Priority date: 2013-08-27
Filing date: 2013-08-27
Publication date: 2016-07-21
Also published as: TW201508988A

Description

適用於TD-LTE、Wi-Fi、3G、GPS四頻段威爾金森功率分配器

本發明係有關一種適用於TD-LTE、Wi-Fi、3G、GPS四頻段威爾金森功率分配器，尤指一種可以達到多種頻段的功率分配器技術。

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。在現今科技發達的時代，通訊產品的便利性使的通訊產品已離不開人類的生活，而對於通訊產品的需求量與要求日益提升的今日，使電路朝著縮小化及多性能方面發展是很重要的，而在通訊系統中威爾金森功率分配器(Wilkinson Power Divider)如附件1參考文獻[1][2]所示，扮演很重要的角色，威爾金森功率分配器是可以做到所有端埠的匹配，以及輸出端之間的完全隔離的三端埠網路。

近年隨著科技的演進，人與人的溝通已非常便利，而第三代行動通訊(3G)如附件參考文獻[3]所示，能處理圖像、音樂、視頻等多種媒體形式，提供網頁瀏覽、電話會議、等多種資訊服務，並擁有快速的傳輸速度達384Kbps以上，帶給人們更加便利的生活，讓大家不止能溝通還可以分享圖片讓彼此更加了解自己的日常生活，除此之外，有了Wi-Fi以後，只要使用3G手機並搭配Wi-Fi如附件參考文獻[4][5]所示，若範圍內有無線AP的架設，都可以透過個人熱點連上無線網路，不管身在何處都可以上網，另外近年推廣的TD-LTE如附件參考文獻[6][7]所示，更是目前極具潛力的下一代行動通訊系統，因LTE具技術優勢，能具體表現出高數據速率有能力提供300Mbit/s的下載速率和75Mbit/s的上傳速率，所以第四代行動通訊系統LTE儼然已成未來的趨勢。除了上述所講之外，目前全球應用定位系統(GPS)也正在迅速擴大到一般用戶市場，GPS如附件參考文獻[8][9]所示，接收器現在已經成為司空見慣的汽車和手持式電子產品，甚至被運用到行動電話上，目前，Wi-Fi、GPS、3G與LTE，都是帶給人們生活上相當便利的通訊系統。本項專利正是設計工作於此四個頻率的改良式威爾金森功率分配器。

有鑑於此，本發明即是基於上述四個頻率的改良式威爾金森功率分配器。再者，依據目前所知，尚未有一種具備上述四個頻段之威爾金森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。

本發明主要目的，在於提供一種適用於TD-LTE、Wi-Fi、3G、GPS四頻段威爾金森功率分配器，主要是藉由□型等效及多頻段線組的設置，以縮短傳統的威爾金森功率分配器四分之一波長的傳輸線，使功率分配器可工作於多種頻段上，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TD-LTE(fo=2.6GHz)、全球衛星定位系統GPS(fo=1.575GHz)、第三代行動通訊技術3G(fo=2.04GHz)及無線區域網路Wi-Fi(fo=2.45GHz)等多種頻段上運作，因而得以提升功率分配器的功能性選擇的應用層面，藉以節省其他頻段之電路元件的開發成本。達成本發明主要目的採用之技術手段，係包括第一傳輸線、圓形第二傳輸線、第三傳輸線及第四傳輸線。第一傳輸線橫向連接於第二傳輸線一側。第三傳輸線斜向延伸而以一端連接第二傳輸線的另側。第四傳輸線斜向延伸而以一端連接第二傳輸線的另側。第二傳輸線二側分別第一多頻段線組及第二多頻段線組。第一多頻段線組的中央連接於第一傳輸線與第二傳輸線連接處。第二多頻段線組的中央連接於第二傳輸線位於第三傳輸線與第四傳輸線連接處。第一多頻段線組與第二多頻段線組呈左右對稱，俾使功率分配器具備多頻段廣泛應用的功能。

10‧‧‧基板

20‧‧‧第一傳輸線

21‧‧‧訊號輸入埠

22‧‧‧第一長矩形末伸段

23‧‧‧錐形段

30‧‧‧第二傳輸線

40‧‧‧第三傳輸線

41、51‧‧‧第二長矩形末伸段

42、52‧‧‧訊號輸出埠

50‧‧‧第四傳輸線

60a‧‧‧第一多頻段線組

60b‧‧‧第二多頻段線組

61‧‧‧第五傳輸線

62‧‧‧第六傳輸線

63‧‧‧第七傳輸線

64‧‧‧第一線段

65‧‧‧第二線段

66‧‧‧第三線段

67‧‧‧第四線段

X1‧‧‧橫軸線

Y1‧‧‧縱軸線

圖1係本發明四頻點威爾金森功率分配器電路結構。

圖2係傳統的威爾金森功率分配器示意圖。

圖3：係□型等效電路圖示意圖。

圖4係本發明單頻(f=2.6GH)阻抗設計電路示意圖。

圖5係本發明雙頻點(f=2.6GH)與(f=2.45GH)阻抗設計電路示意圖。

圖6係本發明三頻點(f=2.6GH)與(f=2.45GH)與(f=2.04GH)阻抗設計電路示意圖。

圖7係本發明四頻點(f=2.6GH)與(f=2.45GH)與(f=2.04GH)與(f=1.575GH)阻抗設計電路示意圖。

圖8：係本發明電路結構尺寸示意圖。

圖9係本發明實體電路之實施示意圖。

圖10係本發明實作與模擬頻率響應比較示意圖。

附件係本發明參考文獻。

壹.本發明具體實施例

請配合參看圖8、9所示，為達成本發明主要目之實施例，本發明威爾金森功率分配器係以印刷或蝕刻方式成型於基板10上。其係於於基板10上依序設置包括可分別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。該第二傳輸線30具有通過其圓心且相互垂直之一橫軸線X1及一縱軸線Y1，上述橫軸線X1及縱軸線Y1僅是方便界定本發明各傳輸線所在位置的虛擬軸線。該第一傳輸線20位於縱軸線Y1一側並沿著橫軸線X1延伸而連接於第二傳輸線30一側。該第三傳輸線40位於縱軸線Y1另一側並與橫軸線X1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。該第四傳輸線50與第三傳輸線40位於縱軸線Y1同一側並與橫軸線X1具有一夾角而呈直線延伸，第四傳輸線50與第三傳輸線40對稱於橫軸線X1。此外，與第一傳輸線20位在縱軸線Y1同側的位置上設有一第一多頻段線組60a。該第一多頻段線組60a的中央連接於第一傳輸線20與第二傳輸線30連接處。又，與第三傳輸線40及第四傳輸線50位在縱軸線Y1同側的位置上設有一第二多頻段線組60b，第二多頻段線組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連接處。第一多頻段線組60a與第二多頻段線組60b相對於縱軸線Y1呈左右對稱，且各自包括一與第二傳輸線30相切且與縱軸線Y1平行延伸的第五傳輸線61、二分別接設在第五傳輸線61兩末端且與橫軸線X1平行而向外延伸的第六傳輸線62、二分別接設在第六傳輸線62末端且與縱軸線Y1平行而朝向第二傳輸線30延伸的第七傳輸線63、二分別接設在第五傳輸線61之中段與兩末端之間且與橫軸線X1平行而向外延伸的第一線段64、二分別接設在第五傳輸線61而平行並置於該第一線段64內側的第二線段65、二分別接設在第五傳輸線61靠近第一線段64且與橫軸線X1平行而向內延伸的第三線段66,及二分別接設在第三線段66末端且與縱軸線Y1平行而分別向第五傳輸線61之兩末端延伸的第四線段67。至於各第七傳輸線63之末端則為接地端。而且，上述第二線段65的長度短於第一線段64。

再請配合參看圖8、9所示，於一種具體的實施例中，上述第一傳輸20線末端設有一訊號輸入埠21。該第一傳輸線20包含一體連接的一第一長矩形末伸段22及一錐形段23，錐形段23一端連接長矩形末伸段22，另端則連接第一多頻段線組60a。該第三傳輸線40與第四傳輸線50的末端各自一體連接一第二長矩形末伸段41、51，第二長矩形末伸段41、51的長度(L8)為8.23mm，線寬(PW)則為3.1mm，且二矩形末伸段41各自設有一訊號輸出埠42、52。另，該二第五傳輸線61分別與第二傳輸線30之兩側外緣相切。第一傳輸線20的長度(L7)為22mm。第二傳輸線30之圓形內徑為2.3mm，圓形外徑為3mm。第六傳輸線62的長度(L10)為6.43mm。第七傳輸線63的長度(L4)為20mm。第一線段64(L5)的長度為17.79mm。第二線段65(L6)的長度為16.78mm。第三線段66的長度(L9)為2.11mm。第四線段67的長度(L3)為20mm。第一傳輸線20至第二線段65的距離(L1)為mm24.28。第一線段64至第六傳輸線62的距離(L2)為31.47mm。

貳．電路分析與量測

本發明所提出之四頻段的威爾金森功率分配器電路結構如圖1所示，係將傳統的威爾金森功率分配器四分之一波長的傳輸線縮短，如圖2所示之特性阻抗給定為Z=70.7Ω、θ=90⁰，運用傳輸線特性阻抗公式如式(1)-(2)與傳輸矩陣ABCD分析並進行□型等效如圖3所示，計算結果如示(3)-(5)。

根據□型等效結果化簡並給定特性阻抗Z₁即可求出□型等效之後的電器長度θ ₁與□型等效之後的傳輸線之特性導納B值如示(6)-(7)。

將所求出之jB值帶入多頻點阻抗電路設計公式中，並以 (Y_f1，Y_f2，Y_f3，Y_f4)代替，首先是頻率於2.6GHz計算電路如圖4所示，運用傳輸線阻抗公式，並給定f₁、Y_f1、Y₁、Y_O1與d_O1即可求得d₁如式(8)-(11)。

Y_n=-j Y₁cot β₁d₁ (10)

接著求出雙頻電路(f=2.6GHz)、(f=2.45GHz)如圖5所示，欲求出d₂需先給定f₂、d₁、Y₁、Y₂、d_O1、Y_O1、d_O2並根據上述公式即可求得d2，如式(10)所示：

圖7為四頻點電路(f=2.6GHz)、(f=2.45GHz)、(f=2.04GHz)、(f=1.575GHz)，給定f₄、Y_f4、d₁、d₂、d₃、Y₁、Y₂、Y₃、Y₄、d_O1、d_O2、d_O3、d_O4、Y_O1、Y_O2、Y_O3、Y_O4，並藉由公式(14)如下所示，即可得知d4。

根據之前的公式計算出的結果，帶入電路中，即可得知此電路各段傳輸線與開路殘斷的長度，藉由電磁模擬軟體(IE3D)內建的Line Gauge計算出結構尺寸，如圖8所示，其尺寸為圓圈內徑=2.3mm、圓圈外徑=3mm、L₁=24.28mm、L₂=31.47mm、L₃=20mm、L₄=20mm、L₅=17.79mm L₆= 16.78mm、L₇=22mm、L₈=8.23mm、L₉=2.11mm、L₁₀=6.43mm、Pw=3.1mm，電路中間綠色方塊為威爾金森功率分配器電阻100Ω。圖9為四頻段威爾金森功率分配器實體電路圖，使用FR4印刷電路雙面板製作，基板厚度為1.6mm，相對介電係數(ε r)4.3，電路尺寸為120mm*50mm。圖10為模擬與實測之頻率響應比較圖，橫軸為頻率，起始頻率為0GHz結束頻率為4GHz，縱軸為大小單位為dB，以0dB開始至-40dB觀察通帶特性之變化，圖中四條紅色實線分別為TD-LTE、Wi-Fi、3G、GPS操作頻率，虛線為電磁模擬軟體(IE3D)之結果，實線為實際電路量測結果，實作與模擬之|S₁₁|與|S₃₂|皆以-10dB做為參考點，而實作與模擬之|S₂₁|、|S₃₁|都非常接近-3dB說明此電路匹配良好，並由實作與模擬之特性得知電路具有良好的一致性。

參.結論

因此，藉由上述之具體實施例說明，本發明確實確實為具備四頻段的威爾金森功率分配器，可運用於TD-LTE、Wi-Fi、3G、GPS四個頻率點上，並將傳統的威爾金森功率分配器進行□型等效，達到電路縮小化的效果，藉由多頻點阻抗設計公式與傳輸矩陣(ABCD)，運用電磁模擬軟體(Microwave office)和(IE3D)模擬出符合GPS(fo=1.575GHz)、3G(fo=2.04GHz)、Wi-Fi(fo=2.45GHz)、TD-LTE(fo=2.6GHz)適用的頻率，並將IE3D模擬之結果藉由雕刻機完成實體電路，使用板材為FR4雙面板，板材厚度為1.6mm，介電系數為4.3，電路尺寸為120mm×50mm，並比較電磁模擬軟體(Microwave office)和(IE3D)與實作的結果，可得知電路具有良好的一致性，此電路結構簡單，方便製作，並可用於無線基地台架設，全球衛星定位通訊系統，及下一代通訊系統LTE之元件。

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。