TWI572086B - Adjustable output power ratio compared to generalized branch coupler - Google Patents

Description

可調輸出功率比之一般化枝幹耦合器

本發明係有關一種可調輸出功率比之一般化枝幹耦合器，尤指一種藉由可調結構設計而適用於不同中心頻率之微波系統的枝幹耦合器技術。

科技隨時間的演進，近年來無線通訊已成為現代發展的趨勢，不管是在數位電視系統、全球衛星系統、或是手機通訊系統，人們生活對於無線資訊傳輸已密不可分，而枝幹耦合器(如參考文獻[1])，在上述系統中也是扮演著一個重要的角色，因此本發明以此元件為出發點，製作一個新式的電路改良。至於耦合器的種類有很多，其功能不外乎功率分配(如參考文獻[2][3])或是功率合成使用，如枝幹耦合器(branch line coupler)、環形耦合器(ratrace coupler)、藍吉耦合器(lange coupler)……(如參考文獻[4][5])。其中以枝幹耦合器使用最為普遍，電路輸出埠|S21|與耦合埠|S31|之輸出功率比多設計在半功率點(-3dB)，兩輸出訊號相位相差90度，而|S11|與|S41|且兩埠能達-15dB以下。

此外，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埠，輸出的兩個端埠位於輸入埠的另一側，與輸入埠同一側的另一個端埠是隔離埠，如此的對稱性可由散射係數看出。當所有的端埠均匹配，進入輸入埠的功率會等分到另一側的輸出埠，沒有任何的 功率會傳到隔離埠。雖然習知枝幹耦合器可以提供一個良好輸入輸出阻抗匹配的能力以及提供等功率分配與90度相位差的功效；惟，習知枝幹耦合器並無調整功率比之機能設置，故無法適用於不同中心頻率的微波系統，由於支援性較低，所以會有電路系統之建置成本增加的缺失產生。

依據目前所知，尚未有可以調整輸出功率比以應用於不同中心頻率微波系統之枝幹耦合器的專利或是論文被提出，加上基於電子產業的迫切需求下，且為因應不同環境的使用需求，本發明遂研發出一種可調功率比之一般化枝幹耦合器的本發明。

本發明主要目的，在於提供一種可調輸出功率比之一般化枝幹耦合器，主要是以傳統的2：1不等分枝幹耦合器為架構，將兩端傳輸線以T型等效為之，並將耦合器兩端傳輸線由兩組傳輸線與一接地可調式電容取代，電路可藉由調整電容值大小，以將原輸出功率比為2：1耦合器之輸出功率富更多的功率選擇，經由電磁模擬軟體證實，於工作頻率上輸出功率比確實可適用於1：1至2：1之微波系統，因而具有可適用於不同中心頻率的微波系統、電路具高度支援性、製作簡易以及能大幅地降低系統建置的成本支出等特點。達成上述目的功效所採用之技術手段，係覆設於基板上，包含四段依序垂直環繞呈矩形連接的第一傳輸線、第二傳輸線、第三傳輸線及第四傳輸線。其中，第一傳輸線與第二傳輸線連接處、第二傳輸線與第三傳輸線連接處設、第三傳輸線與第四傳輸線連接處以及第四傳輸線與第一傳輸線連接處皆各自設有向外斜向延伸的延伸段。並於第二傳輸線與第四傳輸線分別電性連一電容，其中，每一該延伸段包含依序相互連接的一 第一三角形段、一第二三角形段及一長矩形段，該第一三角形段為直角三角形，該第二三角形段為鈍角三角形。

10‧‧‧基板

20‧‧‧傳輸線組

21‧‧‧第一傳輸線

22‧‧‧第二傳輸線

23‧‧‧第三傳輸線

25‧‧‧第一導電區塊

26‧‧‧第二導電區塊

24‧‧‧第四傳輸線

30‧‧‧延伸段

31a,31b,31c,31d‧‧‧第一三角形段

32a,32b,32c,32d‧‧‧第二三角形段

33a,33b,33c,33d‧‧‧長矩形段

40‧‧‧第一訊號埠

41‧‧‧第二訊號埠

42‧‧‧第三訊號埠

43‧‧‧第四訊號埠

C₁,C₂‧‧‧電容

圖1係本發明電路結構的等效電路示意圖。

圖2係本發明枝幹耦合器偶波模分析()的示意圖。

圖3係本發明枝幹耦合器偶波模分析()示意圖。

圖4係本發明傳輸線T型等效示意圖。

圖5係本發明電路結構成型示意圖。

圖6係本發明實體電路結構的實施示意圖。

圖7(a)係本發明功率比調整至2：1模擬與實測的示意圖。

圖7(b)係本發明功率比調整至2：1的相位模擬與實測示意圖。

圖8(a)係本發明功率比調整至1：1模擬與實測的示意圖。

圖8(b)係本發明功率比由2：1調整至1：1的相位模擬與實測示意圖。

本發明主要是一種可調功率比的枝幹耦合器，電路是以傳統式2：1不等分枝幹耦合器為架構，並結合傳輸線T型等效，將耦合器之兩端傳輸線由兩組傳輸線與一可調式電容取代。電路藉由調整電容值大小，可將原輸出功率比為2：1耦合器之輸出功率比富有更多的功率選擇，經由電磁模擬軟體證實，於工作頻率上，其輸出功率比可適用於1：1至2：1之系統，電路係以雕刻機實現，最後經網路分析儀量測，於工作頻段之模擬數據與實作確實有良好電氣特性。由於本發明的可調結構設計可適用於不同中心頻率的微波系統，故本發明具備高度支援性、製作簡易，且能大幅地降低 系統建置的成本支出。

請配合參看圖5、6所示，為本發明之具體實施示意，係包含一基板10，及一以印刷或蝕刻方式成型於基板10上的傳輸線組20。上述傳輸線組20包含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21、第二傳輸線22、第三傳輸線23及第四傳輸線24。第一傳輸線21與第二傳輸線22連接處、第二傳輸線22與第三傳輸線23連接處設、第三傳輸線23與第四傳輸線24連接處以及第四傳輸線24與第一傳輸線21連接處皆各自設有一向外斜向(約45度角)延伸的延伸段30，並於第二傳輸線22近中段附近的外側設有一第一導電區塊25，再於第二傳輸線24近中段附近的外側設有一第二導電區塊26，且於第二傳輸線22與第一導電區塊25之間電性連接一電容C₁，再於第四傳輸線24與第二導電區塊26電性連接另一電容C₂；其中，上述四個延伸段30係包含依序相互連接的一第一三角形段31a,31b,31c,31d、一第二三角形段32a,32b,32c,32d及一長矩形段33a,33b,33c,33d，該第一三角形段31a,31b,31c,31d為直角三角形，該第二三角形段32a,32b,32c,32d為鈍角三角形。

再請配合參看圖5所示，第一傳輸線與該第三傳輸線的長度L5、L6皆為44.2mm，寬度W5、W6皆為4.2mm，該第二傳輸線長度L8為41.5mm，該第四傳輸線的長度L7為41.2mm，該第二傳輸線的寬度W8為0.9mm，該第四傳輸線的寬度W7為1.26mm。每一該長矩形段的長度L1~L4皆為10mm，寬度W1~W4則皆為3.1mm。電容C₁與電容C₂皆為可變電容，該二可變電容之電容值介於0.6~0.9pF之間。

再請配合參看圖5所示之其一第一三角形段31a一對邊與 第一傳輸線21一端連接，其另一對邊則與其一第二三角形段32a之一對邊連接，其底邊與第二傳輸線22一端連接；其一第二三角形段32a之另一對邊與其一長矩形段33a之一端連接，其一長矩形段末33a端接設有一第二訊號埠41。

再請配合參看圖5所示之其二第一三角形段31b一底邊與第二傳輸線22另端連接，其一對邊則與其二第二三角形段32b之一對邊連接，其另一對邊與第三傳輸線23一端連接；其二第二三角形段32b之另一對邊與其二長矩形段33b之一端連接，其二長矩形段33b末端接設有一第三訊號埠42。

再請配合參看圖5所示之其三第一三角形段31c一對邊與該第三傳輸線23另端連接，其另一對邊則與其三第二三角形段32c之一對邊連接，其底邊與第四傳輸24線一端連接；其三第二三角形段32c之另一對邊與其三長矩形段33c之一端連接，其三該長矩形段33c末端接設有一第四訊號埠43。

再請配合參看圖5所示之其四第一三角形段31d一對邊與第一傳輸線21另端連接，其另一對邊則與其四第二三角形段32d之一對邊連接，其底邊與第四傳輸線24另端連接；其四第二三角形段32d之另一對邊與其四長矩形段33d之一端連接，其四長矩形段33d末端接設有一第一訊號埠40。

如圖1所示，本發明電路架構是以傳統2：1枝幹耦合器為架構，透過耦合器兩端不同阻抗的傳輸線，先利用偶波模傳輸矩陣如公式(1)：

枝幹耦合器偶波模分析如圖2，其次利用奇波模傳輸矩陣如公式(2)

枝幹耦合器奇波模分析如圖3，將奇偶模分析結果轉S矩陣藉由公式(3)-(6)可將奇偶模傳輸矩陣轉成S矩陣。

其中，Z_O1=Z_O2=Z_O=50Ω為使推導公式更為簡潔故將阻抗作正歸化求得Z_N1=Z₁/Z_O、Z_N2=Z₂/Z_O、Z_N3=Z₃/Z_O、Y_N1=1/Z_N1、Y_N2=1/Z_N2、Y_N3=1/Z_N3、Z_O=Z_O1=Z_O2=1，將式(1)帶入式(3)-(6)可得偶波模S矩陣如式(7)-(10)其中Z_O1=Z_O2=Z_O=50Ω為使推導公式更為簡潔故將阻抗作正歸化求得Z_N1=Z₁/Z_O、Z_N2=Z₂/Z_O、Z_N3=Z₃/Z_O、Y_N1=1/Z_N1、Y_N2=1/Z_N2、Y_N3=1/Z_N3、Z_O=Z_O1=Z_O2=1，將式(1)帶入式(3)-(6)可得偶波模S矩陣如式(7)-(10)。

將式(2)帶入式(3)-(6)可得奇波模S矩陣如式(11)-(14)：

由能量守恆定律可以得知|S₁₁|²+|S₂₁|²+|S₃₁|²+|S₄₁|²=1，令|S₁₁|=0|S₄₁|=0，求得|S₂₁|²+|S₃₁|²=1，假設|S₃₁|²=C²則|S₂₁|²=1-C²由式(15)-(18)可以得知總S矩陣：

將式(7)-(10)與式(11)-(14)帶入式(15)-(18)並整理後可得式(19)-(22)：

由式(27)，可以求得式(28)：

由式(28)可以得知若Z₂=Z₃則可得式(29)；若Z₂不等於Z₃則可 得式(30)：

將式(28)帶回式(33)可得式(31)，化簡式(31)可求得式(32)：

由公式(30)可以得之，當Z3=45Ω,Z2就會等於56.25Ω。本電路藉由T型等效中的可變電容來改變其輸出埠|S21|與耦合埠|S31|之輸出功率比。將其結構中之兩組傳輸線以T型等效，等效結構如圖4，因此需先求出T型等效與傳輸線關係矩陣，關係式如公式(32)：

由上面矩陣式可以求得其等效後阻抗值Zo與B(電容抗之導納)如式子(34)(35)：

給定等效後電氣長度θ o，將原傳輸線阻抗值Z與電氣長度θ，分別帶入公式(34)(35)，即可求得等效後傳輸線阻抗值Zo與電容值。將求得之參數帶入電路中，經由電磁軟體IE3D模擬，選用板材為FR4(3.2mm)並以軟體中的小工具Linegauge轉換元件對應長度，結構經最佳化調整如圖 5所示，電路尺寸：L1=10mm；W1=3.1mm；L2=10mm；W2=3.1mm；L3=10mm；W3=3.1mm；L4=10mm，W4=3.1mm；L5=44.2mm；W5=4.2mm；L6=44.2mm；W6=4.2mm；L7=41.2mm；W7=1.26mm；L8=41.5mm；W8=0.9mm；電容C1=0.7pF，電容C2=0.65pF，電路經模擬後，符合當初預期結果，因此將電路輸出至雕刻機加工，製作實體電路並量測結果。

承上所述，本發明電路經雕刻機加工之結構如圖5所示，並由Anritsu-MS2034A網路分析儀量測，與模擬結果進行比較，得IE3D與實體電路頻率響應如圖7(a)、(b)所示，量測頻率由0到2GHz，大小由0至-40dB，於工作頻段(fo=0.925GHz)|S₁₁|與|S₄₁|皆在-15dB以下，兩端之輸出功率比|S₂₁|與|S₃₁|為2：1，圖7(b)中，|S₂₁|與|S₃₁|之相位差為90度。

有此良好特性後，改變圖1中電路電容C₁與C₂的電容值，由0.7pF調整至0.9pF，以及由0.65pF調整至0.7pF，達輸出功率比為1：1之特性，由網路分析儀量測得IE3D與實體電路頻率響應結果如圖8(a)、(b)所示，量測頻率由0到2GHz，大小由0至-40dB，於工作頻段其|S₁₁|與|S₄₁|皆在-15dB以下，兩端之輸出功率比|S₂₁|與|S₃₁|為1：1，圖8(b)中所示，|S₂₁|與|S₃₁|之相位差為90度，可見，上述模擬與量測結果與預期相當接近。

由此可見，本發明所製備電路確實符合當初預期的結果，本發明提出之可調功率比之枝幹耦合器，電路是以傳統式2：1不等分枝幹耦合器為架構，透過耦合器兩端不同阻抗的傳輸線，和加入傳輸線T型等效，藉由改變等效電路中的電容值，控制其輸出端之功率比為1：1，經電磁模擬軟體驗證，並以雕刻機實現電路，最後由網路分析儀量測其結果，其數值與模擬頻率響應相近，由此結果得知電路可行性，且可應用此設計方式在 不同頻段的系統。

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。

參考文獻

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20‧‧‧傳輸線組

21‧‧‧第一傳輸線

22‧‧‧第二傳輸線

23‧‧‧第三傳輸線

25‧‧‧第一導電區塊

26‧‧‧第二導電區塊

24‧‧‧第四傳輸線

30‧‧‧延伸段

31a,31b,31c,31d‧‧‧第一三角形段

32a,32b,32c,32d‧‧‧第二三角形段

33a,33b,33c,33d‧‧‧長矩形段

C₁,C₂‧‧‧電容

Claims (3)

1. 一種可調輸出功率比之一般化枝幹耦合器，其包含一基板，及一覆設於該基板上的傳輸線組，該傳輸線組包含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一第一傳輸線、一第二傳輸線、一第三傳輸線及一第四傳輸線，該第一傳輸線與該第二傳輸線、該第二傳輸線與該第三傳輸線、該第三傳輸線與該第四傳輸線以及該第四傳輸線與該第一傳輸線等之連接處皆設有一向外斜向延伸的延伸段，該第二傳輸線外側設有一第一導電區塊，該第四傳輸線外側設有一第二導電區塊，並於該第二傳輸線與該第一導電區塊之間電性連接一電容，再於該第四傳輸線與該第二導電區塊電性連接另一電容，其中，每一該延伸段包含依序相互連接的一第一三角形段、一第二三角形段及一長矩形段，該第一三角形段為直角三角形，該第二三角形段為鈍角三角形；該第二傳輸線與該第四傳輸線之寬度小於該第一傳輸線與該第三傳輸線；其一該第一三角形段一對邊與該第一傳輸線一端連接，其另一對邊則與其一該第二三角形段之一對邊連接，其底邊與該第二傳輸線一端連接；其一該第二三角形段之另一對邊與其一該長矩形段之一端連接，其一該長矩形段末端接設有一第二訊號埠；其二該第一三角形段一底邊與該第二傳輸線另端連接，其一對邊則與其二該第二三角形段之一對邊連接，其另一對邊與該第三傳輸線一端連接；其二該第二三角形段之另一對邊與其二該長矩形段之一端連接，其二該長矩形段末端接設有一第三訊號埠；其三該第一三角形段一對邊與該第三傳輸線另端連接，其另一對邊則與其三該第二三角形段之一對邊連接，其底邊與該第四傳輸線一端連接；其三該第二三角形段之另一對邊與其三該長矩形段之一 端連接，其三該長矩形段末端接設有一第四訊號埠；其四該第一三角形段一對邊與該第一傳輸線另端連接，其另一對邊則與其四該第二三角形段之一對邊連接，其底邊與該第四傳輸線另端連接；其四該第二三角形段之另一對邊與其四該長矩形段之一端連接，其四該長矩形段末端接設有一第一訊號埠；該二電容為可變電容，該二電容的電容值介於0.6~0.9pF之間，藉由調變該二電容的電容值使輸出功率比達到1：1至2：1。
2. 如請求項1所述之可調輸出功率比之一般化枝幹耦合器，其中，該第一傳輸線與該第三傳輸線的長度皆為44.2mm，寬度則皆為4.2mm，該第二傳輸線長度為41.5mm，該第四傳輸線的長度為41.2mm，該第二傳輸線的寬度為0.9mm，該第四傳輸線的寬度為1.26mm。
3. 如請求項1所述之可調輸出功率比之一般化枝幹耦合器，其中，每一該長矩形段的長度為10mm，寬度則為3.1mm。