TWI672857B - 功率分配裝置 - Google Patents

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Abstract

一種功率分配裝置，設置於基板上，包括第一金屬層、第二金屬層及第三金屬層。第一金屬層設置有功率分配合路器，該功率分配合路器用於將一路信號功率分為多路輸出或者將多路信號功率合為一路輸出，在該第一金屬層上還設置有匹配電容及隔離電阻。第二金屬層設置有濾波結構，用於與該功率分配合路器耦合以濾除該功率分配裝置中的諧波。第三金屬層為金屬底板，用於隔離該第二金屬層洩漏的電磁波信號，該第二金屬層設置於該第一金屬層及第三金屬層之間。其中，該第一金屬層與該第二金屬層之間及該第二金屬層與該第三金屬層之間為電介質。

Description

功率分配裝置
本發明涉及功率分配，尤其涉及一種多層設計的小型化功率分配裝置。
功率分配合路器(簡稱為功分器)是將一路輸入信號能量分成兩路或者多路輸出能量的器件，也可以反過來將多路信號能量合成一路輸出。功分器廣泛運用於天線陣列、平衡功率放大器、混頻器和移相器中。常用的功分器包括3dB電橋耦合器、分支線電橋耦合器、環形電橋耦合器及威爾金森功分器等，其中，最常用的功分器是威爾金森功分器。然而，傳統的威爾金森功分器的長度設計為操作頻率的四分之一，佔用了很大的PCB面積。而且，傳統的威爾金森功分器具有較寬的操作頻寬，而其本身又缺少諧波抑制的功能，為了抑制諧波，需要外接濾波器，這極大地增加了成本。因此，亟需設計一種小型化的功率分配裝置，以具有諧波抑制功能，以減少成本，增加實用性。
有鑑於此，有必要提供一種功率分配裝置，以減少佔用PCB面積、增加濾波功能及降低成本。
本發明實施方式提供一種功率分配裝置，設置於基板上，包括第 一金屬層、第二金屬層及第三金屬層。第一金屬層設置有功率分配合路器，該功率分配合路器用於將一路信號功率分為多路輸出或者將多路信號功率合為一路輸出，在該第一金屬層上還設置有匹配電容及隔離電阻。第二金屬層設置有濾波結構，用於與該功率分配合路器耦合以濾除該功率分配裝置中的諧波。第三金屬層為金屬底板，用於隔離該第二金屬層洩漏的電磁波信號，該第二金屬層設置於該第一金屬層及第三金屬層之間。其中，該第一金屬層與該第二金屬層之間設置有第一介質層，該第二金屬層與該第三金屬層之間設置有第二電介質層。
優選地，該功率分配合路器為微帶線結構。
優選地，該功率分配合路器包括第一埠、第二埠及第三埠，該第一埠為合路埠，該第二埠及第三埠為分路埠。
優選地，該功率分配合路器還包括：第一傳輸線，呈L型，具有第一短端及第一長端，該第一短端電連接於該第一埠，該第一長端電連接於該第二埠。第二傳輸線，呈L型，具有第二短端及第二長端，該第二短端電連接於該第一埠，該第二長端電連接於該第三埠。第三傳輸線，呈L型，具有第三短端及第三長端，該第三短端電連接於該第一長端，該第三長端向該第一短端延伸。第四傳輸線，呈L型，具有第四短端及第四長端，該第四短端電連接於該第二長端，該第四長端向該第二短端延伸。
優選地，在該第一金屬層上還設置有匹配電容，該匹配電容分別電連接於該第三長端和該第四長端，用於調節該兩個合路埠具有最佳隔離度時的頻率。
優選地，在該第一金屬層上還設置有隔離電阻，該隔離電阻分別電連接於該第三短端及第四短端，用於增加兩個合路埠之間的隔離度。
優選地，該濾波結構為設置於該第二金屬層的凹槽。
優選地，該凹槽包括U型凹槽，具有一對對邊及一側邊，該功率分配合路器在第二金屬層的投影包含於該凹槽形成的空間中，該凹槽的開口朝向該第一埠。
優選地，該凹槽還包括在該U型凹槽的對邊分別設置的條形槽孔，該條形槽孔的未延伸出該第一傳輸線及該第二傳輸線在該第二金屬層的投影。
優選地，該功率分配合路器在第二金屬層的投影與該濾波結構關於第一埠到該側邊的垂線對稱。
優選地，該功率分配裝置長度與寬度可為特定數值。
優選地，該功率分配裝置還設置有多個金屬過孔，該多個金屬過孔穿過該第一金屬層、第二金屬層及第三金屬層。
優選地，該多個金屬過孔對稱設置於該功率分配合路器兩邊。
優選地，該第一金屬層與第二金屬層之間的電介質厚度為0.15mm，該第二金屬層與第三金屬層之間的電介質厚度為0.45mm。
1‧‧‧功率分配裝置
10‧‧‧第一金屬層
11‧‧‧第二金屬層
12‧‧‧第三金屬層
13‧‧‧第一介質層
14‧‧‧第二介質層
20‧‧‧基板
101‧‧‧功率分配合路器
102‧‧‧匹配電容
103‧‧‧隔離電阻
104‧‧‧金屬過孔
110‧‧‧濾波結構
130‧‧‧金屬結構
1010‧‧‧第一埠
1011‧‧‧第二埠
1012‧‧‧第三埠
1013‧‧‧第一傳輸線
1014‧‧‧第二傳輸線
1015‧‧‧第三傳輸線
1016‧‧‧第四傳輸線
1101‧‧‧U型凹槽
1102‧‧‧條形凹槽
圖1為本發明功率分配裝置一實施方式的結構示意圖。
圖2為圖1中功率分配裝置第一金屬層在第二金屬層的投影示意圖。
圖3為圖1中功率分配合路器一實施方式的結構示意圖。
圖4為圖1中濾波結構一實施方式的結構示意圖。
圖5為本發明功率分配裝置S參數模擬示意圖。
圖6為本發明功率分配裝置中濾波結構其它實施方式的結構示意 圖。
以下實施方式的具體參數只為更好地說明本發明，但不應以具體數值限制本發明權利要求的範圍。
為了使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照附圖，對本發明進一步詳細說明。需要說明的是，在下面的描述中，為了方便理解，給出了許多具體細節。但是很明顯，本發明的實現可以對這些具體細節進行改變、變化或者沒有這些具體細節。需要說明的是，在沒有明確限定或者不衝突的情況下，本發明中的實施例及其中的具體的技術特徵可以相互結合以形成技術方案。
請參閱圖1，圖1為本發明功率分配裝置1一實施方式的結構示意圖。
如圖1所示，在一實施方式中，功率分配裝置1設置於基板20上，包括依次設置的三層金屬板，分別是第一金屬層10、第二金屬層11及第三金屬層12。基板20還包括設置於第一金屬層10及第二金屬層11之間的第一介質層13，設置於第二金屬層11及第三金屬層12的第二介質層14。
在一實施方式中，第一金屬層10上設置有功率分配合路器101，功率分配合路器101兩側為第一金屬結構130。功率分配合路器101用於將一路信號功率分為多路輸出或者將多路信號功率合為一路輸出。功率分配合路器101可為傳輸線結構，例如，可為微帶線形成。功率分配合路器101包括一個合路埠和兩個分路埠，當信號從該合路埠輸入，則功率分配合路器101將該信號分為兩路信號輸出；當兩路信號從該分路信號輸入，則功率分配合路器101將該 兩路信號合為一路信號輸出。在本實施方式中，該兩個分路埠可為等功率輸出。應該明白，在其它實施方式中，功率分配合路器101可為三路輸出或者多路輸出；功率分配合路器101作為分路器時，既可為等功率輸出，也可以是特定功率輸出。
在一實施方式中，第一金屬層10上還設置有匹配電容103及隔離電阻102，隔離電阻102用於增加兩個分路埠之間的隔離度，匹配電容103用於調節該兩個合路埠具有最佳隔離度時的頻率。
在一實施方式中，第二金屬層11設置有濾波結構110，濾波結構110兩側為第二金屬結構，該第二金屬結構位置與第一金屬結構130的位置相對應。濾波結構110用於與第一金屬層10耦合以濾除功率分配裝置1中的諧波，比如2次諧波及其它高次諧波。特別的，濾波結構110與設置於第一金屬層10上的功率分配合路器101耦合以濾除功率分配裝置1中的諧波。在一實施方式中，濾波結構110可為凹槽結構。
在一實施方式中，第三金屬層12為金屬層，用於隔離第二金屬層11洩漏的電磁波信號，以避免洩漏的電磁波信號對其它設備或者元件造成干擾。第二金屬層11設置於第一金屬層10及第三金屬層12之間。第一介質層13和第二介質層14可為電介質。第一介質層13厚度可為0.15mm，第二介質層14厚度可為0.45mm。第一介質層13和第二介質層14的介電常數可為4.4，介電損耗可為0.02。第一介質層13和第二介質層14的電介質材料可為FR4。在其他實施方式中，第一電介質層13及第二電介質層14的厚度可為其他數值，第一介質層13和第二介質層14的材料可為其他材料。
在一實施方式中，功率分配裝置1上還設置有多個金屬過孔104，金屬過孔104電性連接該第一金屬層10的金屬結構130、第二金屬層11的金屬 結構130及第三金屬層12，用以增加地效應，並且用於將第一金屬層10及第二金屬層11的信號進行耦合。金屬過孔104的數量可根據實際情況選定，在本實施方式中，作為示例，金屬過孔104數量為16個，在功率分配裝置的兩邊對稱設置。
在一實施方式中，功率分配裝置1的長度、寬度可為特定數值。
請參閱圖2，圖2為圖1中功率分配裝置第一金屬層在第二金屬層的投影示意圖。
如圖2所示，在一實施方式中，功率分配合路器101在第二金屬層11的投影與濾波結構110形成的包圍空間部分重合。功率分配器101的合路埠和兩個分路埠在第二金屬層11的投影延伸至濾波結構110形成的包圍空間的外部，功率分配器101的其餘部分在在第二金屬層11的投影落在濾波結構110形成的包圍空間內部。功率分配合路器101在第二金屬層11的投影與濾波結構110關於第一埠的投影到該側邊的中垂線L對稱。
圖3為圖1中功率分配合路器一實施方式的結構示意圖。
如圖3所示，在一實施方式中，功率分配合路器101包括第一埠1010、第二埠1011及第三埠1012。第一埠1010為合路埠，第二埠1011及第三埠1012為分路埠。功率分配合路器101還包括第一傳輸線1013、第二傳輸線1014、第三傳輸線1015及第四傳輸線1016。第一傳輸線1013可為L型，具有第一短端及第一長端，該第一短端電連接於該第一埠1010，該第一長端電連接於該第二埠1011。第二傳輸線1014，可為L型，具有第二短端及第二長端，該第二短端電連接於該第一埠1010，該第二長端電連接於該第三埠1012。第三傳輸線1015，可為L型，具有第三短端及第三長端，該第三短端電連接於該第一長端，該第三長端向該第一短端延伸。第四傳輸線1016，可為L型，具有第四短端及第四 長端，該第四短端電連接於該第二長端，該第四長端向該第二短端延伸。在一實施方式中，該傳輸線可為微帶線，微帶線的規格可根據實際情況選用。
請同時參閱圖1及圖3，匹配電容103分別電連接於該第三長端和該第四長端。隔離電阻102分別電連接於該第三短端及第四短端。
請參閱圖4，圖4為圖1中濾波結構一實施方式的結構示意圖。
如圖4所示，在一實施方式中，濾波結構110可為凹槽，包括U型凹槽1101，U型凹槽1101具有一對對邊及一側邊。該U型凹槽1101具有一開口。U型凹槽1101的對邊還分別設置有相對的條形槽孔1102。在其它實施方式中，凹槽可為其它的形狀，例如可為缺角方形，缺角六邊形，缺口圓形等。
請一併參閱圖1及圖2，功率分配合路器101在第二金屬層11的投影包含於U型凹槽1101形成的空間中，U型凹槽1101的開口朝向該第一埠1010。條形槽孔1102未延伸出該第一傳輸線1013及該第二傳輸線1014在該第二金屬層的投影。
圖5為本發明功率分配裝置S參數模擬示意圖。
如圖5所示，在一實施方式中，功率分配裝置1在5.50GHz頻率處，第二埠1011和第三埠1012具有較好的隔離度，具體而言，S23參數在5.5GHz頻率處小於-20dB。功率分配裝置1兩分路埠為等功率輸出埠，其S21,S31參數在6.00GHz以下為-3dB等功率輸出。在5.5GHz頻率處，第一埠1010 S11參數小於-30dB，表明功率分配裝置1具有較好的特性。
圖6為本發明功率分配裝置中濾波結構110其它實施方式的結構示意圖。
如圖6所示，濾波結構110可為如圖6(a)-圖6(h)所示多種形狀的凹槽。應該明白的是，圖6所示的形狀列舉並非為了窮舉，而是為了更好的說 明本發明，本領域技術人員可以根據實際情況改變濾波結構110的形狀，本發明不做限制。
由於上述技術方案的選擇，本發明的有益效果是明顯的：本發明功率分配裝置採用三層設計，在第一金屬層上設置功率分配合路器實現功率分配及合路，在第二金屬層設置濾波結構以濾除諧波干擾，第三金屬層隔絕電磁干擾。採用三層設計的方式，不止增加了諧波濾除的功能，減少了外接濾波器的使用，還大大縮小了佔用PCB的面積，達到了低成本、小型化的目的。因此，本案具有有益的效果。
可以理解的是，對所屬技術領域的技術人員來說，可以根據本發明的技術構思做出其它各種相應的改變與變形，而所有這些改變與變形都應屬於本發明權利要求的保護範圍。

Claims (10)

  1. 一種功率分配裝置，設置於基板上，包括：第一金屬層，設置有功率分配合路器，該功率分配合路器用於將一路信號分為多路輸出或者將多路信號合為一路輸出，其中該功率分配合路器為微帶線結構，包括第一埠、第二埠及第三埠，該第一埠為合路埠，該第二埠及第三埠為分路埠，該功率分配合路器還包括：第一傳輸線，呈L型，具有第一短端及第一長端，該第一短端電連接於該第一埠，該第一長端電連接於該第二埠；第二傳輸線，呈L型，具有第二短端及第二長端，該第二短端電連接於該第一埠，該第二長端電連接於該第三埠；第三傳輸線，呈L型，具有第三短端及第三長端，該第三短端電連接於該第一長端，該第三長端向該第一短端延伸；及第四傳輸線，呈L型，具有第四短端及第四長端，該第四短端電連接於該第二長端，該第四長端向該第二短端延伸；第二金屬層，設置有濾波結構，用於與該功率分配合路器耦合以濾除該功率分配裝置中的諧波；及第三金屬層，為金屬底板，用於隔離該第二金屬層洩漏的電磁波信號，該第二金屬層設置於該第一金屬層及第三金屬層之間；其中，該第一金屬層與該第二金屬層之間設置有第一介質層，該第二金屬層與該第三金屬層之間設置有第二電介質層。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的功率分配裝置，其中在該第一金屬層上還設置有匹配電容，該匹配電容分別電連接於該第三長端和該第四長端，用於調節該兩個分路埠具有最佳隔離度時的頻率。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的功率分配裝置，其中在該第一金屬層上還設置有隔離電阻，該隔離電阻分別電連接於該第三短端及第四短端，用於增加該兩個分路埠之間的隔離度。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的功率分配裝置，其中該濾波結構為設置於該第二金屬層的凹槽部。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的功率分配裝置，其中該凹槽部包括U型凹槽，具有一對對邊及一側邊，該凹槽部的開口朝向該第一埠。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的功率分配裝置，其中該凹槽部還包括在該U型凹槽的對邊分別設置的條形槽孔，該條形槽孔未延伸出該第一傳輸線及該第二傳輸線在該第二金屬層的投影。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的功率分配裝置，其中該功率分配合路器在第二金屬層的投影與該濾波結構關於第一埠到該側邊的垂線對稱。
  8. 一種功率分配裝置，設置於基板上，包括：第一金屬層，設置有功率分配合路器，該功率分配合路器用於將一路信號分為多路輸出或者將多路信號合為一路輸出；第二金屬層，設置有濾波結構，用於與該功率分配合路器耦合以濾除該功率分配裝置中的諧波；第三金屬層，為金屬底板，用於隔離該第二金屬層洩漏的電磁波信號，該第二金屬層設置於該第一金屬層及第三金屬層之間； 其中，該第一金屬層與該第二金屬層之間設置有第一介質層，該第二金屬層與該第三金屬層之間設置有第二電介質層；及多個金屬過孔，該等金屬過孔電性連接該第一金屬層、第二金屬層及第三金屬層。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的功率分配裝置，其中該多個金屬過孔對稱設置於該功率分配合路器兩邊。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的功率分配裝置，其中該第一介質層厚度為0.15mm，該第二介質層厚度為0.45mm。
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