TWI796657B - 功率分配器/結合器 - Google Patents

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Abstract

一種功率分配器/結合器包含：一第一傳輸線，包括第一與第二傳輸部，該第一傳輸部的一第一端接收或輸出一具有一目標波長的信號，該第二傳輸部的一第一端連接該第一傳輸部的一第二端且其一第二端短路；及第二與第三傳輸線，各自設置在該第一傳輸線附近且相間隔，以各自與該第一傳輸線建立電磁耦合，且其各自具有一開路的第一端，及一第二端，該等第二與第三傳輸線的該等第二端共同輸出或接收一對具有該目標波長且同相的信號，該等第一與第二傳輸部及該等第二與第三傳輸線各自的長度是該目標波長的四分之一。

Description

功率分配器/結合器
本發明是有關於一種功率分配及結合技術，特別是指一種功率分配器/結合器。
現有威爾金森功率分配器/結合器（Wilkinson Power Divider/Combiner）具有兩條彼此遠離並形成分歧狀以避免電磁耦合的λ/4傳輸線（λ為威爾金森功率分配器/結合器所接收的一輸入信號的波長），不利地造成現有威爾金森功率分配器/結合器具有面積較大，且所需製作成本較高。因此，現有威爾金森功率分配器/結合器仍有改進的空間。
因此，本發明的目的，即在提供一種能夠克服先前技術缺點的功率分配器/結合器。
於是，本發明功率分配器/結合器包含第一至第三傳輸線。
該第一傳輸線包括第一及第二傳輸部，該等第一及第二傳輸部各自具有一第一端及一第二端，該第一傳輸部的該第一端用於接收或輸出一具有一目標波長的信號，該第二傳輸部的該第一端連接該第一傳輸部的該第二端，且該第二傳輸部的該第二端短路，該等第一及第二傳輸部各自的長度是該目標波長的四分之一。
該等第二與第三傳輸線各自設置在該第一傳輸線附近，且與該第一傳輸線相間隔，以各自與該第一傳輸線建立電磁耦合，該等第二與第三傳輸線各自具有一開路的第一端，及一第二端，該等第二與第三傳輸線的該等第二端用於共同輸出或接收一對具有該目標波長且同相的信號，該等第二與第三傳輸線各自的長度是該目標波長的四分之一。
本發明的功效在於：將該等第二與第三傳輸線各自設置在該第一傳輸線附近可使本實施例該功率分配器/結合器具有較小面積，及較低製作成本。
在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。
＜第一實施例＞
參閱圖1，本發明功率分配器/結合器之一第一實施例包含第一至第三傳輸線1、2、3，及一電阻器4。
該第一傳輸線1包括第一及第二傳輸部11、12。該第一傳輸部11具有一第一端111及一第二端112。該第二傳輸部12具有一第一端121及一第二端122。該第一傳輸部11的該第一端111用於接收或輸出一具有一目標波長λ的信號。該第二傳輸部12的該第一端121連接該第一傳輸部11的該第二端112，以接收來自該第一傳輸部11的信號或將信號經由該第一傳輸部11的該第一端111輸出，且該第二傳輸部12的該第二端122短路。在本實施例中，該等第一及第二傳輸部11、12各自的長度是該目標波長λ的四分之一（即，λ/4）。
該等第二與第三傳輸線2、3分別設置在該等第一及第二傳輸部11、12附近，且分別與該等第一及第二傳輸部11、12相間隔。該第二傳輸線2具有一鄰近該第一傳輸部11的該第一端111且開路的第一端21，及一鄰近該第一傳輸部11的該第二端112的第二端22。該第三傳輸線3具有一鄰近該第二傳輸部12的該第二端122且開路的第一端31，及一鄰近該第二傳輸部12的該第一端121的第二端32。該第二傳輸線2與該第一傳輸部11建立電磁耦合，該第三傳輸線3與該第二傳輸部12建立電磁耦合。該等第二與第三傳輸線2、3的該等第二端22、32用於共同輸出或接收一對具有該目標波長λ且同相的信號。在本實施例中，該等第二與第三傳輸線2、3各自的長度是該目標波長λ的四分之一（即，λ/4）。
需說明的是，當本發明功率分配器/結合器用作功率分配器時，該第一傳輸線1之該第一傳輸部11的該第一端111接收一輸入信號。該等第二與第三傳輸線2、3的該等第二端22、32分別輸出一第一輸出信號及一第二輸出信號（該等第一及第二輸出信號即為一對輸出信號）。該輸入信號具有該目標波長λ及一功率大小P1，且該等第一及第二輸出信號具有相同的波長（即，該目標波長λ），相同的相位及相同的功率大小P2，該功率大小P2為該功率大小P1的一半（即，P2=P1/2）。圖1中，帶有箭頭的虛線代表部分該輸入信號的傳輸路徑，帶有箭頭的實線代表該第一傳輸線1與該等第二與第三傳輸線2、3因電磁耦合所產生之耦合信號的傳輸路徑。
詳細來說，該等第一及第二輸出信號各自包括一第一部分及一第二部分。於該第一端111所接收的該輸入信號中，有一部分該輸入信號耦合至該第二傳輸線2的該第一端21，而其餘部分往該第二傳輸部12的該第二端122傳送。其中，耦合至該第二傳輸線2的該第一端21的部分該輸入信號中，有一部分傳輸至該第二傳輸線2的該第二端22成為該第一輸出信號的該第一部份，而其餘部分反射回該第一傳輸部11的該第一端111，成為被該第一傳輸部11的該第一端111回收的一第一回收信號。其中，該第一端111所接收的該輸入信號中，往該第二傳輸部12的該第二端122傳送的其餘部分該輸入信號，有一部分在該第二傳輸部12的該第一端121耦合至該第三傳輸線3的該第二端32，成為該第二輸出信號的該第一部份，而其餘部分傳輸至該第二傳輸部12的該第二端122反射後分成兩路。其中一路信號耦合至該第三傳輸線3的該第一端31反射後傳輸至該第三傳輸線3的該第二端32，成為該第二輸出信號的該第二部份。另一路信號回傳至該第一傳輸部11的該第一端111。回傳至該第一傳輸部11的該第一端111的信號又分兩路，其中一路信號行經該第一傳輸部11的該第二端112時耦合至該第二傳輸線2的該第二端22，成為該第一輸出信號的該第二部份，另一路信號回傳至該第一傳輸部11的該第一端111，成為被該第一傳輸部11的該第一端111回收的一第二回收信號。由於該第一傳輸部11的該第一端111所回收的該等第一及二回收信號彼此大小相同但相位相反，所以互相抵銷，相當於該第一傳輸部11的該第一端111沒有輸出信號，亦即該第一端111無反射信號，該第一端111的散射參數S11等於零。
此外，當本發明功率分配器/結合器用作功率結合器時，該等第二與第三傳輸線2、3的該等第二端22、32分別接收一第一輸入信號及一第二輸入信號。該第一傳輸線1之該第一傳輸部11的該第一端111輸出一輸出信號。該等第一及第二輸入信號具有相同的波長（即，該目標波長λ），相同的相位及相同的功率大小P2’。 該輸出信號具有該目標波長λ及一功率大小P1’，該功率大小P1’為該功率大小P2’的二倍（即，P1’=2P’）。需說明的是，由於微波被動元件滿足互易定理( reciprocity theorem )，因此，本發明功率分配器/結合器用作功率結合器之操作與功率分配器相反，故於此不再贅述。
該電阻器4電連接在該等第二與第三傳輸線2、3的該等第一端21、31之間，用於增加該等第二與第三傳輸線2、3的該等第二端22、32間的一隔離度。
參閱圖2，其說明該實施例之功率分配器/結合器的一實施態樣。該實施態樣使用0.18μm CMOS工藝來實現。該等第一及第二傳輸部11、12各自的寬度相等且為一定值（本實施例中，該定值為5μm，但不限於此）。該第二傳輸線2的寬度由其該第二端22往該第一端21逐漸變窄（即，本實施例為由8μm逐漸變窄至3μm，但不限於此）。該第三傳輸線3的寬度由其該第二端32往該第一端31逐漸變窄（即，本實施例為由8μm逐漸變窄至3μm，但不限於此）。該等第一與第二傳輸部11、12分別與該等第二與第三傳輸線2、3等間距（即，間距為2μm，但不限於此）。該等第一與第二傳輸部11、12及該等第二與第三傳輸線2、3各自被配置成一方形螺旋狀，但不限於此。該電阻器4的電阻值為100Ω。當該功率分配器/結合器被設計為以33GHz的頻率工作時（即，該輸入信號的頻率為33GHz），該功率分配器/結合器的面積僅0.026mm 2（即，0.109×0.243mm 2），相較於現有威爾金森功率分配器/結合器的面積為0.116mm 2，該實施例之功率分配器/結合器確實具有較小面積。此外，利用該電阻器4可改善該等第二與第三傳輸線2、3間的一隔離度S 32、該第二傳輸線2的一輸入反射係數S 22，及該第三傳輸線3的一輸入反射係數S 33，使該隔離度S 32、該輸入反射係數S 22及該輸入反射係數S 33更接近理想值零。另外，由於該等第二與第三傳輸線2、3線圈中間的電磁場最強，而向外電磁場逐漸降低，因此將該等第二與第三傳輸線2、3設計為寬度逐漸變窄的結構，使得該等第二與第三傳輸線2、3各自中間附近的傳輸線寬度較窄（即會造成較大功率損耗的金屬面積較小），如此一來，可降低該功率分配器/結合器整體功率損耗，且將該等第二與第三傳輸線2、3採用寬度逐漸變窄的結構，可使該功率分配器/結合器更具有較大的設計自由度（degrees of freedom）。
參閱圖3，其繪示該實施例的功率分配器/結合器的操作頻率在25GHz至40GHz的範圍內時，信號從該第一傳輸部11的該第一端111（見圖2）到該第二傳輸線2的該第二端22（見圖2）的一散射參數S 21大小，及從該第一傳輸部11的該第一端111到該第三傳輸線3的該第二端32（見圖2）的一散射參數S 31大小的模擬結果。從圖3可知，每一散射參數S 21、S 31的大小接近其理想值-3dB，且該實施例的功率分配器/結合器具有小的功率損耗。
參閱圖4，其繪示該實施例的功率分配器/結合器的操作頻率在25GHz至40GHz的範圍內時，該等散射參數S 21、S 31間的一振幅不平衡（amplitude imbalance，AI，AI= S 21(dB)-S 31(dB)）接近其理想值0dB。該等散射參數S 21、S 31間的一相位差（phase difference，PD，PD= S 21(degree)-S 31(degree)）接近其理想值0度(degree)。
＜第二實施例＞
參閱圖5，本發明功率分配器/結合器的一第二實施例為該第一實施例的修改，二者不同之處在於：該功率分配器/結合器中，該等第二與第三傳輸線2、3設置在該第一傳輸部11附近，且該等第二與第三傳輸線2、3各自與該第一傳輸部11等間距。該功率分配器/結合器之架構為二個並聯的耦合器（即，該第一傳輸部11與該第二傳輸線2相配合作為一耦合器，該第一傳輸部11與該第三傳輸線3相配合作為另一耦合器），且其輸入信號之傳輸線是共用的（即，共用該第一傳輸部11）。
在本實施例中，該等第二與第三傳輸線2、3的該等第一端21、31鄰近該第一傳輸部11的該第一端111。該等第二與第三傳輸線2、3的該等第二端22、32鄰近該第一傳輸部11的該第二端112。該等第二與第三傳輸線2、3各自與該第一傳輸線1之該第一傳輸部11建立電磁耦合。圖5中，帶有箭頭的虛線代表部分該輸入信號的傳輸路徑，帶有箭頭的實線代表該第一傳輸部11與該等第二與第三傳輸線2、3因電磁耦合所產生之耦合信號的傳輸路徑。此外，在短負載情況下，由於從該第二傳輸部12的該第一端121往該第二端122的一輸入阻抗Zi無限大，因此圖5的一等效電路如圖6所示，且該第一傳輸部11的該第二端112開路。
參閱圖7，其說明該實施例之功率分配器/結合器的一實施態樣。該實施態樣使用0.18μm CMOS工藝來實現。該第一傳輸部11的寬度由該第一端111往其該第二端112逐漸變窄（即，本實施例為由8μm逐漸變窄至3μm，但不限於此）。該等第二與第三傳輸線2、3各自的寬度相等且為一定值（本實施例中，該定值為3μm，但不限於此）。該第一傳輸部11設置在該等第二與第三傳輸線2、3之間，該第一傳輸部11與該等第二與第三傳輸線2、3等間距（即，間距為2μm，但不限於此）。該第一傳輸部11被配置成以一馬蹄形迂迴繞設（即，先於圖面上方馬蹄形迂迴繞線後，再轉至圖面下方馬蹄形迂迴繞線）。該等第二與第三傳輸線2、3各自被配置成一螺旋狀。當該功率分配器/結合器被設計為以28GHz的頻率工作時（即，該輸入信號的頻率為28GHz），該功率分配器/結合器的面積僅0.02mm 2（即，0.131×0.152mm 2），相較於現有威爾金森功率分配器/結合器的面積為0.116mm 2，該實施例之功率分配器/結合器採用螺旋佈線技術確實具有較小面積。此外，該第二實施例與該第一實施例同樣，利用該電阻器4使該隔離度S 32、該輸入反射係數S 22及該輸入反射係數S 33接近理想值零，且將該第一傳輸部11設計為寬度逐漸變窄的結構，除了可降低該功率分配器/結合器整體功率損耗外，更可使該功率分配器/結合器具有較大的設計自由度。
參閱圖8，其繪示該實施例的功率分配器/結合器的操作頻率在20GHz至40GHz的範圍內時，信號從該第一傳輸部11的該第一端111（見圖7）到該第二傳輸線2的該第二端22（見圖7）的一散射參數S 21’大小，及從該第一傳輸部11的該第一端111到該第三傳輸線3的該第二端32（見圖7）的一散射參數S 31’大小的模擬結果。從圖8可知，每一散射參數S 21’、S 31’的大小接近其理想值-3dB，且該實施例的功率分配器/結合器具有小的功率損耗。
參閱圖9，其繪示該實施例的功率分配器/結合器的操作頻率在20GHz至40GHz的範圍內時，該等散射參數S 21’、S 31’間的一振幅不平衡（amplitude imbalance，AI，AI= S 21’(dB)-S 31’(dB)）接近其理想值0dB。該等散射參數S 21’、S 31’間的一相位差（phase difference，PD，PD= S 21’(degree)-S 31’(degree)）接近其理想值0度(degree)。綜上所述，前述每一實施例的該功率分配器/結合器具有以下優點。
1.由於該等第二與第三傳輸線2、3中的每一個都與該第一傳輸線1相鄰，且由於在該第一實施例中該等第一與第二傳輸部11、12及該等第二與第三傳輸線2、3各自被配置成一(方形)螺旋狀，或在該第二實施例中該第一傳輸部11被配置成一馬蹄形迂迴繞設，使得該功率分配器/結合器佔據的面積相對較小，且製造成本較低。
2.利用該電阻器4增加該等第二與第三傳輸線2、3之該等第二端22、32間的隔離度，使該隔離度S 32、該輸入反射係數S 22及該輸入反射係數S 33接近理想值零。
3.由於在該第一實施例中該等第二與第三傳輸線2、3或在該第二實施例中該第一傳輸部11被設計為寬度逐漸變窄的結構，如此可降低該功率分配器/結合器整體功率損耗外，更可使該功率分配器/結合器具有較大的設計自由度。
惟以上所述者，僅為本發明的實施例而已，當不能以此限定本發明實施的範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋的範圍內。
1:第一傳輸線 11、12:第一及第二傳輸部 111、121:第一端 112、122:第二端 2:第二傳輸線 21:第一端 22:第二端 3:第三傳輸線 31:第一端 32:第二端 4:電阻器 λ:目標波長 S 21、S 31:散射參數 S 21’、S 31’:散射參數 Zi:輸入阻抗
本發明的其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中： 圖1是一示意圖，說明本發明功率分配器/結合器的一第一實施例； 圖2是一結構圖，說明該第一實施例的一實施態樣； 圖3是一模擬圖，說明該第一實施例的各種散射參數的大小相對於頻率的變化； 圖4是一模擬圖，說明該第一實施例的一振幅不平衡及一相位差的大小相對於頻率的變化； 圖5是一示意圖，說明本發明功率分配器/結合器的一第二實施例； 圖6是一示意圖，說明該第二實施例的一等效示意圖； 圖7是一結構圖，說明該第二實施例的一實施態樣； 圖8是一模擬圖，說明該第二實施例的各種散射參數的大小相對於頻率的變化；及 圖9是一模擬圖，說明該第二實施例的一振幅不平衡及一相位差的大小相對於頻率的變化。
1:第一傳輸線
11、12:第一及第二傳輸部
111、121:第一端
112、122:第二端
2:第二傳輸線
21:第一端
22:第二端
3:第三傳輸線
31:第一端
32:第二端
4:電阻器
λ:目標波長

Claims (10)

  1. 一種功率分配器/結合器，包含： 一第一傳輸線，包括第一及第二傳輸部，該等第一及第二傳輸部各自具有一第一端及一第二端，該第一傳輸部的該第一端用於接收或輸出一具有一目標波長的信號，該第二傳輸部的該第一端連接該第一傳輸部的該第二端，且該第二傳輸部的該第二端短路，該等第一及第二傳輸部各自的長度是該目標波長的四分之一；及 第二與第三傳輸線，該等第二與第三傳輸線各自設置在該第一傳輸線附近，且與該第一傳輸線相間隔，以各自與該第一傳輸線建立電磁耦合，該等第二與第三傳輸線各自具有一開路的第一端，及一第二端，該等第二與第三傳輸線的該等第二端用於共同輸出或接收一對具有該目標波長且同相的信號，該等第二與第三傳輸線各自的長度是該目標波長的四分之一。
  2. 如請求項1所述的功率分配器/結合器，還包含一電阻器，電連接在該等第二與第三傳輸線的該等第一端之間。
  3. 如請求項1所述的功率分配器/結合器，其中，該等第二與第三傳輸線分別設置在該等第一及第二傳輸部附近，且分別與該等第一及第二傳輸部相間隔，該第二傳輸線的該第二端鄰近該第一傳輸部的該第二端，該第三傳輸線的該第二端鄰近該第二傳輸部的該第一端，該第二傳輸線與該第一傳輸部建立電磁耦合，該第三傳輸線與該第二傳輸部建立電磁耦合。
  4. 如請求項3所述的功率分配器/結合器，其中，該等第一及第二傳輸部各自的寬度相等且為一定值，該第二傳輸線的寬度由其該第二端往該第一端逐漸變窄，該第三傳輸線的寬度由其該第二端往該第一端逐漸變窄。
  5. 如請求項3所述的功率分配器/結合器，其中，該等第一與第二傳輸部及該等第二與第三傳輸線各自被配置成一方形螺旋狀。
  6. 如請求項5所述的功率分配器/結合器，其中，該等第一與第二傳輸部分別與該等第二與第三傳輸線等間距。
  7. 如請求項1所述的功率分配器/結合器，其中，該等第二與第三傳輸線設置在該第一傳輸部附近，且該等第二與第三傳輸線各自與該第一傳輸部等間距，該等第二與第三傳輸線的該等第一端鄰近該第一傳輸部的該第一端，該等第二與第三傳輸線的該等第二端鄰近該第一傳輸部的該第二端，該等第二與第三傳輸線各自與該第一傳輸線之該第一傳輸部建立電磁耦合。
  8. 如請求項7所述的功率分配器/結合器，其中，該第一傳輸部的寬度由該第一端往該第二傳輸部的該第二端逐漸變窄，該等第二與第三傳輸線各自的寬度相等且為一定值。
  9. 如請求項7所述的功率分配器/結合器，其中，該第一傳輸部被配置成以一馬蹄形迂迴繞設，該等第二與第三傳輸線各自被配置成一螺旋狀。
  10. 如請求項9所述的功率分配器/結合器，其中，該第一傳輸部設置在該等第二與第三傳輸線之間，該第一傳輸部與該等第二與第三傳輸線等間距。
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