TWI804901B

TWI804901B - 功率分配器

Info

Publication number: TWI804901B
Application number: TW110123389A
Authority: TW
Inventors: 林佑昇; 藍楷翔; 陳柏舜
Original assignee: 國立暨南國際大學
Priority date: 2021-06-25
Filing date: 2021-06-25
Publication date: 2023-06-11
Also published as: US20220416395A1; TW202301735A; US11848476B2

Abstract

一種功率分配器包含：一第一傳輸線，包括各具有第一及第二端的一輸入部、一第一傳輸部及一第一輸出部，該輸入部的該第一端接收一輸入信號，該第一傳輸部連接在該輸入部的該第二端及該第一輸出部的該第一端間；一第二傳輸線，包括各具有第一及第二端的一第二傳輸部及一第二輸出部，該第二傳輸部的該等第一及第二端分別連接該輸入部的該第二端及該第二輸出部的該第一端，該等第一及第二輸出部的該等第二端共同輸出一對信號，該等第一及第二傳輸部各自的長度是該目標波長的十二分之一；及一輸入電容，電連接在該輸入部的該第二端與地之間。

Description

功率分配器

本發明是有關於一種功率分配技術，特別是指一種功率分配器。

參閱圖1，現有威爾金森功率分配器（Wilkinson Power Divider）用於將一輸入信號Pi分成二輸出信號Po。該威爾金森功率分配器具有一輸入部10、二傳輸部11、12，及二輸出部13、14。該輸入部10、該等傳輸部11、12，及該等輸出部13、14各自為一傳輸線。

在上述結構中，該等傳輸部11、12的長度為λ/4（λ為該威爾金森功率分配器所接收的該輸入信號Pi的波長），其不利地造成該威爾金森功率分配器具有面積較大，佔用大晶片面積的情況，且所需製造成本較高。此外，由於該等傳輸部11、12的長度相對較長，於電路佈局時，晶片未必有足夠面積可供該等傳輸部11、12以對稱結構的方式設置。因此，為妥善利用晶片面積，進行電路佈局時通常會將該等傳輸部11、12以非對稱結構的方式設置，導致該威爾金森功率分配器的該等輸出信號Po具有振幅不匹配及相位差較大之問題。

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。

於是，本發明功率分配器包含一第一傳輸線、一第二傳輸線，及一輸入電容。

該第一傳輸線包括一輸入部、一第一傳輸部，及一第一輸出部，該輸入部、該第一傳輸部，及該第一輸出部各自具有一第一端及一第二端，該輸入部的該第一端用於接收一具有一目標波長的輸入信號，該第一傳輸部的該等第一及第二端分別連接該輸入部的該第二端及該第一輸出部的該第一端，該第一傳輸部的長度是該目標波長的十二分之一。

該第二傳輸線包括各自具有一第一端及一第二端的一第二傳輸部及一第二輸出部，該第二傳輸部的該等第一及第二端分別連接該第一傳輸線之該輸入部的該第二端及該第二輸出部的該第一端，該等第一及第二輸出部的該等第二端用於共同輸出一對具有該目標波長且同相的輸出信號，該第二傳輸部的長度是該目標波長的十二分之一。

該輸入電容電連接在該第一傳輸線之該輸入部的該第二端與地之間。

本發明的功效在於：由於該等第一及第二傳輸部各自的長度是該目標波長的十二分之一，使得本實施例該功率分配器具有較小面積，及較低製造成本。

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2，本發明功率分配器之一第一實施例包含第一與第二傳輸線2、3、一輸入電容4、第一與第二輸出電容5、6，及一輸出電阻7。

該第一傳輸線2包括一輸入部20、一第一傳輸部21，及一第一輸出部22。該輸入部20、該第一傳輸部21，及該第一輸出部22各自具有一第一端及一第二端。該輸入部20的該第一端（即，圖2之編號201）用於接收一具有一目標波長λ的輸入信號Pin。該第一傳輸部21的該等第一及第二端（即，圖2之編號211、212處）分別連接該輸入部20的該第二端（即，圖2之編號202）及該第一輸出部22的該第一端。該第一傳輸部21的長度是該目標波長λ的十二分之一（即，λ/12）。

該第二傳輸線3包括各自具有一第一端及一第二端的一第二傳輸部31及一第二輸出部32。該第二傳輸部31的該等第一及第二端（即，圖2之編號311、312處）分別連接該第一傳輸線2之該輸入部20的該第二端202及該第二輸出部32的該第一端。該等第一及第二輸出部22、32的該等第二端（即，圖2之編號222、322）用於共同輸出一對具有該目標波長λ且同相的輸出信號Po1、Po2。每一輸出信號Po1、Po2的功率為該輸入信號Pin的功率的一半。該第二傳輸部31的長度是該目標波長λ的十二分之一。

在本實施例中，該等第一與第二傳輸部21、31各自的傳輸線特徵阻抗Z _T與電長度θ之關係式為，

，參數Ro為該功率分配器的一特徵阻抗，且該特徵阻抗Ro的值等於50Ω。該傳輸線特徵阻抗Z _T的最大值約為100Ω，以避免傳輸線損耗太大造成該功率分配器特性不佳，且對應的傳輸線寬度約為4μm。將該傳輸線特徵阻抗Z _T的值100Ω及該特徵阻抗Ro的值50Ω帶入上述傳輸線特徵阻抗Z _T與電長度θ之關係式可知，對應的參數θ為30.7度，亦即，該等第一與第二傳輸部21、31各自的長度大約為該目標波長λ的十二分之一。

需說明的是，本發明功率分配器之實施態樣使用0.18μm CMOS工藝來實現。在本實施例中，該等第一與第二傳輸部21、31彼此對稱設置，該等第一與第二輸出部22、32彼此對稱設置。該第一傳輸部21與該第二傳輸部31等間距，該第一輸出部22與該第二輸出部32等間距。該第一傳輸部21被沿一順時針方向配置成一圓形螺旋狀，該第二傳輸部31被沿一逆時針方向配置成一圓形螺旋狀，以致在該第一傳輸部21以順時針路徑傳輸的信號與在該第二傳輸部31以逆時針路徑傳輸的信號之間的耦合呈反相耦合（即，該第一傳輸部21與該第二傳輸部31建立反相耦合，該等第一及第二傳輸部21、31各自的一等效電感值會稍低於自感值）。

操作時，本發明功率分配器之信號傳輸路徑為利用該輸入部20的該第一端201接收該輸入信號Pin，並於該輸入部20的該第二端202將該輸入信號Pin分成一對各具有功率減半及該目標波長λ的信號。該對信號中的一者經由該第一傳輸部21的該第一端211沿該順時針方向傳輸至該第一傳輸部21的該第二端212，並由該第一輸出部22的該第二端222輸出（即，該輸出信號Po1）。該對信號中的另一者經由該第二傳輸部31的該第一端311沿該逆時針方向傳輸至該第二傳輸部31的該第二端312，並由該第二輸出部32的該第二端322輸出（即，該輸出信號Po2）。

該輸入電容4電連接在該第一傳輸線2之該輸入部20的該第二端202與地之間。該第一輸出電容5、該輸出電阻7及該第二輸出電容6，依序串聯連接在該第一輸出部22與該第二輸出部32之間。該第一輸出電容5具有一電連接該第一輸出部22之第一端，及一第二端。該第二輸出電容6具有一第一端，及一電連接該第二輸出部32之第二端。該輸出電阻7電連接在該第一輸出電容5之該第二端及該第二輸出電容6之該第一端之間。

進一步參閱圖3，其為圖2的一等效電路。其中，電容C1與電阻R1是該等第一與第二傳輸部21、31間的互感所造成的等效電容與等效電阻。並聯的電容C2與電阻R2相當於圖2中依序串聯的該第一輸出電容5、該輸出電阻7及該第二輸出電容6。

在本實施例中，該功率分配器為一Ka頻段（26.5GHz ~40GHz）二路功率分配器，該等第一及第二傳輸部21、31各自為繞成1.35圈的結構。該第一傳輸線2之該輸入部20的該第一端201設為第1埠，該第一傳輸線2之該第一輸出部22的該第二端222設為第2埠，該第二傳輸線3之該第二輸出部32的該第二端322設為第3埠，並以此計算S參數。該功率分配器利用該等第一及第二輸出電容5、6及該輸出電阻7可改善該等第一及第二輸出部22、32間的一隔離度S ₃₂、該第一傳輸線2的一反射係數S ₂₂，及該第二傳輸線3的一反射係數S ₃₃，使該隔離度S ₃₂、該反射係數S ₂₂及該反射係數S ₃₃更接近理想值零。需補充說明的是，該第一輸出電容5、該輸出電阻7及該第二輸出電容6之值與該功率分配器的中心操作頻率有關。舉例來說，在該功率分配器的中心操作頻率為60GHz的條件下，該等第一及第二輸出電容5、6各自的電容值為135fF，該輸出電阻7的電阻值為45Ω。

參閱圖4及圖5，其繪示圖2之功率分配器的操作頻率在0GHz至50GHz範圍內時的模擬結果。從圖4可知，插入損耗S ₂₁、S ₃₁的大小接近理想值-3dB。從圖5可知，該等插入損耗S ₂₁、S ₃₁間的一振幅不平衡（amplitude imbalance，AI，AI= S ₂₁(dB)-S ₃₁(dB)）約同於其理想值0dB。該等插入損耗S ₂₁、S ₃₁間的一相位差（phase difference，PD，PD= S ₂₁(degree)-S ₃₁(degree)）約同於其理想值0度(degree)。模擬結果顯示該實施例的功率分配器具有小的功率損耗，及接近理想的功率分配特性。

＜第二實施例＞

參閱圖6，本發明功率分配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：以一第一傳輸部21’ 與一第一輸出部22’分別取代圖2之該第一傳輸部21與該第一輸出部22，及以一第二傳輸部31’與一第二輸出部32’分別取代圖2之該第二傳輸部31與該第二輸出部32。

在本實施例中，該第一輸出電容5的該第一端電連接該第二輸出部32’。該第二輸出電容6的該第二端電連接該第一輸出部22’。該第一傳輸部21’被沿一第一方向配置成一弧狀，該第二傳輸部31’被沿一第二方向配置成一弧狀。該第一方向與該第二方向相反，該第一方向為一順時針方向，該第二方向為一逆時針方向。

在本實施例中，該功率分配器為一V頻段（50GHz ~70GHz）二路功率分配器。由於用於較高頻段，因此該輸入信號Pin的波長較短，使得該等第一及第二傳輸部21’、31’各自為繞成0.65圈的結構。同樣的，以該第一傳輸線2之該輸入部20的該第一端201設為第1埠，該第一傳輸線2之該第一輸出部22’的該第二端222設為第2埠，該第二傳輸線3之該第二輸出部32’的該第二端322設為第3埠，並以此計算S參數。

參閱圖7及圖8，其繪示圖6之功率分配器的操作頻率在20GHz至100GHz範圍內時的模擬結果。從圖7可知，頻率在20GHz至70GHz範圍內時，插入損耗S ₂₁、S ₃₁的大小接近理想值-3dB。從圖8可知，該等插入損耗S ₂₁、S ₃₁間的一振幅不平衡（amplitude imbalance，AI，AI= S ₂₁(dB)-S ₃₁(dB)）約同於其理想值0dB。該等插入損耗S ₂₁、S ₃₁間的一相位差（phase difference，PD，PD= S ₂₁(degree)-S ₃₁(degree)）約同於其理想值0度(degree)。模擬結果顯示該實施例的功率分配器具有小的功率損耗，及接近理想的功率分配特性。

在圖2及圖6中，該實施例之功率分配器為一二路功率分配器，但不限於此。在實際應用時，會需要具有更多路（例如四路、八路等）的功率分配器。舉例來說，參閱圖9，藉由三個圖6之該功率分配器即可配置成一V頻段（50GHz ~70GHz）四路功率分配器，用以將該輸入信號Pin分成四個輸出信號Po11、Po12、Po21、Po22，但不限於此，可依此類推設計出更多路的功率分配器。圖9中，以該第一傳輸線2之該輸入部20的該第一端201設為第1埠，以編號P2、P3、P4、P5分別設為第2埠至第5埠，並以此計算S參數。

參閱圖10至圖12，其繪示圖9之功率分配器的操作頻率在20GHz至100GHz範圍內時的模擬結果。圖11中，參數AI ₂₃為該等插入損耗S ₂₁、S ₃₁間的振幅不平衡（AI ₂₃= S ₂₁(dB)-S ₃₁(dB)）。參數AI ₂₄為該等插入損耗S ₂₁、S ₄₁間的振幅不平衡（AI ₂₄= S ₂₁(dB)-S ₄₁(dB)）。參數AI ₂₅為該等插入損耗S ₂₁、S ₅₁間的振幅不平衡（AI ₂₅= S ₂₁(dB)-S ₅₁(dB)）。圖12中，參數PD ₂₃為該等插入損耗S ₂₁、S ₃₁間的相位差（PD ₂₃=S ₂₁(degree)-S ₃₁(degree)）。參數PD ₂₄為該等插入損耗S ₂₁、S ₄₁間的相位差（PD ₂₄=S ₂₁(degree)-S ₄₁(degree)）。參數PD ₂₅為該等插入損耗S ₂₁、S ₅₁間的相位差（PD ₂₅=S ₂₁(degree)-S ₅₁(degree)）。從圖10至圖12可知，該實施例的功率分配器具有小的功率損耗，及接近理想的功率分配特性。

綜上所述，前述每一實施例的該功率分配器具有以下優點。由於該等第一與第二傳輸部21(21’)、31(31’)的長度各自是該目標波長λ的十二分之一，且在該第一實施例中該等第一與第二傳輸部21、31各自被配置成圓形螺旋狀且彼此對稱設置，或在該第二實施例中該等第一與第二傳輸部21’、31’各自被配置成弧狀且彼此對稱設置，使得該功率分配器佔據的面積相對較小，且製造成本較低。此外，由於該等第一與第二傳輸部21(21’)、31(31’)佔據的面積相對較小，因此該第一傳輸部21(21’)及該第一輸出部22(22’)的結構與該第二傳輸部31(31’)及該第二輸出部32(32’)的結構實際上可採對稱方式設置，以致該輸入信號Pin被分配成該等輸出信號Po1、Po2之傳輸路徑對稱且長度相等，如此一來，該功率分配器之該等輸出信號Po1、Po2間不會有振幅不匹配及相位差較大之問題。

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。

2:第一傳輸線 20:輸入部 201、202:第一與第二端 21、21’:第一傳輸部 211、212:第一與第二端 22、22’:第一輸出部 222:第二端 3:第二傳輸線 31、31’:第二傳輸部 311、312:第一與第二端 32、32’:第二輸出部 322:第二端 4:輸入電容 5、6:第一與第二輸出電容 7:輸出電阻 AI ₂₃、AI ₂₄、AI ₂₅:振幅不平衡 C1、C2:電容 P2~P5:第2埠至第5埠 Pin:輸入信號 Po1、Po2:輸出信號 Po11、Po12、Po21、Po22:輸出信號 PD ₂₃、PD ₂₄、PD ₂₅:相位差 R1、R2:電阻 S ₂₁、S ₃₁、S ₄₁、S ₅₁:插入損耗

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是一結構圖，說明習知威爾金森功率分配器；圖2是一結構圖，說明本發明功率分配器的一第一實施例；圖3是一電路圖，說明該第一實施例的一等效電路；圖4是一模擬圖，說明該第一實施例的多個插入損耗相對於頻率的變化；圖5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6是一結構圖，說明本發明功率分配器的一第二實施例；圖7是一模擬圖，說明該第二實施例的多個插入損耗相對於頻率的變化；圖8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；圖9是一結構圖，說明該第二實施例的一應用；圖10是一模擬圖，說明該第二實施例的該應用的多個插入損耗相對於頻率的變化；圖11是一模擬圖，說明該第二實施例的該應用的一振幅不平衡的大小相對於頻率的變化；及圖12是一模擬圖，說明該第二實施例的該應用的一相位差的大小相對於頻率的變化。

2:第一傳輸線

20:輸入部

201、202:第一與第二端

21:第一傳輸部

211、212:第一與第二端

22:第一輸出部

222:第二端

3:第二傳輸線

31:第二傳輸部

311、312:第一與第二端

32:第二輸出部

322:第二端

4:輸入電容

5、6:第一與第二輸出電容

7:輸出電阻

Pin:輸入信號

Po1、Po2:輸出信號

Claims

一種功率分配器，包含：一第一傳輸線，包括一輸入部、一第一傳輸部，及一第一輸出部，該輸入部、該第一傳輸部，及該第一輸出部各自具有一第一端及一第二端，該輸入部的該第一端用於接收一具有一目標波長的輸入信號，該第一傳輸部的該等第一及第二端分別連接該輸入部的該第二端及該第一輸出部的該第一端，該第一傳輸部的長度是該目標波長的十二分之一；一第二傳輸線，包括各自具有一第一端及一第二端的一第二傳輸部及一第二輸出部，該第二傳輸部的該等第一及第二端分別連接該第一傳輸線之該輸入部的該第二端及該第二輸出部的該第一端，該等第一及第二輸出部的該等第二端用於共同輸出一對具有該目標波長且同相的輸出信號，該第二傳輸部的長度是該目標波長的十二分之一，該等第一與第二傳輸部彼此對稱設置，該等第一與第二輸出部彼此對稱設置；一輸入電容，電連接在該第一傳輸線之該輸入部的該第二端與地之間；及一第一輸出電容、一輸出電阻，及一第二輸出電容，依序串聯連接在該第一輸出部與該第二輸出部之間。
如請求項1所述的功率分配器，其中，該第一傳輸部被沿一順時針方向配置成一圓形螺旋狀，該第二傳輸部被沿一逆時針方向配置成一圓形螺旋狀。
如請求項2所述的功率分配器，其中，該第一傳輸部與該第二傳輸部等間距，該第一輸出部與該第二輸出部等間距。
如請求項1所述的功率分配器，其中，該第一傳輸部被沿一第一方向配置成一弧狀，該第二傳輸部被沿一第二方向配置成一弧狀，該第一方向與該第二方向相反。
如請求項4所述的功率分配器，其中，該第一方向為一順時針方向，該第二方向為一逆時針方向。
如請求項1所述的功率分配器，其中，該第一傳輸部與該第二傳輸部建立反相耦合。