CN101938029A - 具高隔离度的功率分配器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具高隔离度的功率分配器。该功率分配器包含有一基板、一第一分路臂、一第二分路臂、一信号输入单元、一连接单元、一接地层及一狭缝槽。该信号输入单元用来接收一输入信号并将该输入信号分配至该第一分路臂及该第二分路臂。该接地层用来提供接地。该第一分路臂、该第二分路臂、该信号输入单元及该连接单元布于该基板的一第一表面上，并围绕出一第一区域。该接地层布于该基板的一第二表面上。其中该狭缝槽形成于该接地层中，并且至少一部分的该狭缝槽形成于相对于该第一区域的一第二区域内。本发明的功率分配器不需使用额外的电阻组件，而能保有优异的高隔离度特性，大幅地节省制造成本，并能有效适用于高频频段，满足功率分配的需求。

Description

具高隔离度的功率分配器

技术领域

本发明涉及一种具高隔离度的功率分配器，尤其涉及一种不需使用电阻亦具有高隔离特性的功率分配器。

背景技术

功率分配器常被使用于微波电路中，用来将输入信号功率分配至各组件中。传统常用的一分二功率分配器有威尔金森功率分配器(Wilkinson power divider)以及T型功率分配器(T-junction power divider)等两种。这两种功率分配器的差异主要在于威尔金森功率分配器通常需要一个额外的电阻器来提升隔离度，而T型功率分配器则是不需额外的电阻器，但其隔离度则相对较差。

请参考图1，图1为公知一威尔金森功率分配器10的示意图。威尔金森功率分配器10包含有一输入端口102、分路端口104，106以及一电阻器108。一般来说，电阻器108的阻抗值通常为输入端口102的两倍。举例来说，输入端口102的阻抗值为Zo，分路端口104，106的阻抗值为Zo，电阻器108的阻抗值则为2Zo。威尔金森功率分配器10可通过输入端口102输入一微波输入信号SI，并经由分路端口104，106输出两个微波输出信号SO1，SO2至输出端口110，112。然而，由于一般电阻器通常有操作频率的限制，当威尔尔金森功率分配器10使用一般电阻器在愈高频时，组件间所产生的寄生电容及电感效应会更加明显，而使威尔金森功分配器10的电子特性变差。请参考图2，图2为公知威尔尔金森功率分配器10在高频时使用理想电阻的模拟响应波形图。其中，输入端口102为第1端口，输出端口110为第2端口，输出端口112为第3端口，而电阻器108是以100欧姆的理想电阻实现。由图2的模拟结果可知，尽管威尔尔金森功率分配器10使用了电阻性较佳(即去除了寄生电感效应)的理想电阻，S23隔离度参数依然不甚理想，仅在-8dB左右。也就是说，纵使将电阻器108换成理想电阻，仍无法提供理想的隔离度，由此可知。威尔金森功率分配器10确实不适用于高频。

除此之外，当威尔金森功率分配器10操作的频率越来越高时，四分之一波长分路端口104，106会随着操作频率的升高而尺寸变得更小，以使用RO4233(介电系数为3.33)的基板为例，当操作于Ka频段时，分路端口104，106的长度仅约2.4mm左右，如此一来，由于两分路端口彼此间的距离过短，将造成极大的耦合效应。在此情况下，即使使用理想电阻，依然无法达到有效的隔离度特性。

简言之，公知技术中，使用T型功率分配器虽不需使用额外的电阻器，但无法获得适当的隔离度，而使用威尔尔金森功率分配器在操作频率较低频时虽可达到一定程度的隔离特性，但却必须增加昂贵的电阻器成本，并且当操作频率较高时，仍无法提供有效的隔离度。

发明内容

因此，本发明的主要目的即在于提供一种具高隔离度的功率分配器。

本发明公开一种具高隔离度的功率分配器，该功率分配器包含有一基板，该基板包含有一第一表面及一第二表面；一第一分路臂，布于该基板的该第一表面上，该第一分路臂包含有一第一端及一第二端；一第二分路臂，布于该基板的该第一表面上，该第二分路臂包含有一第一端及一第二端；一信号输入单元，布于该基板的该第一表面上，并耦接于该第一分路臂的该第一端与该第二分路臂的该第一端，用来接收一输入信号并将该输入信号分配至该第一分路臂及该第二分路臂；一连接单元，布于该基板的该第一表面上，并耦接于该第一分路臂的该第二端与该第二分路臂的该第二端，其中该连接单元、该第一分路臂与该第二分路臂围绕出一第一区域；一接地层，布于该基板的该第二表面上，用来提供接地；以及一狭缝槽，形成于该接地层中；其中至少一部分的该狭缝槽形成于相对于该第一区域的一第二区域内。

本发明的功率分配器不需使用额外的电阻组件，而能保有优异的高隔离度特性，可大幅地节省制造成本，更重要的是，本发明的功率分配器可有效适用于高频频段，改善了以往传统功率分配器操作于高频时无法提供有效隔离度的缺点，以满足功率分配的需求。

附图说明

图1为公知一威尔金森功率分配器的示意图。

图2为公知威尔尔金森功率分配器在高频时使用理想电阻的模拟响应波形图。

图3为本发明实施例的一功率分配器的上视平面图。

图4为本发明实施例的一功率分配器的下视平面图。

图5为本发明实施例的一功率分配器的立体结构图。

图6为一具矩形狭缝槽的功率分配器的模拟响应波形图。

图7为一具梯形狭缝槽的功率分配器的立体结构图。

图8为具梯形狭缝槽的功率分配器的模拟响应波形图。

图9为图7中狭缝槽的短底面的边长对谐振频率的比较示意图。

图10为图7中狭缝槽的长底面的边长对谐振频率的比较示意图。

图11为本发明实施例的功率分配器操作于Ka频段的模拟响应波形图。

主要组件符号说明：

10             威尔金森功率分配器

102            输入端口

104            分路端口

108            电阻器

30             功率分配器

302            基板

304            第一分路臂

306            第二分路臂

308            信号输入单元

310            连接单元

312            接地层

314            狭缝槽

316            第一信号输出单元

318            第二信号输出单元

A              第一区域

A’            第二区域

SI             输入信号

SO1、SO2       输出信号

具体实施方式

请参考图3至图5，图3为本发明实施例的一功率分配器30的上视平面图，图4为功率分配器30的下视平面图，图5为功率分配器30的立体结构图。功率分配器30包含有一基板302、一第一分路臂304、一第二分路臂306、一信号输入单元308、一连接单元310、一接地层312、一狭缝槽(slit)314、一第一信号输出单元316及一第二信号输出单元318。基板302包含有一上表面及与上表面相对的一下表面，其中第一分路臂304、第二分路臂306、信号输入单元308、连接单元310、第一信号输出单元316及第二信号输出单元318布设于上表面，而接地层312及狭缝槽314布设于下表面。较佳地，第一分路臂304、第二分路臂306、信号输入单元308及连接单元310可以一微带传输线结构来实现。如图3所示，第一分路臂304的一第一端304A与第二分路臂306的一第一端306A会耦接至信号输入单元308。因此，信号输入单元308可将一输入信号SI分配至第一分路臂304与第二分路臂306，再分别由其对应的第一信号输出单元316及第二信号输出单元318传送出输出信号SO1，SO2。连接单元310耦接于第一分路臂304的一第二端304B与第二分路臂306的一第二端306B。连接单元310、第一分路臂304与第二分路臂306所围绕出的区域为一第一区域A。而在用以提供接地的接地层312中包含有相对于第一区域A的区域为一第二区域A’。换句话说，第二区域A’为第一区域A正投影于接地层312的区块范围。在此情况下，狭缝槽314会形成于接地层312中，并且至少有一部分的狭缝槽314形成于第二区域A’的范围内。

相比较于传统威尔金森功率分配器使用电阻组件来提高各分路间的隔离性，在本发明实施例中，功率分配器30将传统威尔金森功率分配器使用电阻组件的位置以连接单元310取代，并利用狭缝槽314产生阻抗值。以微带传输线的理论来说明，微带传输线可等效一RLGC电路，也就是串联的电感与电阻，再加上两个并联的电容与电导。通常电感值主要是随微带线本身的长度而变，电容值则是由微带线与接地面所产生的。当功率分配器30增加了狭缝槽314，即相当于微带线的下方的接地面增加了狭缝槽的改变，如此一来，相当于降低该RLGC等效电路的电容值。而在理想无损耗的微带线中，其特性阻抗等于

因此，在电容值降低时，相对地整体阻抗值即会提高。因此，本发明的功率分配器30通过狭缝槽314的设计，即能达到传统威尔金森功率分配器中的电阻组件的目的。

简单来说，本发明的功率分配器30通过狭缝槽314的设计而能有效到高隔离度的目的，如此一来，不需使用额外的电阻组件，便将输入的射频信号分配成多路相互隔离的同相输出信号。

为方便说明，在本实施例中，所提出的模拟结果主要是以功率分配器30为基本架构，信号输入单元308设为第1端口，第一信号输出单元316设为第2端口，第二信号输出单元318设为第3端口，并以此计算S参数。图6为具矩形狭缝槽的功率分配器30的模拟响应波形图，其是以图5所示的实施例为架构，操作于10.7GHz至12.75GHz的Ku频段间所模拟出的结果。如图6所示，S23隔离度参数超过隔离度基准-15dB的频宽达到0.39GHz，意味着拥有高隔离度的特性，而反射系数S11参数亦落在-10dB附近，数值很小，表示大部分的能量都已被传输出去。

在本实施例中，狭缝槽314为形成于接地层312中的槽洞，其可以任何形状的槽体结构实现，举例来说，如图3至图5所示，狭缝槽314为狭长矩形槽体状。如图7所示，狭缝槽314为一梯形槽体。其中狭缝槽314的短底面与长底面的边长分别为S与L，且狭缝槽314的短底面部分位于第二区域A’内。请继续参考图8，图8为具梯形狭缝槽的功率分配器30的模拟响应波形图，其是以图7所示的实施例为架构，操作于10.7GHz至12.75GHz的Ku频段间所模拟出的结果。如图8所示，S23隔离度参数超过隔离度基准-15dB的频宽大于4.5GHz，而反射系数S11参数于整个频段内皆小于-15dB。换句话说，本发明的功率分配器30具备极优异的高隔离度的特性并拥有很小的反射损失。请参考图9及图10，图9为图7中狭缝槽314的短底面的边长S对谐振频率的比较示意图。图10为图7中狭缝槽314的长底面的边长L对谐振频率的比较示意图。横轴表示边长长度，纵轴表示谐振频率。由图9及图10可知，当短底面或长底面的边长越短，S23隔离度参数的谐振频率越往低频偏移，而S11与S22反射系数参数则朝高频偏移。换句话说，当使用梯形狭缝槽时，可以藉由改变其短底面或长底面的边长来调整功率分配器30的谐振频率。

如先前技术所述，传统威尔金森功率分配器必须使用电阻器于两分路臂间，随着操作频率愈高，寄生效应及电磁耦合效应会更加严重，因而造成威尔金森功率分配器操作于高频频段时，无法达到有效的隔离度而导致电子特性不佳。相比较之下，本发明的设计不需使用到电阻器，而更能适用于高频频段。举例来说，请参考图11，图11为本发明实施例功率分配器30操作于Ka频段的模拟响应波形图，其是以图7所示的实施例为架构，操作于18.2GHz至20.2GHz的Ka频段间所模拟出的结果。如图11所示，于18.2GHz至20.2GHz的频段间，S23隔离度参数皆低于-18dB。相比较于图2中传统威尔金森功率分配器的模拟结果，本发明实施例在隔离度方面提升了至少10dB的效果。而反射系数S11及S22亦均落于-10dB之下，亦即拥有极少的反射损失。因此，本发明的功率分配器将可摒除传统威尔金森功率分配器的缺点而使用于较高的频率。

另一方面，如同公知功率分配器的功能，本发明的功率分配器除了能将输入的射频信号分配成多路相互隔离的同相输出信号外；同理，将本发明的功率分配器反向操作，亦即将信号分别由第一信号输出单元316及第二信号输出单元318输入至第一分路臂304与第二分路臂306，通过信号输入单元308将流经第一分路臂304与第二分路臂306的同相信号结合起来输出，便成为一功率合成器。换句话说，本发明的功率分配器可双向操作，除了用于功率分配，亦可反向作功率合成之用。

需注意的是，功率分配器30仅为本发明的实施例，本领域技术人员当可据以作不同的修饰。举例来说，功率分配器30可应用于各种信号频段，例如Ka-Ku频段。狭缝槽314可以蚀刻方式或是其他方式形成于接地层312。基板302可以是任何的微波基板，例如RO4233微波基板。一般来说，第一分路臂304与第二分路臂306的长度或宽度可视功率分配的比例或是其他任何需求加以变化。举例来说，若欲使经分配出的信号拥有更一致性的相位，则可将第一分路臂304与第二分路臂306设计成长度相同的分路臂。若将第一分路臂304与第二分路臂306设计为不同宽度时，则可达到不等功率分配的目的。此外，分路臂的长度可设计成四分之一波长或四分之一波长的奇数倍，以获得等功率分配的效果。

总而言之，相比较于传统威尔金森功率分配器，本发明的功率分配器不需使用额外的电阻组件，而能保有优异的高隔离度特性，可大幅地节省制造成本，更重要的是，本发明的功率分配器可有效适用于高频频段，改善了以往传统功率分配器操作于高频时无法提供有效隔离度的缺点，以满足功率分配的需求。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所作的等同变化与修饰，皆应属本发明所涵盖的范围之内。

Claims (14)

1.一种具高隔离度的功率分配器，包括：

一基板，包括一第一表面及一第二表面；

一第一分路臂，布于所述基板的所述第一表面上，所述第一分路臂包括一第一端及一第二端；

一第二分路臂，布于所述基板的所述第一表面上，所述第二分路臂包括一第一端及一第二端；

一信号输入单元，布于所述基板的所述第一表面上，并耦接于所述第一分路臂的所述第一端与所述第二分路臂的所述第一端，用来接收一输入信号并将所述输入信号分配至所述第一分路臂及所述第二分路臂；

一连接单元，布于所述基板的所述第一表面上，并耦接于所述第一分路臂的所述第二端与所述第二分路臂的所述第二端，其中所述连接单元、所述第一分路臂与所述第二分路臂围绕出一第一区域；

一接地层，布于所述基板的所述第二表面上，用来提供接地；以及

一狭缝槽，形成于所述接地层中；

其中至少一部分所述狭缝槽形成于相对于所述第一区域的一第二区域内。

2.如权利要求1所述的功率分配器，还包括一第一信号输出单元，布设于所述基板的所述第一表面上，并耦接于所述第一分路臂的所述第二端，用来输出经由所述第一分路臂的所述输入信号；以及一第二信号输出单元，布设于所述基板的所述第一表面上，并耦接于所述第二分路臂的所述第二端，用来输出经由所述第二分路臂的所述输入信号。

3.如权利要求1所述的功率分配器，其中所述狭缝槽为一矩形槽体。

4.如权利要求3所述的功率分配器，其中所述狭缝槽为一狭长矩形槽体。

5.如权利要求1所述的功率分配器，其中所述狭缝槽为一梯形槽体。

6.如权利要求5所述的功率分配器，其中所述狭缝槽的短底面部分位于所述第二区域内。

7.如权利要求5所述的功率分配器，其中所述狭缝槽的短底面与长底面的边长相关于所述功率分配器的谐振频率。

8.如权利要求1所述的功率分配器，其中所述狭缝槽是以蚀刻方式形成于所述接地层。

9.如权利要求1所述的功率分配器，其中所述第二区域为所述第一区域正投影于所述接地层的区域。

10.如权利要求1所述的功率分配器，其中所述第一分路臂、所述第二分路臂、所述信号输入单元及所述连接单元为一微带传输线结构。

11.如权利要求1所述的功率分配器，其中所述基板为一RO4233的微波基板。

12.如权利要求1所述的功率分配器，其中所述功率分配器操作于一Ku微波频段。

13.如权利要求1所述的功率分配器，其中所述功率分配器操作于一Ka微波频段。

14.如权利要求1所述的功率分配器，其中所述第一分路臂与第二分路臂的长度相同。

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