CN111193089B - 具有可控传输零点的+45°/-45°相移集总元件功分器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有一个可控传输零点的+45°相移集总元件功分器及其设计方法。本发明基于±45°集总元件功分器提出了四种新的功分器。该功分器的三个端口都具有良好的端口阻抗匹配，而信号输出端口一和信号输出端口二具有相等的幅度和相位并且相互隔离。在中心工作频率处该功分器的输出端口与信号输入端口的相位差为45°(或‑45°)，这一点与经典威尔金森功分器(90°)显著不同。进一步，本发明提出的功分器可以在指定频率产生一个传输零点，能够有效滤除谐波或者是强的杂散信号。

Description

具有可控传输零点的+45°/-45°相移集总元件功分器

技术领域

本发明涉及一种具有45°或-45°相位延迟的小型化功率分配/合成器的电路拓扑结构及设计方法，其特征是功分器在指定频点上具有一个公共传输零点(阻带)。本发明属于微波技术研究领域。

背景技术

功率分配/合成器是微波电路的基本部件之一，具有将输入信号功率分解成相互隔离的几路相等或不相等功率信号的功能，或者反过来将几路信号合成一路。因此，功分器在功率放大与合成、信号测试和正交混频解调等电路与***中都应用广泛。功分器具有多种形式，如耦合器(包括分支线、微带混合环、平行线、兰格线等多种耦合方式)、威尔金森(Wilkinson)形式等；从实现方法上则可分为波导型、同轴线型、带状线型及微带线型等。此外，也可以按照两路功分端口的相对相位差分为0°、90°和180°相差等不同类型的功分器。其中，两路具有0°相位差的威尔金森功分器具有***损耗小，各输出支路的幅度和相位一致性好，隔离度优良等优点，是使用最多的功分器拓扑结构之之一。标准的威尔金森功分器一般是由两根在工作中心频率点的电长度为四分之一波长传输线和一个阻值为两倍端口阻抗的隔离电阻组成。为了减小电路的整体尺寸，在射频频率也出现了采用集总元件设计的威尔金森功分器。一个典型的集总元件威尔金森功分器一般需要3个电容，2个电感和一个隔离电阻，共6个元件。而公开号为CN109216852A和CN109873618A的专利申请文献分别提供了“一种具有45°相移的集总元件功分器”和“一种具有-45°相位延迟的大功率集总元件功分器”仅采用5个集总元件就是实现了经典集总元件威尔金森功分器的全部功能，并比它具有更大的工作带宽(电路基本结构可参见图1)。实际中使用的集总元件可以采用贴片封装电感、电容和电阻等商品化器件或者采用单片微波集成电路、薄膜印刷电路，厚膜印刷电路，低温共烧陶瓷等工艺实现的集总元件电路形式。

对于平衡式功率放大器，以及对电磁兼容要求较高的应用场合，谐波和强的杂散干扰信号对***的性能具有显著影响。如能抑制掉最强的一个谐波，或者杂散频率的信号，就能明显改善放大器模块的线性度。

发明内容

本发明的目的是基于±45°集总元件功分器提出了新的功分器。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种具有一个可控传输零点的+45°相移集总元件功分器，+45°相移集总元件功分器的信号输入端口与信号输出端口一或信号输出端口二的的相位差为45°，信号输出端口一和信号输出端口二采用对称结构，具有相等的幅度和相位，并且相互隔离，其特征在于，所述+45°相移集总元件功分器的电路结构由信号输入端口串联到地的电感L₁和电容C₁、信号输入端口分别到信号输出端口一和信号输出端口二的电感L₂，以及信号输出端口一和信号输出端口二之间的并联电阻R₁和电容C₃或者串联电阻R₂和电容C₄组成。

优选地，在所述电路结构内可以***电长度为整数倍波长的传输线结构，而二不改变功分器的性能。

优选地，所述电容、电感、电阻采用引线直插或者贴片封装，或所述电容、电感采用高/低阻抗传输线所等效的等值电容、电感。

优选地，所述电路结构采用的电路工艺采用PCB电路工艺实现，或采用单片微波集成电路、薄膜印刷电路、厚膜印刷电路，或采用低温共烧陶瓷工艺实现。

本发明的另一个技术方案是提供了一种上述的具有一个可控传输零点的+45°相移集总元件功分器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

搭建上述的电路结构，电路结构中元件参数值由式(1)至式(6)计算：

C₁＝|1-(ω₀/ω₁)²|/(Z_sω₀) (1)

L₂＝ Z_s/ω₀ (3)

C₃＝C₄/2 (4)

R₁＝2Z_s (5)

R₂＝Z_s (6)

式(1)至式(6)中，ω₀是工作中心频率对应的角频率值，ω₁是传输零点对应的角频率值，所指定的传输零点频率高于中心工作频率，Z_s是功分器端口阻抗。

本发明的另一个技术方案是提供了一种具有一个可控传输零点的-45°相移集总元件功分器，-45°相移集总元件功分器的信号输入端口与信号输出端口一或信号输出端口二的相位差为-45°，信号输出端口一和信号输出端口二采用对称结构，具有相等的幅度和相位，并且相互隔离，其特征在于，所述-45°相移集总元件功分器的电路结构由信号输入端口串联到地的电感L₁和电容C₁、信号输入端口分别到信号输出端口一和信号输出端口二的电容C₂，以及信号输出端口一和信号输出端口二之间的并联电阻R₁和电感L₃或者串联电阻R₂和电感L₄组成

优选地，在所述电路结构内可以***电长度为整数倍波长的传输线结构。

优选地，所述电容、电感、电阻采用引线直插或者贴片封装，或所述电容、电感采用高/低阻抗传输线所等效的等值电容、电感。

优选地，所述电路结构采用的电路工艺采用PCB电路工艺实现，或采用单片微波集成电路、薄膜印刷电路、厚膜印刷电路，或采用低温共烧陶瓷工艺实现。

本发明的另一个技术方案是提供了一种上述的具有一个可控传输零点的-45°相移集总元件功分器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

搭建上述的电路结构，电路结构中元件参数值由式(1)及式(2)和式(5)至式(7)计算：

C₁＝|1-(ω₀/ω₁)²|/(Z_sω₀) (1)

R₁＝2Z_s (5)

R₂＝Z_s (6)

L₃＝2L₄ (7)

式(1)及式(2)和式(5)至式(7)中，ω₀是工作中心频率对应的角频率值，ω₁是传输零点对应的角频率值，所指定的传输零点频率低于中心工作频率，Z_s是功分器端口阻抗。

本发明基于±45°集总元件功分器提出了四种新的功分器。该功分器的三个端口都具有良好的端口阻抗匹配，而信号输出端口一和信号输出端口二具有相等的幅度和相位并且相互隔离。在中心工作频率处该功分器的输出端口与信号输入端口的相位差为45°(或-45°)，这一点与经典威尔金森功分器(90°)显著不同。进一步，本发明提出的功分器可以在指定频率产生一个传输零点，能够有效滤除谐波或者是强的杂散信号。

具体而言，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明提出的45°(-45°)相移集总元件功分器由6个元器件组成，与经典集总元件威尔金森功分器电路元件个数相同。是能实现可控传输零点功能的集总元件功分器电路中元件个数最少的结构。

(2)采用本发明提出的45°相移功分器拓扑结构，仍具有以下与威尔金森功分器类似的优良品质：在工作频带内，三个端口均具有良好端口阻抗匹配性能；两个输出端口具有相等的幅度和相位，并且互相隔离。

(3)本发明提出四种不同形式的电路拓扑结构，可以根据具体电路布局的方便进行选取。

(4)对于需要高于工作中心频率的传输零点的功分器设计，可以采用+45°相移集总元件功分器的两种结构形式实现；对于需要低于工作中心频率的传输零点的功分器设计，可以采用-45°相移集总元件功分器的两种结构形式实现.

(5)根据典型电路仿真结果，与工作同样中心频率的经典威尔金森集总元件功分器相比，本发明具有相近带宽性能或是1.5倍的有效工作带宽(对于-45°相移集总元件功分器的两种结构而言)。

附图说明

图1(a)及图1(b)为两种45°集总元件功分器的原理与结构框图；

图2(a)及图2(b)为具有一个可控传输零点的+45°相移集总元件功分器的原理与结构框图；

图3(a)及图3(b)为具有一个可控传输零点的-45°相移集总元件功分器的原理与结构框图；

图4(a)至图4(e)为中心工作频率1.0GHz的经典集总元件威尔金森功分器与本发明提出的四种集总元件功分器的散射参数比较，其中：图4(a)为输入端口1到输出端口(2或者3)传输系数的幅度；图4(b)为输入端口1到输出端口(2或者3)传输系数的相位；图4(c)为输入端口1反射系数的幅度；图4(d)为输出端口(2或者3)反射系数的幅度；图4(e)为两个输出端口之间隔离度的幅度。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

本实施例公开的一种基本结构形式如图2(a)及图2(b)所示，本实施例提出的集总元件功分器，信号输入端口1与输出端口2或输出端口3的相位差为45°。两路输出端口2和输出端口3采用对称结构，具有相等的幅度和相位，并且相互隔离。该功分器电路的结构由输入端口1串联到地的电感L₁和电容C₁、输入端口1分别到输出端口2和输出端口3的电感L₂、以及输出端口2和输出端口3之间的并联电阻R₁和电容C₃或者串联电阻R₂和电容C₄组成。

实施例2

本实施例公开的另一种基本结构形式如图3(a)及图3(b)所示，本实施例提出的集总元件功分器，信号输入端口1与输出端口2或输出端口3的相位差为-45°。两路输出端口2和输出端口3采用对称结构，具有相等的幅度和相位，并且相互隔离。该功分器电路的结构由输入端口1串联到地的电感L₁和电容C₁、输入端口1分别到输出端口2和输出端口3的电容C₂、以及输出端口2和输出端口3之间的并联电阻R₁和电容L₃或者串联电阻R₂和电容L₄组成。

实施例1及实施例2中的元件参数值由下式(1)至式(10)计算：

C₁＝|1-(ω₀/ω₁)²|/(Z_sω₀) (1)

C₂＝1/(Z_sω₀) (3)

L₂＝Z_s/ω₀ (4)

C₃＝C₂/2 (5)

L₄＝2L₂ (6)

C₄＝C₂ (7)

L₄＝L₂ (8)

R₁＝2Z_s (9)

R₂＝Z_s (10)

其中，ω₀是工作中心频率对应的角频率值，ω₁是传输零点对应的角频率值。另外，值得指出的是：对于实施例1公开的两种结构，所指定的传输零点频率需高于中心工作频率；而对于实施例2公开的两种结构，所指定的传输零点频率需低于工作中心频率。

根据公式(1)-(10)设计出的功分器，在中心工作频率处具有完美的功率分配、阻抗匹配和输出端口之间的隔离特性。而越是远离中心频率，功分器的性能会变得越来越差。因此，对于实际的功分器使用，有必要界定出一个有效工作频带。根据理论分析和实际测量结果，在功分器的诸多散射参数中，一般以信号输入端口1的反射系数S₁₁最容易受频率影响。因此，本发明以|S₁₁|<-15dB的频带范围作为本功分器的工作带宽。在此工作频带内，输入信号到两个输出端口的传输系数的带内起伏的理论值小于0.15dB。以下文中的给出的中心频率为1GHz的功分器设计结果为例，采用实施例1的两种结构设计的集总元件功分器其百分工作带宽为29.9％，稍微略低经典集总元件威尔金森功分器工作带宽(31.2％)；采用实施例2两种结构设计的集总元件功分器其百分工作带宽为45.8％，是经典集总元件威尔金森功分器工作带宽的1.5倍。

此外，虽然本发明提出的是一种采用集总元件设计的功分器，但若在电路结构内的任意位置***电长度为整数倍波长的传输线结构，将不会对电路性能产生任何实质性的影响。在实际设计中，也可以采用这种方式以方便电路实现。

以中心工作频率为1.0GHz，传输零点处的频率为1.5GHz(针对实施例1公开的两种结构)和0.5GHz(针对实施例2公开的两种结构)，端口阻抗为50欧姆的等功分器做为设计目标，采用是德公司的ADS软件的仿真结果作为验证工具。该软件已经在微波电路领域被大量微波工程实践结果证实其具有充分的有效性和准确性。此外，本示例所给工作频率和元件参数值仅供作为说明本专利具体实施过程和结果提供典型参考，而并非其结构形式和工作频率的限制。经典集总元件威尔金森功分器与本专利提出的四种集总元件功分器的具体元件参数值可如下表1所示，图4(a)至图4(e)则给出了这五种功分器的微波特性(散射参数)的比较。

从图4(a)至图4(e)可以看出，实施例1公开的两种结构具有相同的功率传输特性和性能相近的端口阻抗匹配和隔离特性，在中心频率1.0GHz具有理论预测的45°相位。受1.5GHz处传输零点的影响，这两种结构的功分器其百分工作带宽为29.9％，稍微略低经典集总元件威尔金森功分器工作带宽(31.2％)。实施例2公开的两种结构具有相同的功率传输特性和性能相近的端口阻抗匹配和隔离特性，在中心频率1.0GHz具有理论预测的-45°相位。实施例2公开的两种结构的功分器其百分工作带宽为29.9％，是经典集总元件威尔金森功分器工作带宽的1.5倍。

表1中心工作频率1GHz的四种集总元件功分器参数值

	C<sub>1</sub>(pF)	L<sub>1</sub>(nH)	C<sub>2</sub>(pF)	L<sub>2</sub>(nH)	C<sub>3</sub>(pF)	L<sub>3</sub>(nH)	C<sub>4</sub>(pF)	L<sub>4</sub>(nH)	R<sub>1</sub>(Ω)	R<sub>2</sub>(Ω)
											威尔金森	4.50			11.3	2.25				100
结构(a)	1.77	6.37		7.96	1.59				100
											结构(b)	1.77	6.37		7.96			3.18			50
结构(c)	9.55	10.6	3.18			15.9			100
											结构(d)	9.55	10.6	3.18					7.96		50

Claims (8)

1.一种具有一个可控传输零点的+45°相移集总元件功分器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

搭建电路结构，在该电路结构中，+45°相移集总元件功分器的信号输入端口与信号输出端口一或信号输出端口二的的相位差为45°，信号输出端口一和信号输出端口二采用对称结构，具有相等的幅度和相位，并且相互隔离，其特征在于，所述+45°相移集总元件功分器的电路结构由信号输入端口串联到地的电感L₁和电容C₁、信号输入端口分别到信号输出端口一和信号输出端口二的电感L₂，以及信号输出端口一和信号输出端口二之间的并联电阻R₁和电容C₃或者串联电阻R₂和电容C₄组成，采用如下设计方法：

电路结构中元件参数值由式(1)至式(6)计算：

C₁＝|1-(ω₀/ω₁)²|/(Z_sω₀) (1)

L₂＝Z_s/ω₀ (3)

C₃＝C₄/2 (4)

R₁＝2Z_s (5)

R₂＝Z_s (6)

式(1)至式(6)中，ω₀是工作中心频率对应的角频率值，ω₁是传输零点对应的角频率值，所指定的传输零点频率高于中心工作频率，Z_s是功分器端口阻抗。

2.如权利要求1所述的一种具有一个可控传输零点的+45°相移集总元件功分器的设计方法，其特征在于，在所述电路结构内可以***电长度为整数倍波长的传输线结构。

3.如权利要求1所述的一种具有一个可控传输零点的+45°相移集总元件功分器的设计方法，其特征在于，所述电容、电感、电阻采用引线直插或者贴片封装，或所述电容、电感采用高/低阻抗传输线所等效的等值电容、电感。

4.如权利要求1所述的一种具有一个可控传输零点的+45°相移集总元件功分器的设计方法，其特征在于，所述电路结构采用的电路工艺采用PCB电路工艺实现，或采用单片微波集成电路、薄膜印刷电路、厚膜印刷电路，或采用低温共烧陶瓷工艺实现。

5.一种具有一个可控传输零点的-45°相移集总元件功分器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

搭建电路结构，该电路结构中，-45°相移集总元件功分器的信号输入端口与信号输出端口一或信号输出端口二的相位差为-45°，信号输出端口一和信号输出端口二采用对称结构，具有相等的幅度和相位，并且相互隔离，其特征在于，所述-45°相移集总元件功分器的电路结构由信号输入端口串联到地的电感L₁和电容C₁、信号输入端口分别到信号输出端口一和信号输出端口二的电容C₂，以及信号输出端口一和信号输出端口二之间的并联电阻R₁和电感L₃或者串联电阻R₂和电感L₄组成；

电路结构中元件参数值由式(1)及式(2)和式(5)至式(7)计算：

C₁＝|1-(ω₀/ω₁)²|/(Z_sω₀) (1)

R₁＝2Z_s (5)

R₂＝Z_s (6)

L₃＝2L₄ (7)

式(1)及式(2)和式(5)至式(7)中，ω₀是工作中心频率对应的角频率值，ω₁是传输零点对应的角频率值，所指定的传输零点频率低于中心工作频率，Z_s是功分器端口阻抗。

6.如权利要求5所述的一种具有一个可控传输零点的-45°相移集总元件功分器的设计方法，其特征在于，在所述电路结构内可以***电长度为整数倍波长的传输线结构。

7.如权利要求5所述的一种具有一个可控传输零点的-45°相移集总元件功分器的设计方法，其特征在于，所述电容、电感、电阻采用引线直插或者贴片封装，或所述电容、电感采用高/低阻抗传输线所等效的等值电容、电感。

8.如权利要求5所述的一种具有一个可控传输零点的-45°相移集总元件功分器的设计方法，其特征在于，所述电路结构采用的电路工艺采用PCB电路工艺实现，或采用单片微波集成电路、薄膜印刷电路、厚膜印刷电路，或采用低温共烧陶瓷工艺实现。

Images