TWI701863B - 耦合埠輸出功率具選擇功能之單階枝幹耦合器 - Google Patents
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Abstract
本發明係為一種耦合埠輸出功率具選擇功能之單階枝幹耦合器，其係於基板覆設傳輸線組及二第一電感。傳輸線組包含二橫向並置的第一傳輸線及第二傳輸線，第一傳輸線與第二傳輸線一端各自延伸具有呈上下對稱斜邊的第一延伸段及第二延伸段。第一傳輸線與第二傳輸線另端各自延伸具有呈上下對稱斜邊的第三延伸段及第四延伸段。第一傳輸線一端底緣與第二傳輸線一端頂緣各自設有上下對稱的第一梯形段及第二梯形段。第一傳輸線另端底緣與第二傳輸線另端頂緣各自設有上下對稱的第三梯形段及第四梯形段，其一第一電感電性連接於第一梯形段與第二梯形段之間，其二第一電感電性連接於第三梯形段與第四梯形段之間，俾能讓使用者依使用需求而透過改變電感值來調整輸出功率比例，故可以單一電路實現多種耦合埠輸出功率之功能，在系統的建置上與功能調整上十分便利。
Description
本發明係有關一種耦合埠輸出功率具選擇功能之單階枝幹耦合器，尤指一種可以讓使用者依使用需求而透過改變電感值來調整輸出功率比例的枝幹耦合器技術。
按，無線通訊系統因人類科技的演進突飛猛進、一日千里，其中高頻微波電路的設計受到矚目，在電子產業的使用率跟需求量與日俱增，電路設計方向往縮小及成本降低的方向前進，因此如何增加電路功能的調整性、降低電路尺寸並維持良好的電路特性是現今高頻微波電路設計者的目標。常見的耦合器有枝幹耦合器如參考文獻[1-3]及鼠圈式耦合器如參考文獻[4-5]等所示，耦合器具有訊號有固定相移特性並能依照使用者需求設計比例分配，可運用於許多方面，如功率分配器如參考文獻[6]所示、功率放大器如參考文獻[7]所示的天線陣列。但因傳統耦合器會有電路尺寸過大的困擾，因此常使用Pi型等效如參考文獻[8]或T型等效如參考文獻[9]來進行電路縮小如參考文獻[10]所示。
再者，傳統枝幹耦合器構造具有為左右及上下對稱性質的四埠電路，依使用方式各埠分為輸入埠、輸出埠、耦合埠、隔離埠。傳統枝幹耦合器基本構造為四條傳輸線，其電氣長度皆為四分之一波長(θ=90°)，其中輸出埠|S 21|與耦合埠|S 31|輸出功率由傳輸線特性阻抗值決定，兩輸出訊號相
位差為90度，且輸入埠|S 11|與隔離埠|S 41|達-15dB以下。為因應不同環境的使用需求，調整傳輸線的特性阻抗值使輸出埠及耦合埠輸出功率比例能有更多變化。因此，如何開發出一套可以依據使用需求而透過改變電感值來調整輸出功率比例的枝幹耦合器技術，實已成為相關產學業界所亟欲解決與挑戰的技術課題。
依據目前所知，尚未有一種可讓依使用需求而透過改變電感值來調整輸出功率比例的枝幹耦合器的專利或是論文被提出，而且基於電子產業的迫切需求下，本發明人等乃經不斷的努力研發之下，終於研發出一套有別於上述技術文獻之技術概念的本發明。
本發明主要目的，在於提供一種耦合埠輸出功率具選擇功能之單階枝幹耦合器，主要是將分支傳輸線轉換為電感，除了進行電路縮小外，並可依使用需求調整耦合埠輸出功率，輸出功率大小之選擇僅需調整電感之電感值即可，讓使用者依使用需求而透過改變電感值來調整輸出功率比例，故得以單一電路實現多種耦合埠輸出功率之功能，在系統的建置上與功能調整上十分便利。達成上述目的採用之技術手段，係於基板覆設傳輸線組及二第一電感。傳輸線組包含二橫向並置的第一傳輸線及第二傳輸線，第一傳輸線與第二傳輸線一端各自延伸具有呈上下對稱斜邊的第一延伸段及第二延伸段。第一傳輸線與第二傳輸線另端各自延伸具有呈上下對稱斜邊的第三延伸段及第四延伸段。第一傳輸線一端底緣與第二傳輸線一端頂緣各自設有上下對稱的第一梯形段及第二梯形段。第一傳輸線另端底緣與第二傳輸線另端頂緣各自設有上下對稱的第三梯形段及第四梯形段，
其一第一電感電性連接於第一梯形段與第二梯形段之間，其二第一電感電性連接於第三梯形段與第四梯形段之間。
10‧‧‧基板
20‧‧‧傳輸線組
21‧‧‧第一傳輸線
210‧‧‧第一延伸段
210a,220a,211a,221a‧‧‧直角三角形段
210b,220b,211b,221b‧‧‧矩形段
211‧‧‧第三延伸段
212‧‧‧第一梯形段
213‧‧‧第三梯形段
220‧‧‧第二延伸段
221‧‧‧第四延伸段
222‧‧‧第二梯形段
223‧‧‧第四梯形段
22‧‧‧第二傳輸線
24‧‧‧第一導電塊
23‧‧‧第二導電塊
L1,L2‧‧‧第一電感
L3,L4‧‧‧第二電感
圖1係本發明枝幹耦合器的電路架構示意圖。
圖2係傳統枝幹耦合器的電路架構示意圖。
圖3係本發明傳輸線段(Z,θ)之電感電容(LC)PI型等效電路示意圖。
圖4係本發明枝幹耦合器的電路示意圖。
圖5係本發明枝幹耦合器連接二個電感的實體電路示意圖。
圖6係本發明枝幹耦合器連接二個電感的電路頻率響應示意圖。
圖7係本發明枝幹耦合器連接所有電感的實體電路示意圖。
圖8係本發明枝幹耦合器連接所有電感的電路頻率響應示意圖。
為讓 貴審查委員能進一步瞭解本發明整體的技術特徵與達成本發明目的之技術手段，玆以具體實施例並配合圖式加以詳細說明：簡言之，本發明是一種運用硬體調整方式提出一種耦合埠輸出功率具選擇功能之單階枝幹耦合器設計，電路以傳統式枝幹耦合器為架構，將分支傳輸線轉換為電感，除了進行電路縮小外並且可依使用需求調整耦合埠輸出功率，輸出功率大小之選擇僅需調整電感之電感值即可。主要是以耦合埠輸出為-20dB枝幹耦合器為架構進行設計、模擬與實驗，透過調整電感值決定耦合埠輸出功率。本發明若設定耦合埠輸出功率為-20dB，可藉由並聯電感調整電感值，耦合埠輸出功率據此改變為-15dB，實體電路以厚度1.6mm，相對介電質係數4.3的FR-4電路板進行製作。模擬與實驗
結果於測試實驗範圍內非常一致，驗證本發明電路設計的正確性。
請配合參看圖3~4所示，為達成本發明主要目的之實施例，係包含一基板10、一覆設於基板10上的傳輸線組20及二第一電感L1,L2等技術特徵。該傳輸線組20包含二橫向並置的一第一傳輸線21及一第二傳輸線22。該第一傳輸線21與第二傳輸線22一端各自延伸具有呈上下對稱之斜邊的第一延伸段210及第二延伸段220。該第一傳輸線21與第二傳輸線22另端各自延伸具有呈上下對稱之斜邊的第三延伸段211及第四延伸段221。該第一傳輸線21一端底緣與第二傳輸線22一端頂緣各自設有上下對稱的第一梯形段212及第二梯形段222。該第一傳輸線21另端底緣與第二傳輸線22另端頂緣各自設有上下對稱的第三梯形段213及第四梯形段223。其一第一電感L1電性連接於第一梯形段212與第二梯形段222之間，以形成等同枝幹耦合器的縱向分枝傳輸線。其二第一電感L2電性連接於第三梯形段213與第四梯形段223之間，以形成等同枝幹耦合器之另一縱向分枝傳輸線，於是即可讓使用者依使用需求而透過改變第一電感L1,L2的電感值來調整輸出功率比例。
請配合參看圖3~4所示，該第一傳輸線21與第二傳輸線22的長度皆為L 3=45.33mm，其寬度皆為W 4=3.1mm。
具體的，如圖5所示，該第一延伸段210、第二延伸段220、第三延伸段211及第四延伸段221各自包含一形成上述斜邊的直角三角形段210a,220a,211a,221a及一自直角三角形段210a,220a,211a,221a之一直角邊延伸的矩形段210b,220b,211b,221b。
請配合參看圖5、6所示，各矩形段210b,220b,211b,221ba
的長度皆為W 2=5mm，其寬度皆為L 2=3.1mm。各直角三角形段210a,220a,211a,221a之斜邊的長度皆為W 3=4.8mm。
該第一延伸段210頂緣至第二延伸段220底緣以及第三延伸段211頂緣至第四延伸段221底緣的距離皆為W 1=20.32mm。該第一延伸段210外側緣至第三延伸段211外側緣以及第二延伸段220外側緣至第四延伸段221外側緣的距離皆為L 1=51.55mm。
請配合參看圖5、6所示，該第一梯形段212、第二梯形段222、第三梯形段213及第四梯形段223各自的外側腰邊皆與各自之直角三角形段210a,220a,211a,221a的另一直角邊相接。該第一梯形段212與第二梯形段222相對的上底以及第三梯形段213與第四梯形段223相對的上底長度皆為L 4=2.5mm。
請配合參看圖3~4所示，該二第一電感L1,L2各自並聯一第二電感L3,L4。該第一梯形段212與第二梯形段222之間設有二並置以供其一第一電感L1與其一第二電感L2覆設的第一導電塊24，該第三梯形段213與第四梯形段223之間設有二並置以供其二第一電感與其二第二電感覆設的第二導電塊23。該二第一導電塊24與該二第二導電塊23的長度皆為W 5=5mm，其寬度皆為L 6=1mm。該二第一電感L1,L2之電感值介於80~95nH之間。該二第二電感L3,L4之電感值介於100~120nH之間。除此之外，第一導電塊24與第二導電塊23可以透過印刷或其他方式結合第一電感L1,L2與第二電感L3,L4而成為一種薄膜式電感；但不以此為限。
再者，本發明在電路分析與設計的實施例中，電路構造如圖1，電路以傳統式枝幹耦合器為架構，將兩個縱向分支傳輸線轉換為電感L1、
L3及L2、L4進行電路縮小，使用者可依需求調整耦合埠輸出功率，輸出功率之選擇僅需改變電感值即可。並以設定耦合埠輸出為-20dB之枝幹耦合器為架構進行設計、模擬與實驗，只放入第一電感L1,L2時耦合埠輸出為-20dB，第一、第二電感L1、L3及L2、L4全部連接時，電路耦合埠輸出為-15dB。本發明電路優點為以單一電路實現多種耦合埠輸出功率之功能，在系統的建置上與功能調整上十分便利。依本項設計方式並可運用於不同中心頻率的電路設計，本發明電路具有高度的系統支援性，並能有效減少整個系統建置的成本支出。
再者，傳統枝幹耦合器構造如圖2、5所示，第一延伸段210、第二延伸段220、第三延伸段211及第四延伸段221依序電性連接輸入埠30、輸出埠31、耦合埠32及隔離埠33。圖2、5所示之Port1為輸入埠30，Port2為輸出埠31，Port3為耦合埠32，Port4為隔離埠33，Z1及Z2分別為傳輸線特性阻抗，θ 1,θ 2為傳輸線電氣長度(傳統電氣長度為90度)。
設定S 31 dB=-20，由式(1)、(2)可得Z1=49.74Ω、Z2=497.49Ω，並以電感電容(LC)之PI型等效電路取代傳輸線Z2，由式(3)可得Lx=86.65nH，C因數值過小可忽略；S 31 dB=-15，由式(1)、(2)可得Z1=49.2Ω、Z2=276.69Ω，並以電感電容(LC)之PI型等效電路取代傳輸線Z2，如圖3，由式(3)可得Ly=48.13nH，C因數值過小可忽略。電路架構如圖1，可知當耦合埠輸出為-20dB或-15dB時Z1皆接近50Ω，所以設定Z1為50Ω，又以S 31 dB=-20為基底，設L1=L2=86.65nH，並由式(4)可得L3=L4=108.27nH。
f=0.915×109,θ=90°,π=3.14159,ω=2×π×f
本發明耦合埠輸出功率具選擇功能之單階枝幹耦合器設計經由電磁模擬軟體驗證電路特性，選用板材為FR4(厚度1.6mm)，相對介電係數4.3，結構經最佳化調整如圖4，電路尺寸：L 1=51.55mm,W 1=20.32mm,L 2=3.1mm,W 2=5mm,L 3=45.33mm,W 3=4.8mm,L 4=2.5mm,W 4=3.1mm,L 5=39.33mm,W 5=5mm,L 6=1mm。經雕刻機加工後成品如圖5。
由網路分析儀量測實體電路電氣特性，設定S 31 dB=-20時只放入L1及L2如圖5，其實際及模擬結果比較之頻率響應圖如圖6，量測頻率由0到2GHz，大小由0至-60dB，於工作頻率(f 0=0.915GHz)的反射損耗|S11|及隔離度|S41|均在-15dB以下，傳輸量|S21|為-0.12dB、耦合量|S31|為-21.34dB；設定S 31 dB=-15時第一電感L1,L2與第二電感L3,L4全部放入如圖7，由網路分析儀量測，與模擬結果進行比較，得電路模擬結果與實體電路頻率響應如圖8，量測頻率由0到2GHz，大小由0至-60dB，於工作頻段(f 0=0.915GHz)輸入點的反射損耗|S11|及隔離度|S41|在-15dB以下，傳輸量|S21|為-0.08dB、耦合量|S31|為-14.7dB，兩端輸出為1：2，上述模擬與量測結果與預期相當接近。
經由上述具體實施例說明，本發明確實為一種耦合埠輸出功率具選擇功能之單階枝幹耦合器設計，電路以傳統式枝幹耦合器為架構，並將傳輸線段Z2改換電感，使用者僅需決定只放入第一電感L1,L2；或第一電感L1,L2與第二電感L3,L4全部放入即可調整耦合埠輸出，並以設定耦合埠32輸出為-20dB之枝幹耦合器為架構進行設計、模擬與實驗，透過對第二電感L3,L4的連接或不連接來調整輸出功率，不連接為耦合埠輸出維持-20dB不變，連接第二電感L3,L4後則輸出轉變為-15dB。故而模擬與實測結果相當接近，可知本發明電路設計的正確性與調整功能，設計流程可以廣泛應用於不同中心頻率之具選擇功能功率分配系統設計。
以上所述，僅為本發明之可行實施例，並非用以限定本發明之專利範圍，凡舉依據下列請求項所述之內容、特徵以及其精神而為之其他變化的等效實施，皆應包含於本發明之專利範圍內。本發明所具體界定於請求項之結構特徵，未見於同類物品，且具實用性與進步性，已符合發明專利要件，爰依法具文提出申請，謹請 鈞局依法核予專利，以維護本申請人合法之權益。
[1] J. Reed and G. J. Wheeler, “A Method of Analysis of Symmetrical Four-Port Networks,” IRE Trans. Microwave Theory and Techniques, pp. 246 - 252, Oct. 1956.
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20‧‧‧傳輸線組
21‧‧‧第一傳輸線
210‧‧‧第一延伸段
210a,220a,211a,221a‧‧‧直角三角形段
210b,220b,211b,221b‧‧‧矩形段
211‧‧‧第三延伸段
212‧‧‧第一梯形段
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220‧‧‧第二延伸段
221‧‧‧第四延伸段
222‧‧‧第二梯形段
223‧‧‧第四梯形段
22‧‧‧第二傳輸線
23‧‧‧第二導電塊
24‧‧‧第一導電塊
Claims (7)
- 一種耦合埠輸出功率具選擇功能之單階枝幹耦合器，其包含一基板、一覆設於該基板上的傳輸線組及二第一電感；該傳輸線組包含二橫向並置的一第一傳輸線及一第二傳輸線，該第一傳輸線與該第二傳輸線一端各自延伸具有呈上下對稱之斜邊的一第一延伸段及一第二延伸段，該第一傳輸線與該第二傳輸線另端各自延伸具有呈上下對稱之斜邊的一第三延伸段及一第四延伸段；該第一傳輸線一端底緣與該第二傳輸線一端頂緣各自設有上下對稱的一第一梯形段及一第二梯形段；該第一傳輸線另端底緣與該第二傳輸線另端頂緣各自設有上下對稱的一第三梯形段及一第四梯形段，其一該第一電感電性連接於該第一梯形段與該第二梯形段之間；其二該第一電感電性連接於該第三梯形段與該第四梯形段之間；其中，該第一延伸段、該第二延伸段、該第三延伸段及該第四延伸段各自包含一形成該斜邊的直角三角形段及一自該直角三角形段之一直角邊延伸的矩形段；該第一梯形段、該第二梯形段、該第三梯形段及該第四梯形段各自的外側腰邊皆與各自之該直角三角形段的另一直角邊相接，使該第一梯形段、該第二梯形段、該第三梯形段及該第四梯形段各自的短邊皆朝向該二第一電感。
- 如請求項1所述之耦合埠輸出功率具選擇功能之單階枝幹耦合器，其中，該第一傳輸線與該第二傳輸線的長度皆為L 3=45.33mm，其寬度皆為W 4=3.1mm。
- 如請求項1所述之耦合埠輸出功率具選擇功能之單階枝幹耦合器，其中，各該矩形段的長度皆為W 2=5mm，其寬度皆為L 2=3.1mm；各該直角三角形段之該斜邊的長度皆為W 3=4.8mm；該第一延伸段頂緣至該第二延伸段底緣以及該第三延伸段頂緣至該第四延伸段底緣的距離皆為W 1=20.32mm； 該第一延伸段外側緣至該第三延伸段外側緣以及該第二延伸段外側緣至該第四延伸段外側緣的距離皆為L 1=51.55mm。
- 如請求項1所述之耦合埠輸出功率具選擇功能之單階枝幹耦合器，其中，該第一梯形段與該第二梯形段相對的上底以及該第三梯形段與該第四梯形段相對的上底長度皆為L 4=2.5mm。
- 如請求項1所述之耦合埠輸出功率具選擇功能之單階枝幹耦合器，其中，該二第一電感各自並聯一第二電感；該第一梯形段與該第二梯形段之間設有二並置以供其一該第一電感與其一該第二電感覆設的第一導電塊，該第三梯形段與該第四梯形段之間設有二並置以供其二該第一電感與其二該第二電感覆設的第二導電塊。
- 如請求項5所述之耦合埠輸出功率具選擇功能之單階枝幹耦合器，其中，該二第一導電塊與該二第二導電塊的長度皆為W 5=5mm，其寬度皆為L 6=1mm。
- 如請求項5所述之耦合埠輸出功率具選擇功能之單階枝幹耦合器，其中，該二第一電感之電感值介於80~95nH之間；該二第二電感之電感值介於100~120nH之間。
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|---|---|---|---|---|
| US5159298A (en) * | 1991-01-29 | 1992-10-27 | Motorola, Inc. | Microstrip directional coupler with single element compensation |
| TWI633702B (zh) * | 2017-02-10 | 2018-08-21 | 國立勤益科技大學 | 可調輸出功率之混合式枝幹耦合器 |
| TWI645610B (zh) * | 2017-12-18 | 2018-12-21 | 國立勤益科技大學 | Second-order branch coupler for adjustable output power ratio in 2.45GHz Wi-Fi band |
-
2019
- 2019-03-12 TW TW108108281A patent/TWI701863B/zh not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5159298A (en) * | 1991-01-29 | 1992-10-27 | Motorola, Inc. | Microstrip directional coupler with single element compensation |
| TWI633702B (zh) * | 2017-02-10 | 2018-08-21 | 國立勤益科技大學 | 可調輸出功率之混合式枝幹耦合器 |
| TWI645610B (zh) * | 2017-12-18 | 2018-12-21 | 國立勤益科技大學 | Second-order branch coupler for adjustable output power ratio in 2.45GHz Wi-Fi band |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 「Miniaturized Dual-Band Hybrid Couplers With Arbitrary Power Division Ratios」IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques Year: 2009, Volume: 57, Issue: 1 Pages: 149 – 156 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| TW202034576A (zh) | 2020-09-16 |
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