TWI730354B - 功率分配/結合裝置 - Google Patents

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  • Cable Transmission Systems, Equalization Of Radio And Reduction Of Echo (AREA)
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Abstract

一種功率分配/結合裝置包含：一第一傳輸線，具有一用於接收或輸出一具有一目標波長的信號之第一端，及一開路的第二端，且其長度是該目標波長的四分之一；及二第二傳輸線，每一第二傳輸線設置在該第一傳輸線附近，且與該第一傳輸線相間隔，以在該等第一及第二傳輸線之間建立電磁耦合，每一第二傳輸線具有一鄰近該第一傳輸線的該第一端之第一端，及一鄰近該第一傳輸線的該第二端之第二端，該等第二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，每一第二傳輸線的長度是該目標波長的四分之一。

Description

功率分配/結合裝置
本發明是有關於一種裝置，特別是指一種功率分配/結合裝置。
參閱圖1，習知威爾金森功率分配器/結合器（Wilkinson Power Divider/Combiner），用於將一具有功率P及波長λ的輸入信號Pi分成一對各具有功率P/2及波長λ的輸出信號Po，或以一相反的操作方式來將一對各具有功率P/2及波長λ的輸入信號合成一具有功率P及波長λ的輸出信號。
然而，該威爾金森功率分配器/結合器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11、12，造成該威爾金森功率分配器/結合器面積較大及成本較高。此外，該威爾金森功率分配器/結合器非電磁耦合結構，其也造成基板所致的能量損耗較大，導致該威爾金森功率分配器/結合器整體具有較大的能量損耗。因此，如何設計出具有較小面積及較低能量損耗之功率分配/結合裝置為相關業者所致力的目標之一。
因此，本發明之目的，即在提供一種具有較小面積及較低能量損耗的功率分配/結合裝置。
於是，本發明功率分配/結合裝置包含一第一傳輸線，及二第二傳輸線。
該第一傳輸線具有一用於接收或輸出一具有一目標波長的信號之第一端，及一開路的第二端，且其長度是該目標波長的四分之一。
每一第二傳輸線設置在該第一傳輸線附近，且與該第一傳輸線相間隔，以在該等第一及第二傳輸線之間建立電磁耦合，每一第二傳輸線具有一鄰近該第一傳輸線的該第一端之第一端，及一鄰近該第一傳輸線的該第二端之第二端，該等第二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，每一第二傳輸線的長度是該目標波長的四分之一。
本發明之功效在於：將每一第二傳輸線設置在該第一傳輸線附近可使本實施例該功率分配/結合裝置具有較小面積，且利用該等第一及第二傳輸線之間建立電磁耦合，可降低基板所致的能量損耗，進而使本實施例該功率分配/結合裝置整體能量損耗較低。
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/結合裝置之一第一實施例包含一第一傳輸線2，及二第二傳輸線3、4。
該第一傳輸線2具有一用於接收或輸出一具有一目標波長的信號之第一端21，及一開路的第二端22。該第一傳輸線2的長度是該目標波長的四分之一。
每一第二傳輸線3、4設置在該第一傳輸線2附近，且與該第一傳輸線2相間隔，以在該等第一及第二傳輸線2、3(4)之間建立電磁耦合。每一第二傳輸線3(4)具有一鄰近該第一傳輸線2的該第一端21之第一端31(41)，及一鄰近該第一傳輸線2的該第二端22之第二端32(42)。該等第二傳輸線3、4的該等第一端31、41開路。該等第二傳輸線3、4的該等第二端32、42用於共同輸出或接收一對具有該目標波長且同相的信號。該等第二傳輸線3、4各自的長度是該目標波長的四分之一。在此實施例中，該等第一及第二傳輸線2、3相配合作為一正交耦合器，該等第一及第二傳輸線2、4相配合作為另一正交耦合器。該等第一及第二傳輸線2、3、4的一等效電路如圖3所示。
當操作於一功率結合模式時，理想情況下(即，無傳輸損耗)，本實施例該功率分配/結合裝置用於將一對各具有功率P/2及波長λ且同相的第一輸入信號Pin1、Pin2(即，該對具有該目標波長且同相的信號)合成一具有功率P及波長λ的信號輸出Pout(即，該具有該目標波長的信號)。詳細來說，該等第二傳輸線3、4的該等第二端32、42分別接收該對第一輸入信號Pin1、Pin2 (相位各自為0°)，且該等第二傳輸線3、4分別將該對第一輸入信號Pin1、Pin2各自一分為二，平分成一第一部分及一第二部分。該第二傳輸線3根據該第一輸入信號Pin1的該第一部分，於其自身的該第一端31輸出一第一輸出信號(相位為-90°)，且該第一輸出信號受完全反射回該第二傳輸線3的該第一端31。同時，由於該第二傳輸線3與該第一傳輸線2之間建立電磁耦合，因此該第二傳輸線3將該第一輸入信號Pin1的該第二部分耦合至該第一傳輸線2，以致該第一傳輸線2於其該第二端22輸出該第一輸入信號Pin1的該第二部分(相位為0°)，且該第一輸入信號Pin1之該第二部分受完全反射回該第一傳輸線2的該第二端22。接著，該第二傳輸線3根據其該第一端31所接收到反射回來的該第一輸出信號於其該第二端32產生一第一反射輸出信號(相位為-180°)，且將反射回來的該第一輸出信號耦合至該第一傳輸線2，以致該第一傳輸線2據以於其該第一端21產生該第一輸出信號(相位為-90°)。同時，該第一傳輸線2根據其該第二端22所接收到反射回來的該第一輸入信號Pin1之該第二部分於其該第一端21產生一第二反射輸出信號(相位為-90°)，且將反射回來的該第一輸入信號Pin1之該第二部分耦合至該第二傳輸線3，以致該第二傳輸線3於其該第二端32產生該第一輸入信號Pin1之該第二部分(相位為0°)。由於該第二傳輸線3在該第二端32所產生之該第一反射輸出信號(相位為-180°)與該第一輸入信號Pin1之該第二部分(相位為0°)為異相(out of phase)結合，使得該第二傳輸線3的該第二端32沒有信號輸出。同理，該等第一及第二傳輸線2、4之間的操作方式與該等第一及第二傳輸線2、3之間的操作方式相同，故於此不再贅述。根據上述操作方式，該第二傳輸線4在該第二端42所產生的信號也為異相結合，使得該第二傳輸線4的該第二端42也沒有信號輸出，且該第一傳輸線2還於其該第一端21產生另一相關於該第一輸入信號Pin2之該第一部分的第二輸出信號(相位為-90°)，及另一相關於該第一輸入信號Pin2之該第二部分的第三反射輸出信號(相位為-90°)。最後，該第一傳輸線2將其該第一端21所產生及輸出的該第一輸出信號、該第二反射輸出信號、該第二輸出信號，及該第三反射輸出信號同相(in phase)結合作為該信號輸出Pout。
需補充說明的是，該實施例之功率分配/結合裝置為一被動元件，亦適用於操作於一功率分配模式，並以一相反的操作方式來將一具有功率P及波長λ的第二輸入信號(即，該具有該目標波長的信號)分成一對各具有功率P/2及波長λ的第三輸出信號(即，該對具有該目標波長且同相的信號)。在此情況下，該第一傳輸線2的該第一端21接收該第二輸入信號，該等第二傳輸線3、4的該等第二端32、42相配合輸出該對第三輸出信號。
參閱圖4與圖5，其分別說明該實施例之功率分配/結合裝置的一第一實施態樣及一第二實施態樣。該等第一及第二傳輸線2~4實質上共平面，且主要形成在半導體製程的一預定金屬層中。該第一傳輸線2設置在該等第二傳輸線3、4之間，且與該等第二傳輸線3、4等距。該等第一及第二傳輸線2~4中的每一者具有相同的寬度。該第一傳輸線2被組配成一環狀物體，每一第二傳輸線3、4被組配成一螺旋狀物體，且與該第一傳輸線2交纏，以便彼此電磁耦合。在圖4之該第一實施態樣中，該等第一及第二傳輸線2~4中的每一者呈單圈組態(相當於將1/4波長線繞成一圈的結構)，其面積僅0.079mm2 。在圖5之該第二實施態樣中，該等第一及第二傳輸線2~4中的每一者呈雙圈組態(相當於將1/4波長線繞成二圈的結構)，其面積僅0.046mm2 ，也就是說，該等第一及第二傳輸線2~4中的每一者繞越多圈，則該實施例之功率分配/結合裝置的面積越小。此外，相較於習知威爾金森功率分配器/結合器的面積為0.459mm2 ，該實施例之功率分配/結合裝置確實具有較小面積。需說明的是，在此實施例中，該第一傳輸線2被組配成一方形環狀物體，每一第二傳輸線3、4被組配成一方形螺旋狀物體，但不限於此。在其他實施例中，該第一傳輸線2被組配成一八角形環狀物體，每一第二傳輸線3、4被組配成一八角形螺旋狀物體。
參閱圖6，其為該實施例之功率分配/結合裝置的該第一實施態樣操作於一功率結合模式時，該對第一輸入信號Pin1、Pin2各自與該信號輸出Pout的增益對頻率的變化。參數S31 代表信號由該第二傳輸線3之該第二端32至該第一傳輸線2之該第一端21的增益，參數S32 代表信號由該第二傳輸線4之該第二端42至該第一傳輸線2之該第一端21的增益。從圖6可知，該實施例之功率分配/結合裝置其損耗不大，參數S31 及參數S32 值接近-3dB的理想特性。
需補充說明的是，該實施例之功率分配/結合裝置為一二路功率分配/結合裝置，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/結合裝置，而藉由將兩個該實施例之功率分配/結合裝置之該第一實施態樣直接並聯，並配合調整每一傳輸線的寬度/長度(優化輸入阻抗至接近50歐姆(i.e.無反射))，即可得如圖7所示之一四路功率分配/結合裝置，且可依此類推設計出更多路的功率分配/結合裝置。
>第二實施例>
參閱圖8，本發明功率分配/結合裝置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/結合裝置還包含一電阻器5，電連接在該等第二傳輸線3、4的該等第一端31、41之間，進而增加該等第二端32、42(即，該等第一輸入信號Pin1、Pin2所輸入之輸入端)之間的一隔離度。
綜上所述，藉由將該等第一及第二傳輸線2~4彼此鄰近設置，並對應組配成該方形環狀物體或該方形螺旋狀物體，可使該等第一及第二實施例之功率分配/結合裝置具有較小面積且所需成本較低。此外，該等第一及第二實施例之功率分配/結合裝置為電磁耦合結構，能降低基板所致的能量損耗，使得該等第一及第二實施例之功率分配/結合裝置整體具有較小的能量損耗。
惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
2:第一傳輸線 21:第一端 22:第二端 3、4:第二傳輸線 31、41:第一端 32、42:第二端 5:電阻器 Pin1:第一輸入信號 Pin2:第一輸入信號 Pout:信號輸出
本發明之其他的特徵及功效，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/結合器； 圖2是一示意圖，說明本發明功率分配/結合裝置的一第一實施例及說明其所接收及輸出之信號間的相位關係； 圖3是一電路圖，說明該第一實施例的一等效電路； 圖4是一結構圖，說明該第一實施例的一第一實施態樣； 圖5是一結構圖，說明該第一實施例的一第二實施態樣； 圖6是一模擬圖，說明該第一實施例之該第一實施態樣操作於一功率結合模式時，一對第一輸入信號各自與一信號輸出間的增益對頻率的變化； 圖7是一結構圖，說明該第一實施例之該第一實施態樣的一應用；及 圖8是一電路圖，說明本發明功率分配/結合裝置的一第二實施例。
2:第一傳輸線
21:第一端
22:第二端
3、4:第二傳輸線
31、41:第一端
32、42:第二端
Pin1:第一輸入信號
Pin2:第一輸入信號
Pout:信號輸出

Claims (7)

  1. 一種功率分配/結合裝置，包含：一第一傳輸線，具有一用於接收或輸出一具有一目標波長的信號之第一端，及一開路的第二端，且其長度是該目標波長的四分之一；二第二傳輸線，每一第二傳輸線設置在該第一傳輸線附近，且與該第一傳輸線相間隔，以在該等第一及第二傳輸線之間建立電磁耦合，每一第二傳輸線具有一鄰近該第一傳輸線的該第一端之第一端，及一鄰近該第一傳輸線的該第二端之第二端，該等第二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，每一第二傳輸線的長度是該目標波長的四分之一；及一電阻器，電連接在該等第二傳輸線的該等第一端之間。
  2. 如請求項1所述的功率分配/結合裝置，其中，每一第二傳輸線的該第一端開路。
  3. 如請求項1所述的功率分配/結合裝置，其中，該等第一及第二傳輸線實質上共平面，該第一傳輸線設置在該等第二傳輸線之間。
  4. 如請求項3所述的功率分配/結合裝置，其中，該第一傳輸線被組配成一環狀物體，每一第二傳輸線被組配成一螺旋狀物體，且與該第一傳輸線交纏。
  5. 如請求項4所述的功率分配/結合裝置，其中，該第一傳輸線被組配成一方形環狀物體，每一第二傳輸線被組配成一方形螺旋狀物體。
  6. 如請求項3所述的功率分配/結合裝置，其中，該等第一及第二傳輸線中的每一者具有相同的寬度。
  7. 如請求項3所述的功率分配/結合裝置，其中，該第一傳輸線與該等第二傳輸線等距。
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