TWI747460B - 功率分配器 - Google Patents
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Abstract
一種功率分配器,適用於一輸入信號,該功率分配器包含一第一傳輸線、一第二傳輸線、一第一電容、一第二電容,及一第一電阻,該第一、第二傳輸線接收該輸入信號,該第二傳輸線電連接該第一傳輸線,且該第一、第二傳輸線的長度約為該輸入信號的波長的十分之一,該第一電容電連接該第一、第二傳輸線,該第二電容及與其並聯的該第一電阻分別電連接該第一、第二傳輸線,該第一、第二傳輸線分別用於輸出二個輸出信號,該等輸出信號的相位相同,且每一輸出信號的波長與該第一信號的波長大小相同,並減少功率分配器整體電路配置面積。
Description
本發明是有關於一種輸入功率轉換電路,特別是指一種功率分配器。
參閱圖1,為現有的功率分配器的電路架構,該功率分配器又稱威爾金森功率分配器(Wilkinson Power Divider),其用於接收一具有功率P及波長λ的輸入信號P1分成一對各具有功率P/2及波長λ的輸出信號P2,P3,其中,該威爾金森功率分配器的二條傳輸線11,12長度各為λ/4,因而導致用於供該威爾金森功率分配器整體電路架構設置的晶片被該威爾金森功率分配器佔據過多面積。
再參閱圖2,為現有另一種用於將具有功率P及波長λ的輸入信號P1分成一對各具有功率P/2及波長λ的輸出信號P2,P3的功率分配器,其電路架構屬於集總分布式(lumped-distributed),由於此種功率分配器整體電路需要四個電容13~16,及一電阻17,且其二條傳輸線18,19長度分別約為λ/8,因此同樣也有佔據晶片面積過大的問題。
因此,如何設計出具有較小面積的功率分配器是目前的研究方向之一。
因此,本發明的目的,即在提供一種可減少整體面積的功率分配器。
於是,本發明功率分配器適用於一輸入信號,該功率分配器包含一第一傳輸線、一第二傳輸線、一第一電容、一第二電容,及一第一電阻。
該第一傳輸線具有一接收該輸入信號的第一端,及一第二端,該第一傳輸線的長度與該第一信號的波長的比值介於0.07~0.12間。
該第二傳輸線與該第一傳輸線相間隔,且具有一電連接該第一傳輸線的該第一端的第一端,及一第二端,該第二傳輸線與該第一傳輸線建立電磁耦合,且該第二傳輸線的長度與該輸入信號的波長的比值介於0.07~0.12間。
該第一電容具有一電連接該第一傳輸線的該第一端的第一端,及一第二端。
該第二電容具有一電連接該第一傳輸線的該第二端的第一端,及一電連接該第二傳輸線的該第二端的第二端。
該第一電阻具有一電連接該第一傳輸線的該第二端的第一端,及一電連接該第二傳輸線的該第二端的第二端。
該第一傳輸線與該第二傳輸線的該等第二端分別用於輸出二個輸出信號,該等輸出信號的相位相同,且每一輸出信號的波長與該第一信號的波長大小相同。
本發明的功效在於:藉由長度實質上為該輸入信號的波長約十分之一的該第一、第二傳輸線接收該輸入信號,進而減少功率分配器整體面積,並配合該第一、第二電容、該第一電阻以輸出與該輸入信號的波長相同的該等輸出信號且理論上完美的功率分配器特性:輸入端的反射係數為零(S
11=0)、二個輸出端的反射係數為零(S
22=S
33=0),二個輸出端之間的隔離度為零(S
32=S
23=0),輸入至第一輸出的耦合(S
21)之大小為,輸入至第二輸出的耦合(S
31)之大小為,且由於電路結構對稱之故,因此二個輸出信號的相位相同。
本發明介紹了集總分佈(Lumped-Distributed)的Ka頻段(Ka-band)功率分配器的設計和分析,該功率分配器在其輸入端具有並聯電容,在輸出端之間具有並聯的電阻及電容,傳輸線的長度約為λ/10且為對稱的雙螺旋結構,其中,λ為功率分配器所接收信號的波長,整體架構可降低振幅不平衡(AI: amplitude imbalance),及相位差(PD: phase difference),此外,整體晶片面積僅為1.2×10
-4λ
0 2(註:λ
0表示信號在真空中的波長,與上述信號在晶片中的等效波長λ不同),本提案相較於現有的毫米波(mm-wave)功率分配器的電路晶片而言,其具有最小的歸一化面積,以下接著以一實施例說明本提案詳細實施方式。
參閱圖3,為本發明功率分配器的一實施例,適用於一輸入信號P1,該功率分配器包含一第一傳輸線2、一第二傳輸線3、一第一電容4、一第二電容5,及一第一電阻6。
該第一傳輸線2具有一接收該輸入信號P1的第一端21,及一第二端22,該第一傳輸線2的長度與該輸入信號P1的波長的比值為0.07~0.12。
該第二傳輸線3設置在該第一傳輸線2附近,且與該第一傳輸線2相間隔,且該第二傳輸線3具有一電連接該第一傳輸線2的該第一端21的第一端31,及一第二端32,該第二傳輸線3與該第一傳輸線2建立電磁耦合,且該第二傳輸線3的長度與該第一傳輸線2的長度相同,且與該輸入信號P1的波長的比值為0.07~0.12。
該第一電容4具有一電連接該第一傳輸線2的該第一端21的第一端41,及一接地的第二端42。
該第二電容5具有一電連接該第一傳輸線2的該第二端22的第一端51,及一電連接該第二傳輸線3的該第二端32的第二端52。
該第一電阻6具有一電連接該第二電容5的該第一端51的第一端61,及一電連接該第二電容5的該第二端52的第二端62。
該第一傳輸線2與該第二傳輸線3的該等第二端22、32分別用於輸出二個輸出信號P2、P3,該等輸出信號P2、P3的相位相同,且每一輸出信號P2、P3的波長與該第一信號P1的波長大小相同。
其中,
R 0(通常等於50Ω)為該第一電阻6的電阻值的一半,θ
2為為該第一傳輸線2與該第二傳輸線3的電長度(electrical length),其中,λ對應的電長度為360
o,λ/10對應的電長度為36
o。
其中,ω
0為該實施例接收該輸入信號P1時的操作角頻率(也就是操作頻率的2π倍),須先說明的是,以下接著說明的關於本實施施例的一第一、第二電路佈局之操作頻率為33GHz,一第三電路佈局之操作頻率為28GHz,依據理論推導,在前述Z
T及C
P2表示式,及該第一電容4的電容值(C
P1)等於2C
P2(該第二電容5的電容值的2倍)之條件下,本實施例的散射參數(Scattering Parameters)可表示如下:
由上式可知,在該第一、第二傳輸線2、3無損耗的理想條件下,輸入端反射係數S
11=0,該第一傳輸線2的輸出端,也就是其第二端22的反射係數S
22=0,該第二傳輸線3的輸出端,也就是其第二端32的反射係數S
33=0,輸出端之間的隔離度S
32=S
23=0,輸入端至該第一傳輸線2的輸出端的耦合/增益S
21的大小為
(亦即-3dB),相位為
(若θ為36°,對應的相位為-55.1°,亦即該第一傳輸線2的輸出端的相位比輸入端的相位小55.1°),輸入端至該第二傳輸線3的輸出端的耦合/增益S
31的大小為
(亦即-3 dB),相位為
(若θ為36°,對應的相位為-55.1°,亦即該第二傳輸線3的輸出端的相位比輸入端的相位小55.1°)
在上述該實施例中,藉由將該第一、第二傳輸線2、3的長度組配約為該輸入信號P1的波長的十分之一,並配合該第一、第二傳輸線2、3對應的阻抗公式及操作頻率,可設計出對應於較小電阻值的該並聯電阻6,及對應於較小電容值的該第一、第二電容4、5,進而降低整體電路面積。
以下接著以二種關於該實施例的電路佈局架構來說明該實施例的具體應用。
參閱圖4,為該實施例的一第一電路佈局。
在該第一電路佈局中,是以一電壓源Vi、一輸入電阻7、一第一輸出電阻8,及一第二輸出電阻9,配合該實施例以進行功率分配。
該電壓源Vi提供該輸入信號P1。
該輸入電阻7具有一電連接該電壓源Vi以接收該輸入信號P1的第一端71,及一電連接該第一電容4的該第一端41的第二端72。
該第一輸出電阻8具有一電連接該第一傳輸線2的該第二端22的第一端81,及一接地的第二端82。
該第二輸出電阻9具有一電連接該第二傳輸線3的該第二端32的第一端91,及一接地的第二端92。
此外,該第一傳輸線2與該第二傳輸線3實質共平面,且該第一傳輸線2的寬度通常與該該第二傳輸線3的寬度相同,但該第一傳輸線2的寬度亦可設計為大於該第二傳輸線3的寬度,以增加元件設計自由度。
需再補充說明的是,在此第一電路佈局中,該第一傳輸線2與該第二傳輸線3的部分分別被組配成渦捲圍繞結構,此外,二者的外觀還略呈四邊型,且該第一傳輸線2與該第二傳輸線3的圍繞匝數為2.75匝,且金屬線寬及間距分別為4um及2um,而該第一傳輸線2與該第二傳輸線3的長度皆為473um,由此,第一電路佈局所實現的功率分配器整體面積為0.01mm
2,又,該第一電容4與該第二電容5的電容值分別為70.3fF及35.8fF、該第一電阻6的電阻值為100Ω,與理論值一致(分別為69.2fF、34.6fF、100Ω)。
需再補充說明的是,理論上,傳輸線的特徵阻抗值越大,其寬度越細,損耗越大,但對應的晶片面積越小(優點),實務上傳輸線的特徵阻抗值採用100Ω約為上限值(避免損耗太大);令前述
=100,其中R
0=50Ω(理論推導過程中得到的結果),可解得對應的θ
2為35.3°。
由於λ/10對應的電長度θ
2為36°,因此該第一傳輸線2與該第二傳輸線3的長度約為λ/10,對應的電長度θ
2為36°;此外,將θ
2=35.3°、R
0=50Ω、ω
0=2π×33GHz帶入前述關於該第二電容5電容值的計算公式,可求得該第二電容5之電容值,且可得知該第一電容4之電容值約為該第二電容5之電容值的2倍(理論推導所得結果)。
參閱圖5,以網路分析儀(Agilent N5245A)實際量測該第一電路佈局的傳輸線之間對應的增益參數(S-parameter),其中,模擬的操作頻率為0~50GHz,圖5所示為S
11、S
32的實際量測及模擬結果的對應關係,須先說明的是,參數S
11代表當信號自該功率分配器的該輸入端(亦即該第一傳輸線2的該第一端21及該第二傳輸線3的該第一端31)進入時,對由該輸入端反射出的功率取根號對應的數值,因此又可稱為輸入端的「反射係數(reflection coefficient)」,自圖5可知,測量結果與模擬結果一致,且該第二電路佈局的操作頻率在0~41.4GHz時,實測S
11低於-10dB,其相對應的輸入端反射係數頻寬為41.4GHz,且當操作頻率在33GHz時,實測S
11可達-17.8dB、S
32可達-34.7dB,此外,當操作頻率在18.9〜48.5GHz時,S
32在-10dB以下,其相對應的隔離頻寬(isolation bandwidth)為29.6GHz。
參閱圖6,為該第一電路佈局關於振幅不平衡及相位差的實測及模擬對應結果,由結果可知實際測量與模擬結果吻合,當操作頻率為0〜40GHz,該第一電路佈局的振幅不平衡程度在-0.05dB〜0dB,而相位差則是在0.1°〜0.21°,其中,AI (amplitude imbalance,振幅不平衡)指的是S
21(亦即P1到P2的耦合)及S
31(亦即P1到P3的耦合)之間的振幅差異,其單位為dB,也就是S
21(dB)~S
31(dB)差值;PD(phase difference,相位差)指的是S
21及S
31之間的相位差異(單位為角度),亦即S
21(degree)~S
31(degree),也就是S
21的角度與S
31的角度之間的差值,須再說明的是,對於功率分配器而言,S
21及S
31之間的AI和PD若皆接近於零,代表S
21的大小與S
31的大小接近,且S
21的相位與S
31的相位接近,此外,該第一電路佈局之功率分配器屬於輸出相同相位之輸出信號之功率等分器,因此理想上AI及PD皆為零,而圖6之AI及PD皆接近零,代表該第一電路佈局設計的功率分配器之電路架構的確可接近完美輸出二個呈現「功率等分」且「輸出同相位」的輸出信號。
參閱圖7,為該實施例的一第二電路佈局。
該第二電路佈局與該第一電路佈局的差別在於:該第一傳輸線2與該第二傳輸線3分別被組配成渦捲圍繞結構,且二者的外觀大致呈現八邊型,此外,該第一傳輸線2與該第二傳輸線3的圍繞匝數為1.3匝,且金屬線寬及間距分別為4um及2um,該第一傳輸線2與該第二傳輸線3的長度皆為261um,由此,第三電路佈局所實現的功率分配器整體面積為0.093mm
2(優於第一、第二電路佈局所實現的功率分配器整體面積),又,該第一電容4與該第二電容5的電容值分別為87fF及43.5fF、該第一電阻6的電阻值為100Ω,接近理論值(分別為86.8fF、43.4fF、100Ω)。
參閱圖8,該第三電路佈局的操作頻率在0~44.3GHz時,S
11低於-10dB,其相對應的輸入端反射係數頻寬為44.3GHz,且當操作頻率在28GHz時,S
11可達-26.3dB、S
32可達-18.3dB,此外,當操作頻率在22.8〜36.1GHz時,S
32在-10dB以下,其相對應的隔離頻寬為13.3GHz。
參閱圖9,為該第三電路佈局關於振幅不平衡及相位差的模擬對應結果,當操作頻率為0〜40GHz,該第三電路佈局的振幅不平衡程度在-0.16dB〜0dB,而相位差則是在-0.24°〜0.78°。
綜上所述,本發明藉由將該第一、第二傳輸線2、3的長度組配約為該輸入信號P1的波長的十分之一倍,以可配合第一、第二電容4、5,與該第一電阻6而輸出與該輸入信號波長相同的該等輸出信號P2、P3,此外,配合本發明電路架構所對應的特徵阻抗公式、傳輸線長度公式,及操作頻率,可設計出具有具有較短長度的該第一、第二傳輸線2、3,進而降低功率分配器整體電路面積,又,由於本發明的電路佈局屬於對稱架構,可進一步達到良好的振幅不平衡與相位差性能,故確實能達成本發明目的。
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。
P1:輸入信號
P2:輸出信號
P3:輸出信號
Vi:電壓源
2:第一傳輸線
21:第一端
22:第二端
3:第二傳輸線
31:第一端
32:第二端
4:第一電容
41:第一端
42:第二端
5:第二電容
51:第一端
52:第二端
6:並聯電阻
61:第一端
62:第二端
7:輸入電阻
71:第一端
72:第二端
8:第一輸出電阻
81:第一端
82:第二端
9:第二輸出電阻
91:第一端
92:第二端
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是一電路示意圖,說明現有功率分配器的電路架構;
圖2是一電路示意圖,說明現有功率分配器的另一電路架構;
圖3是一電路示意圖,說明本發明功率分配器的一實施例;
圖4是一電路示意圖,說明該實施例的一第一電路佈局;
圖5是一模擬及實際量測圖,說明於該實施例的該第一電路佈局下,於不同頻率時,對應的輸入端反射係數(S
11)、二個輸出端之間的隔離度(S
32)變化;
圖6是一模擬及實際量測圖,說明於該實施例的該第一電路佈局下,於不同頻率,對應的振幅不平衡及相位差之結果;
圖7是一電路示意圖,說明該實施例的一第二電路佈局;
圖8是一模擬圖,說明於該實施例的該第二電路佈局下,於不同頻率時,對應的S
11、S
32變化;及
圖9是一模擬圖,說明於該實施例的該第二電路佈局下,於不同頻率,對應的振幅不平衡及相位差之結果。
P1:輸入信號
P2:輸出信號
P3:輸出信號
2:第一傳輸線
21:第一端
22:第二端
3:第二傳輸線
31:第一端
32:第二端
4:第一電容
41:第一端
42:第二端
5:第二電容
51:第一端
52:第二端
6:第一電阻
61:第一端
62:第二端
Claims (9)
- 一種功率分配器,適用於一輸入信號,該功率分配器包含:一第一傳輸線,具有一接收該輸入信號的第一端,及一第二端,該第一傳輸線的長度與該輸入信號的波長的比值介於0.07~0.12間;一第二傳輸線,與該第一傳輸線相間隔,且具有一電連接該第一傳輸線的該第一端的第一端,及一第二端,該第二傳輸線與該第一傳輸線建立電磁耦合,且該第二傳輸線的長度與該輸入信號的波長的比值介於0.07~0.12間;一第一電容,具有一電連接該第一傳輸線的該第一端的第一端,及一第二端;一第二電容,具有一電連接該第一傳輸線的該第二端的第一端,及一電連接該第二傳輸線的該第二端的第二端;及一第一電阻,具有一電連接該第一傳輸線的該第二端的第一端,及一電連接該第二傳輸線的該第二端的第二端,該第一傳輸線與該第二傳輸線的該等第二端分別用於輸出二個輸出信號,每一輸出信號的相位相同,且每一輸出信號的波長與該輸入信號的波長相同,其中,該第一電容的電容值為該第二電容的電容值的二倍。
- 如請求項1所述的功率分配器,其中,該第一電容的該第二端接地。
- 如請求項1所述的功率分配器,其中,該第一傳輸線與該第二傳輸線實質共平面。
- 一種功率分配器,適用於一輸入信號,該功率分配器包含:一第一傳輸線,具有一接收該輸入信號的第一端,及一第二端,該第一傳輸線的長度與該輸入信號的波長的比值介於0.07~0.12間;一第二傳輸線,與該第一傳輸線相間隔,且具有一電連接該第一傳輸線的該第一端的第一端,及一第二端,該第二傳輸線與該第一傳輸線建立電磁耦合,且該第二傳輸線的長度與該輸入信號的波長的比值介於0.07~0.12間;一第一電容,具有一電連接該第一傳輸線的該第一端的第一端,及一第二端;一第二電容,具有一電連接該第一傳輸線的該第二端的第一端,及一電連接該第二傳輸線的該第二端的第二端;及一第一電阻,具有一電連接該第一傳輸線的該第二端的第一端,及一電連接該第二傳輸線的該第二端的第二端,該第一傳輸線與該第二傳輸線的該等第二端分別用於輸出二個輸出信號,每一輸出信號的相位相同,且每一輸出信號的波長與該輸入信號的波長相同,其中,該第一傳輸線的寬度大於該第二傳輸線的寬度。
- 如請求項1所述的功率分配器,其中,該第一傳輸線被組 配成渦捲圍繞結構,該第二傳輸線被組配成渦捲圍繞結構。
- 如請求項5所述的功率分配器,其中,該第一傳輸線與該第二傳輸線還呈八邊型。
- 如請求項5所述的功率分配器,其中,該第一傳輸線與該第二傳輸線還呈四邊型。
- 如請求項1所述的功率分配器,其中,該第一、第二傳輸線被組配成同一渦捲圍繞結構。
- 一種功率分配器,適用於一輸入信號,該功率分配器包含:一第一傳輸線,具有一接收該輸入信號的第一端,及一第二端,該第一傳輸線的長度與該輸入信號的波長的比值介於0.07~0.12間;一第二傳輸線,與該第一傳輸線相間隔,且具有一電連接該第一傳輸線的該第一端的第一端,及一第二端,該第二傳輸線與該第一傳輸線建立電磁耦合,且該第二傳輸線的長度與該輸入信號的波長的比值介於0.07~0.12間;一第一電容,具有一電連接該第一傳輸線的該第一端的第一端,及一第二端;一第二電容,具有一電連接該第一傳輸線的該第二端的第一端,及一電連接該第二傳輸線的該第二端的第二端;及一第一電阻,具有一電連接該第一傳輸線的該第二端的第一端,及一電連接該第二傳輸線的該第二端的第二 端,該功率分配器還包含一第一輸出電阻,及一第二輸出電阻,該第一輸出電阻具有一電連接該第一傳輸線的該第二端的第一端,及一接地的第二端,該第二輸出電阻具有一電連接該第二傳輸線的該第二端的第一端,及一接地的第二端。
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