本發(fā)明涉及微波通訊中的功分器，特別涉及一種基于RCL電路的小型化雙頻威爾金森功分器。

背景技術(shù)：

隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，功分器作為無線通信系統(tǒng)中的重要組成部分，吸引了越來越多的關(guān)注。特別是雙頻器件的應(yīng)用日益廣泛，許多無線通信標(biāo)準(zhǔn)基于兩個或者更多的頻段，因此研究雙頻功分器具有重大的意義。

威爾金森功分器有著優(yōu)良的隔離度和良好的端口匹配，被廣泛運用于各種微波射頻電路中。但是對于傳統(tǒng)的威爾金森功分器而言，其帶寬單一，不適用于雙頻通信系統(tǒng)。現(xiàn)有技術(shù)中所提出的雙頻威爾金森功分器存在不等分、尺寸大等缺陷。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于提供一種小型化的威爾金森功分器，可實現(xiàn)雙頻等分功分。

本發(fā)明的上述目的通過獨立權(quán)利要求的技術(shù)特征實現(xiàn)，從屬權(quán)利要求以另選或有利的方式發(fā)展獨立權(quán)利要求的技術(shù)特征。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：

一種雙頻威爾金森功分器，包括一輸入端口、兩個輸出端口以及位于輸入端口和輸出端口之間的第一傳輸線、第二傳輸線和第三傳輸線，其中：

輸入端口與前述第一傳輸線的一端連接，該第一傳輸線的另一端分成兩路，其中一路經(jīng)第二傳輸線與第一輸出端口連接，另一路經(jīng)第三傳輸線與第二輸出接口連接；

所述雙頻威爾金森功分器還包括：

一短截線，并聯(lián)于所述輸入端口；

一RCL電路，連接在所述第一輸出端口與第二輸出端口之間，該RCL電路由一電阻并聯(lián)一LC電路構(gòu)成，LC電路由第一電容、第二電容和一個電感構(gòu)成，其中第一電容、第二電容分布在電感的兩側(cè)，且第一電容、第二電容的電容值相等。

進一步的實施例中，所述短截線的等效阻值Z_sc滿足：

$Z_{sc}=\frac{Z_0}{2}\frac{tan\mathrm{\π}\mathrm{\θ}}{\sqrt{2}}{\tan }^2\frac{\mathrm{\π}}{2}\mathrm{\θ},\mathrm{\θ}=\frac{m-1}{m+1},$

式中，Z₀表示輸入端口的特征阻抗，m表示雙頻威爾金森功分器的兩個工作頻率f₁,f₂的相關(guān)系數(shù)，其中f₁＝m·f₂,m＞1。

進一步的實施例中，所述RLC電路的電參數(shù)滿足：

$L=\frac{2Z_{2}tan\mathrm{\γ}}{2\mathrm{\π}(f_2-f_1)},C=\frac{(f_2-f_1)}{2{\mathrm{\πf}}_2{f}_1{Z}_{2}tan\mathrm{\γ}},R=2Z_0$

其中，L表示所述電感的電感值，C表示所述第一電容和第二電容的電容值，R表示所述電阻的阻值，γ表示第二傳輸線和第三傳輸線的電長度。

本發(fā)明提出的雙頻等分威爾金森功分器，基于傳統(tǒng)威爾金森功分器結(jié)構(gòu)，通過在輸入端增加一段短截線，在輸出端口增加改進后的RCL電路實現(xiàn)雙頻傳輸，同時通過奇—偶模分析推導(dǎo)計算得出相應(yīng)元件的參數(shù)值，實現(xiàn)端口匹配以及端口隔離。

應(yīng)當(dāng)理解，前述構(gòu)思以及在下面更加詳細地描述的額外構(gòu)思的所有組合只要在這樣的構(gòu)思不相互矛盾的情況下都可以被視為本公開的發(fā)明主題的一部分。另外，所要求保護的主題的所有組合都被視為本公開的發(fā)明主題的一部分。

結(jié)合附圖從下面的描述中可以更加全面地理解本發(fā)明教導(dǎo)的前述和其他方面、實施例和特征。本發(fā)明的其他附加方面例如示例性實施方式的特征和/或有益效果將在下面的描述中顯見，或通過根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)的具體實施方式的實踐中得知。

附圖說明

附圖不意在按比例繪制。在附圖中，在各個圖中示出的每個相同或近 似相同的組成部分可以用相同的標(biāo)號表示。為了清晰起見，在每個圖中，并非每個組成部分均被標(biāo)記?，F(xiàn)在，將通過例子并參考附圖來描述本發(fā)明的各個方面的實施例，其中：

圖1是說明本發(fā)明某些實施例的雙頻威爾金森功分器的電路方框圖。

圖2是說明基于圖1實施例雙頻威爾金森功分器獲得的偶模激勵電路示意圖。

圖3是說明基于圖1實施例雙頻威爾金森功分器獲得的奇模激勵電路示意圖。

圖4是說明基于圖1實施例雙頻威爾金森功分器獲得的實測S參數(shù)曲線圖。

圖5是說明基于圖1實施例雙頻威爾金森功分器獲得的仿真S參數(shù)曲線圖。

具體實施方式

為了更了解本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，特舉具體實施例并配合所附圖式說明如下。

在本公開中參照附圖來描述本發(fā)明的各方面，附圖中示出了許多說明的實施例。本公開的實施例不必定意在包括本發(fā)明的所有方面。應(yīng)當(dāng)理解，上面介紹的多種構(gòu)思和實施例，以及下面更加詳細地描述的那些構(gòu)思和實施方式可以以很多方式中任意一種來實施，這是因為本發(fā)明所公開的構(gòu)思和實施例并不限于任何實施方式。另外，本發(fā)明公開的一些方面可以單獨使用，或者與本發(fā)明公開的其他方面的任何適當(dāng)組合來使用。

如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明的實施例，一種雙頻威爾金森功分器，包括一輸入端口100、兩個輸出端口(第一輸出端口200和第二輸出端口300)以及位于輸入端口100和輸出端口(200、300)之間的第一傳輸線111、第二傳輸線112和第三傳輸線113。

輸入端口100與前述第一傳輸線111的一端連接，該第一傳輸線111的另一端分成兩路，其中一路經(jīng)第二傳輸線112與第一輸出端口200連接，另一路經(jīng)第三傳輸線113與第二輸出接口300連接。

結(jié)合圖1所示，本例的雙頻威爾金森功分器還包括：

一短截線110，并聯(lián)于所述輸入端口100；

一RCL電路120，連接在所述第一輸出端口200與第二輸出端口300之間。該RCL電路120由一電阻121并聯(lián)一LC電路構(gòu)成，LC電路由第一電容C1、第二電容C1和一個電感122構(gòu)成，其中第一電容C1、第二電容C1分布在電感122的兩側(cè)，且第一電容C1、第二電容C1的電容值相等。

下面通過奇-偶模分析和雙頻分析，獲得相應(yīng)元件的電路參數(shù)值，具體說明如下：

1)偶模分析時，通過對圖1的對稱結(jié)構(gòu)進行分析，可以得到偶模激勵電路圖，如圖2所示。偶模電路圖由兩段傳輸線和一段短截線構(gòu)成，集中元件無電流通過，因此可以消去。然后根據(jù)微波網(wǎng)絡(luò)理論，運用ABCD矩陣運算可以得到下面公式：

其中，Y是短截線Z_sc的導(dǎo)納。

通過一系列代數(shù)運算，上式矩陣方程可以分解得到以下方程：

$Z^{\′}=\sqrt{2}{Z}_0---\left(2\right)$

2)奇模分析時，根據(jù)對稱性可知，在電路中間位置存在一個虛擬的接地，即電勢為零。通過傳輸線理論可以得到下面公式：

$Z_a=Z_2\frac{0+{\mathrm{jZ}}_{2}tan\mathrm{\γ}}{Z_2+j\·0\·tan\mathrm{\γ}}={\mathrm{jZ}}_{2}tan\mathrm{\γ}---\left(6\right)$

$Z_b=\frac{\frac{1}{2}R\·(\frac{1}{j\mathrm{\ω}c}+j\frac{1}{2}\mathrm{\ω}L)}{\frac{1}{2}R+(\frac{1}{j\mathrm{\ω}c}+j\frac{1}{2}\mathrm{\ω}L)}=\frac{2R-{\mathrm{\ω}}^{2}LCR}{j2\mathrm{\ω}CR+4-2{\mathrm{\ω}}^{2}LC}---\left(7\right)$

最后為了匹配Z₀，可以得到：

$Z^{\′\′}=\frac{Z_a\·Z_b}{Z_a+Z_b}=Z_0---\left(8\right)$

令等式兩邊實部和虛部分別相等，可以得到：

R＝2Z₀ (9)

2Z₂ωctanγ+ω²LC＝2 (10)

3)雙頻分析，假設(shè)雙頻功分器分別工作在低頻f₁,f₂處，其中f₁＝m·f₂(m＞1)，m為頻率系數(shù)。我們能夠得到:

${\mathrm{tan\γ}}_{f_1}=-{\mathrm{tan\γ}}_{f_2}---\left(11\right)$

${\mathrm{\γ}}_{f_1}=\frac{\mathrm{\π}}{1+m},{\mathrm{\γ}}_{f_2}=\mathrm{\π}-{\mathrm{\γ}}_{f_1}=\frac{m\mathrm{\π}}{1+m}---\left(12\right)$

通過代數(shù)運算可以得到：

$\mathrm{\φ}\left(f_1\right)=\mathrm{\γ}\left(f_1\right)=\frac{\mathrm{\π}}{2}\frac{f_1}{f_0}=\frac{\mathrm{\π}}{2}(1-\mathrm{\θ})---\left(13\right)$

$\mathrm{\φ}\left(f_2\right)=\mathrm{\γ}\left(f_2\right)=\frac{\mathrm{\π}}{2}\frac{f_2}{f_0}=\frac{\mathrm{\π}}{2}(1+\mathrm{\θ})---\left(14\right)$

$\mathrm{\θ}=\frac{f_2/f_1-1}{f_2/f_1+1}=\frac{m-1}{m+1},f_0=\frac{f+f_2}{2}---\left(15\right)$

將(13)(15)代入(3)-(5)，可以得到

$Z_1=\frac{\sqrt{2}}{2}{Z}_{0}tan\frac{\mathrm{\π}}{2}\mathrm{\θ}---\left(16\right)$

$Z_2=\sqrt{2}{Z}_0\cot \frac{\mathrm{\π}}{2}\mathrm{\θ}---\left(17\right)$

$\frac{1}{jY}=j2Z_{sc}tan\frac{\mathrm{\π}}{2}(1+\mathrm{\θ})---\left(18\right)$

$Z_{sc}=\frac{Z_0}{2}\frac{tan\mathrm{\π}\mathrm{\θ}}{\sqrt{2}}{\tan }^2\frac{\mathrm{\π}}{2}\mathrm{\θ}---\left(19\right)$

將w₁,w₂,tanγ_f1,tanγ_f2代入(10)可以得到：

$L=\frac{2Z_{2}tan\mathrm{\γ}}{2\mathrm{\π}(f_2-f_1)},C=\frac{(f_2-f_1)}{2{\mathrm{\πf}}_2{f}_1{Z}_{2}tan\mathrm{\γ}}---\left(20\right)$

綜上所述，在前述實施例的雙頻威爾金森功分器，短截線的等效阻值Z_sc滿足：

$Z_{sc}=\frac{Z_0}{2}\frac{tan\mathrm{\π}\mathrm{\θ}}{\sqrt{2}}{\tan }^2\frac{\mathrm{\π}}{2}\mathrm{\θ},\mathrm{\θ}=\frac{m-1}{m+1},$

式中，Z₀表示輸入端口的特征阻抗，m表示雙頻威爾金森功分器的兩個工作頻率f₁,f₂的相關(guān)系數(shù)，其中f₁＝m·f₂,m＞1。

所述RLC電路的電參數(shù)滿足：

$L=\frac{2Z_{2}tan\mathrm{\γ}}{2\mathrm{\π}(f_2-f_1)},C=\frac{(f_2-f_1)}{2{\mathrm{\πf}}_2{f}_1{Z}_{2}tan\mathrm{\γ}},R=2Z_0$

其中，L表示所述電感的電感值，C表示所述第一電容和第二電容的電容值，R表示所述電阻的阻值，γ表示第二傳輸線和第三傳輸線的電長度。

圖示中，Z₁,Z₂,Z₃分別表示三個傳輸線的等效阻值，,γ分別表示對應(yīng)傳輸線的電長度。

根據(jù)奇偶模分析得到的相應(yīng)元件參數(shù)，本發(fā)明在一個具體實例中設(shè)計了一個工作在頻率為1GHz和2.5GHz的雙頻威爾金森功分器，其介質(zhì)板介電常數(shù)為3.55，尺寸大小為3.2mm×2.4mm，Z₁＝28.17Ω，Z₂＝88.72Ω，Z_sc＝49.04Ω，R＝100Ω，C≈0.85pF和L≈23.6nH。

圖4與圖5分別為實測結(jié)果與仿真結(jié)果的S參數(shù)對比圖，其中仿真使用的是ANSYS公司的商業(yè)全波電磁仿真軟件HFSS，測試使用的是安捷倫公司的N5244A網(wǎng)絡(luò)分析儀。測量結(jié)果表明，兩個中心頻點處的回波損耗大于32dB，端口間的隔離度大于25dB。以上實測結(jié)果表明該雙頻威爾金森功分器能夠達到良好的幅度平衡的效果，在幅度平衡和小型化方面具有很大的優(yōu)勢，適用于雙 頻等功率分配的現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)。

雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作各種的更動與潤飾。因此，本發(fā)明的保護范圍當(dāng)視權(quán)利要求書所界定者為準(zhǔn)。