專利名稱：一種包含可選隔離結構的雙頻帶不等分功率分配器的制作方法
技術領域：
本發明屬于無線通信技術領域，涉及一種應用于移動通信系統基站的功率分配器，同時該功率分配器也適用于其他射頻微波以及毫米波系統，例如雙頻
RFID發射接收射頻前端系統，Doherty功率放大器匹配射頻系統，MIMO天線陣系統等。
背景技術：
功率分配器作為最重要的無源器件之一 ，已經在無線射頻系統中得到了廣泛應用，其設計原理以及各種修正結構在最近幾年得到了廣泛研究。傳統威爾金森功率分配器的設計方法能適用于平面結構以及立體結構，但是其不能滿足任意雙頻帶工作的要求[Wilkinson E.， "An N-way hybrid power divider," IRETrans. Microw. Theoiy Tech. MTT-8, no.l， 116-118.1960.]。隨著移動通信的迅速發展，對射頻設計技術提出了雙頻甚至多頻帶工作的更高要求，因此目前通過采用雙節傳輸線匹配器[Srisathit S., M. Chongcheawchamnan, and A.Worapishet，"Design and realisation of dual-band 3 dB power divider based on two-sectiontransmission-line topology," Electron. Lett., Vol.39， no. 9， 723-724, 2003.], [Wu L.,Z. Sun, H.Yilmaz， and M.Berroth， "A dual-Frequency Wilkinson Power divider,"IEEE Trans. Microw. Theory Tech" Vol.54, no.l， 278-284， 2006.]、并聯額外枝節[Park M.-J" and B.Lee， "A Dual-Band ^Vilkinson Power Divider," IEEE Microw.Wireless Compon丄ett.， Vol.18, no.2， 85-87， 2008.]、擴展端口 [Park M.-丄，andB丄ee， "Wilkinson Power Divider with Extended Ports for Dual-Band Operation",Electron. Lett.，Vol. 44, no. 15, 916 - 917, 2008.]或者增加隔離枝節[Wu Y.， Y. Liu,and X丄iu, "Dual-frequency power divider with isolation stubs," Electron. Lett.,Vol.44， no.24, 1407-1408,2008.]等修正方法來得到雙頻功率分配器的新結構。然而，目前為止所提出的雙頻功率分配器的功率分配只能滿足等分要求(也就是傳輸參數滿足-3 dB，以及兩個輸出端口的輸出功率相等)，不能有效地滿足移動和無線通信系統在雙頻帶上將功率進行靈活分配的多樣化需求。因此，如何構建有靈活且理想隔離結構的雙頻不等分功率分配器新結構以及相應的嚴格設計方法是本發明的關鍵。
發明內容
本發明的目的在于提供一種能在任意雙頻帶上滿足不等分配功率功能的功率分配器結構以及相應的設計方法，從而解決GSM/DCS蜂窩電話或者GSM/TD-SCDMA等一 系列雙頻帶通信系統中基站的功率分配難題。
本發明提供的功率分配器的技術方案為 一種采用不對稱結構的不等分雙頻三端口功率分配器，可同時工作在兩個任意的自定義頻帶上，功率分配系數
均為A:(其中心頻率為/p/2,其中/2^y;)。如圖1所示，功率分配系數6為
端口 3輸出功率和端口 2輸出功率比值的正平方根，即"^//52 。該功率分配器是由八節不同特性阻抗和電長度的傳輸線、 一個可選隔離結構Z以及三個等效阻抗為ZQ的標準接口組成。三個標準端口的特性阻抗Z。可為50歐姆、75歐姆或者其他所需值。圖1結構中前四節傳輸線(Z,，Z2，Z3,Z4 )在第一個頻率
點,處的電長度《相等，可表示為《-^^ + M),其中^為自然數，"為兩中心頻率/pA的比值，即"=/2//1。圖1結構中后四節傳輸線(Z5，Z6，Z7，Z8 )
在第一個頻率點乂處的等效電長度《也相等，可表示為《=^2%+")，其中A^為獨立于前四節傳輸線電長度中M的自然數。如果八節傳輸線電長度根據雙頻帶定義要求設計確定，前四節傳輸線的特性阻抗采用如下的公式進行解析
其中/^P+U+^:-^2-1)2+4fll(P+l)， A:tan(T^)。同樣，結構中后四節傳輸線
1 +w
的特性阻抗計算公式分別為z5 = z [—^(1-"]2 + p ， z6=^，
Z7=,， Z8=^，其中/^tan(產)。
前面完成了圖1中八節傳輸線參數的設計，接著討論隔離結構(圖1中的Z )的電路選擇以及設計方法，選擇原則如下當中心頻率比"小于(4A^-l)時，其隔離結構Z為一組電阻R，電感L,電容C的并聯電路；當頻率比W等于l)時，其隔離結構Z為一個單獨的電阻R;當頻率比為w大于(4A^—1)時，其隔離結構Z為一組電阻R,電感L，電容C的串聯電^各。其設計方法如
下并聯隔離結構Z中的電阻R，電感L,電容C的計算公式分別為/ =^Z。，
A:
"t,),C、 "2丄〃 ，、°單個電阻隔離結構的阻值計算公
式為/^il^z。。串聯隔離結構Z中的電阻R,電感L,電容C的計算公式分別為及=2 ，丄=_^_， C=4，其中^嚴+DW牟_^
ZoJ 1(//-2(^+1)) 2 降+且—2A:2(1 + A2)2 1 // 仏2
需要單獨說明的是為了保證整個功率分配器結構的緊湊性，圖1中八節傳輸線的電長度可采用"=^2=1時的最小值，即《=《=，^ + ^,此時在計算傳輸線特性阻抗和隔離結構中元件參數時需采用等式W =iV2 =1 。該功率分配器中的傳輸線可以采用基于本專利設計方法計算出的參數和射頻基板參數直接轉化為微帶線、帶狀線、共面波導、槽線等實際傳輸線結構的
物理尺寸。在具體實際電路中，該功率分配器隔離結構中的電阻R,電感L,電容C可采用集中參數的表面封裝器件，也可采用分布參數的等效電路結構。
實施本發明的有益效果在于與傳統的功率分配器相比，本發明提供的功率分配器能同時工作在兩個不同頻段，并且能提供不對稱的功率分配。該發明
其能夠滿足各種不同雙頻系統的射頻技術指標。
圖l本發明提出的不等分雙頻功率分配器結構圖。
圖2采用本發明提供的功率分配器結構和設計方法實現的能工作在1 GHz和4 GHz的等
分(輸出功率比A:為O dB)微帶線結構。圖3采用本發明提供的功率分配器結構和設計方法實現的能工作在1 GHz和2 GHz不等
分(輸出功率比A:為3 dB)微帶線結構。圖4采用本發明提供的功率分配器結構和設計方法實現的能工作在1 GHz和2. 4 GHz不
等分(輸出功率比^為3 dB)微帶線結構。圖5采用本發明提供的功率分配器結構和設計方法實現的能工作在1 GHz和4 GHz不等
分(輸出功率比A:為3 dB)微帶線結構。圖6圖5中功率分配器S參數的理論計算值和實物測量值。
具體實施例方式
下面通過附圖和實施例對本發明進行詳細闡述。
本發明提供的功率分配器能夠根據所需的任意兩個頻段，以任意功率分配系數A:實現功率分配功能。下面以四個實例進行描述。
7圖l是本發明提出的不等分雙頻功率分配器的結構圖。
在第一個實例中，我們定義兩個工作頻率y;，/2分別為1 GHz和4GHz,其功率分配系數A:為1 (即0 dB)，也就是端口 2和端口 3輸出功率相等，端口特性阻抗為50歐姆。采用本發明提供的雙頻不等分結構以及設計方法，隔離結構Z需要采用一組電阻R,電感L，電容C的串聯電路，計算出的最終參數為Z1=Z3=61.44Q , Z2=Z4=81.38Q , A = 92.25Q, "1.42nH ，C二4.46pF, Z5=Z6=Z7=Z8=Z0=50n。前四節傳輸線在l GHz的電長度為《=0.2"。由于對稱分布，后四節傳輸線的特性阻抗等于端口等效阻抗，因此電長度《可以取任意值。J4l采用相對介電常數為2.65，厚度為0.8毫米的F4B板材，實物如圖2所示。
在第二個實例中，我們定義兩個工作頻率乂，/2分別為1 GHz和2GHz,其功率分配系數* = 7^,也就是端口 3和端口 2輸出功率相差3 dB ，端口特性阻抗為50歐姆。釆用本發明提供的雙頻不等分結構以及設計方法，隔離結構Z需要采用一組電阻R，電感L，電容C的并聯電路，計算出的最終參數為/ = 106.07Q， C = 0.84pF, Z = 15.09nH， Z=116.59。， Z2 =90.98D,Z3 =58.29Q， Z4 =45.49Q， Z5 =62.99Q， Z6=56.13Q， Z7 =39.69Q，Z8 =44.54Q。八節傳輸線在l GHz的電長度為《-《二;r/3。采用相對介電常數為2.65，厚度為0. 8毫米F4B板材實現的微帶線實物如圖3所示。
在第三個實例中，我們將兩個工作頻率/,/2修改為1 GHz和2.4GHz，其他指標和第二個實例一樣。采用本發明提供的雙頻不等分結構以及設計方法，得出的具體參數為A = 106.07Q , C = 0.29pF ，丄二36.15nH ,Z,111.47Q , Z2 =95.155Q , Z3 =55.733Q ，Z4 =47.577Q ，Z5 = 61.706 Q， Z6 = 57.297 Z7= 40.515 Q， Z8 = 43.633。。八節傳輸
8線在1 GHz的電長度為《=&=^/3.4。基板采用相對介電常數為4.6，厚度為 0. 8毫米的FR-4板材實現，」微帶線結構實物如圖4所示。
在第四個實例中，我們將兩個工作頻率/p /2修改為1 GHz和4 GHz,其他 指標和第二個實例一樣，但是與第二和第三個實例不同的是該實例隔離結構Z 需要采用一組電阻R，電感L，電容C的串聯電路來實現，計算出的最終參數 為A = 98.12Q, C = 4.27pF, Z = 1.48nH, Z，-88.62Q， Z2=119.68Q, Z3=44.31D， Z4 =59.84D, Z5=55.14Q, Z6=64.12D, Z7 =45.34D， Z8 =38.99Q。八節傳輸線在1 GHz的電長度為《=《=0.2;r 。基板采用相對 介電常數為2. 65，厚度為0. 8毫米的F4B板材實現，微帶線結構實物如圖5所 示。圖6顯示了圖5對應的S參數理論計算值和實際測量值。
綜上所述，本發明提供的不等分雙頻功率分配器新結構及其設計方法能夠 在給定設計指標的情況下快速計算出最終的設計參數，并可采用各種射頻板材 進行靈活實現。從以上四個實例的設計結果可得出本發明的設計方法十分方便 有效。其中第四個實例的實際射頻性能和理論測量射頻性能十分吻合，且實際 測試性能優良，給定兩個頻段上的匹配值和隔離值都低于-20 dB，通帶內平坦 度在1 dB以內，有效地滿足了雙頻系統的射頻指標。
權利要求
1、一種適用于工作在兩個不同頻帶的不等分三端口功率分配器，其特征在于所述功率分配器能以功率分配系數k同時工作在兩個不同頻帶(定義其中心頻率為f1，f2，其中f2≥f1)。
2、 根據權利要求l所述的功率分配器，其特征在于，功率分配系數&為端 口3輸出功率和端口2輸出功率比值的正平方根，即& = 7^7^。兩個工作頻帶的中心頻率y;,/2為滿足射頻系統的要求在設計之前可自由定義，即中心頻率 /;，/2可為任意值。
3、 根據權利要求i所述的功率分配器，其特征在于，該功率分配器是由八 節不同特性阻抗和電長度的傳輸線、 一個隔離結構z以及三個內阻抗為z。的標準接口組成，其三個端口的內阻抗Z。可為標準的50歐姆、75歐姆或者其他值。
4、 根據權利要求3所述的功率分配器，其特征在于，結構中前四節傳輸線(特性阻抗分別為ZpZ2,Z3,z")在第一個頻率點y;處的電長度《相等，可表 示為《=^%+"),其中M為自然數，w為兩中心頻率,，《的比值，即
5、 根據權利要求3所述的功率分配器，其特征在于，結構中后四節傳輸線 (特性阻抗分別為Z5,Z6，Z7，Zs。)在第一個頻率點/處的電長度《相等，可表示為《=^2%+"),其中M為獨立于權力要求4中M的自然數。
6、 根據權利要求4， 5所述的功率分配器，其特征在于，結構中前四節傳輸紛線的特性阻抗計算公式分別為Zi =Z。(^+1) ，Z2 =Z 」z =z ("1) ■ ， & =4， 其中/f^十14+麵^-l)2,， +1) 3。
/t2 V h4 ^2a2A =tan(，)。結構中后四節傳輸線的特性阻抗計算公式分別為 l + w<formula>formula see original document page 3</formula>其中<formula>formula see original document page 3</formula>
7、 根據權利要求3所述的功率分配器，其特征在于，當中心頻率比w小于 (4M-1)時，其隔離結構Z為一組電阻R,電感L,電容C的并聯電路；當頻率 比w等于(4iV,-l)時，其隔離結構Z為一個單獨的電阻R;當頻率比為w大于 (4M-1)時，其隔離結構Z為一組電阻R,電感L，電容C的串聯電路。
8、 根據權利要求3， 7所述的功率分配器，其特征在于，并聯隔離結構Z中的電阻R,電感L，電容C的計算公式分別為<formula>formula see original document page 3</formula>單個電阻隔離結構的阻值計算公式為及-^"Z。。 串聯隔離結構Z中的電阻R，電感L,電容C的計算公式分別為及<formula>formula see original document page 3</formula>其中<formula>formula see original document page 3</formula>
9、 根據權利要求4， 5, 6， 7， 8所述的功率分配器，其特征在于，為保證 整個功率分配器結構的緊湊性，結構中八節傳輸線的電長度可采用W和M取最小自然數l時的最小值，即<formula>formula see original document page 3</formula>此時相應傳輸線的特性阻抗以及隔離結構中的參數計算則需采用"=iV2 =1的條件。
10、 根據權利要求4， 5, 6, 7， 8所述的功率分配器，其特征在于，該功 率分配器中的傳輸線可以采用基于本專利設計方法計算出的參數和射頻基板參 數直接轉化為微帶線、帶狀線、共面波導、槽線等實際傳輸線結構的物理尺寸。 隔離結構Z中的電阻R，電感L，電容C可釆用集中參數的表面封裝器件，也可 采用分布參數的等效電路結構。
全文摘要
本發明提供了一種適用于工作在任意雙頻帶的不等分功率分配器，其主要特點為該功率分配器能工作在自定義的兩個不同的頻帶上，并且在兩個頻帶內能以自定義的功率分配系數將一個輸入信號分配成兩個功率值不同但相位相同的輸出信號。通過選擇不同的匹配結構來嚴格滿足雙頻帶工作時的輸出端口隔離和匹配特性。與傳統的不等功率分配器相比，本發明提供的不等功率分配器將工作頻帶從一個增加兩個，且兩個工作頻帶可以自由調整，所提供的結構以及設計公式包含了傳統的單頻帶不等分功率分配器和雙頻帶對稱等分功率分配器，屬于一種原創的廣義功率分配器。
文檔編號H01P5/16GK101662062SQ20091008289
公開日2010年3月3日 申請日期2009年4月24日 優先權日2009年4月24日
發明者于翠屏, 鑫 劉, 劉元安, 吳永樂, 黎淑蘭 申請人:北京郵電大學