專利名稱：基于復合左右手傳輸線的任意雙頻功分器及其制作方法
技術領域：
本發明屬于無線通信技術領域，涉及一種基于復合左右手傳輸線的任意雙頻Wilkinson功分器。
背景技術：
基于現代無線通信的雙頻標準，為減少系統中的器件數目，要求所使用的器件應盡量滿足雙頻工作的要求。Wilkinson功分器在通信系統中經常被用來對天線進行饋電，但傳統的Wilkinson功分器只能工作在基頻和它的奇次諧波頻率下，而目前的GSM無線通信通常使用的是900M和1800M兩個工作頻段，因此傳統的Wilkinson功分器已不能滿足現代通信的需要。
傳統的Wilkinson功分器結構如圖1，圖1中Z0為端口特性阻抗，Z1為分支線特性阻抗，R＝2Z0為隔離電阻。分支線特性阻抗為Z0，線長為λg/4。這種情況下的功分器能將從1口輸入的功率從2、3口等分輸出，并且能滿足在工作頻率下，三個口均有很好的匹配，且兩個輸出口之間相互隔離。另外，如果將2、3口作為輸入，1口作為輸出，這種情況下可以當作功率合成器來使用。但是，這種λg/4支節的功分器只能工作在基頻和它的奇次諧波頻率下，其中Z1＝Z0，隔離電阻R＝2Z0。即圖2中RH曲線所示的相移90度和270度所對應的頻率，分別為f1、3f1。
為克服傳統功分器只能奇次倍頻工作的缺點，Lei Wu等人在文獻[1](Lei Wu，Zengguang Sun，Hayattin Yilmaz，and Manfred Berroth，“ADual-Frequency Wilkinson Power Divider”，IEEE TRANSA CTIONS ONMICROWAVE THEORYAND TECHNIQUES，to be published)中基于雙節阻抗變換提出了一種能工作在任意雙頻下的新型Wilkinson功分器，可以滿足現代通信的雙頻要求。但是這種結構需要將原來的λg/4支節線變成兩個特性阻抗不同的支節的串聯，其總長度大于λg/4，因此這種結構的雙頻特性是以犧牲器件的結構緊湊特性為代價的，這也與現代通信系統的小型化趨勢相違背。
另一方面，自2000年Smith等人制作出介電常數和磁導率均為負的人工左手材料[2](D R Smith，Willie J Padilla，Vier D C，et al..Composite Medium withSimultaneously Negative Permeability and Permittivity.Phys.Rev.Lett.，2000，844184～4187.)，并用實驗證明負折射現象的存在以來[3](ShelbyR A，Smith D R，Schultz S，Experimental Verification of a Negative Index of Refraction.Science，2001，29277～79.)，左手材料越來越受到世界各地研究小組的關注。但這種左手材料是基于諧振結構，其較大的衰減和較窄的帶寬限制了它在微波領域的應用。
2002年，美國UCLA大學的Itoh等人提出一種用傳輸線實現左手材料的新方法[4](Caloz C，Itoh T.Application of the transmission line theory ofleft-handed(LH)materials to the realization of a microstrip LH transmission line.IEEE-APS Int.Symp.Dig..TXSan Antonio，2002，2412-415.)，并將其命名為左手傳輸線(LH-TL)。傳統的傳輸線也被稱為右手傳輸線(RH-TL)；將左手傳輸線和右手傳輸線結合起來，構成復合左右手傳輸線(CRLH-TL)。這種左手傳輸線基于高通濾波器的拓撲結構，與諧振結構的左手材料相比具有寬頻帶、低損耗的特性，它特殊的相移特性在微波電路領域的應用也被深入研究[5-8]([5]C. Caloz，A.Sanada，L.Liu，and T.Itoh，“A BroadbandLeft-Handed(LH)Coupled-Line Backward Coupler with Arbitrary Coupling Levels”，IEEE-MTT Int′l Symp.，vol.1，pp.317-320，Philadelphia，PA，June 2003. A.Sanada，C.Caloz，and T.Itoh，“Zeroth Order Resonance in CompositeRight/Left-Handed Transmission Line Resonators”，accepted at Asia-Pacific MicrowaveConference，Seoul，Korea，November 2003. Hiroshi Okabe，Christophe Caloz，and Tatsuo Itoh，“A CompactEnhanced-Bandwidth Hybrid Ring Using an Artificial Lumped-Element Left-HandedTransmission-Line Section”，IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY ANDTECHNIQUES，VOL.52，NO.3，MARCH 2004，p798-804 L.Liu，C.Caloz，andT.Itoh，“Dominant Mode(LM)Leaky-Wave Antenna withBackfire-to-Endfire Scanning Capability”，Electron.Lett.，vol.38，no.23，pp.1414-1416，Nov.2000.)。
2003年Caloz提出了基于復合左右手傳輸線的雙頻設計思想，并設計制作出一種能工作在任意兩個頻點的分支線電橋和環形電橋[9](I-Hsiang Lin，Marc De Vincentis，Christophe Caloz，and Tatsuo Itoh，“ArbitraryDual-Band Components Using Composite Right/Left-Handed Transmission Lines”，IEEETRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES，VOL.52，NO.4，APRIL 2004，1142-1149)。根據Caloz提出的雙頻設計思想，在右手傳輸線中加入左手傳輸線，構成復合左右手傳輸線(CRLH)，能改變整個傳輸線的相移特性，達到在任意兩個頻率點f1、f2下，相移分別為90度和270度，如圖2中的CRLH曲線所示。
發明內容
為了解決傳統的功分器只能工作在基頻和它的奇次諧波頻率下，分支線長度為λg/4，它的尺寸雖小，但不能在任意雙頻下工作的問題；為了解決基于雙節阻抗變換的雙頻功分器，分支線為兩個λg/6支節串聯，雖然能在任意雙頻下工作，但功分器尺寸較大的問題；為了解決基于負相移技術諧振結構功分器，其較大的衰減和較窄的帶寬限制了它在微波領域應用的問題；本發明的第一個目的是提供一種基于復合左右手傳輸線的普通型任意雙頻Wilkinson功分器的制作方法；本發明的第二個目的是提供一種尺寸小于現有技術、基于復合左右手傳輸線和負相移技術的縮小型任意雙頻Wilkinson功分器的制作方法；本發明的第三個目的是基于復合左右手傳輸線和雙節阻抗變換技術的緊湊型任意雙頻Wilkinson功分器的制作方法。
為了實現本發明的第一個目的，本發明基于傳統功分器和復合左右手傳輸線的雙頻設計思想，將只能工作在奇次倍頻下的傳統功分器改進成具有任意雙頻工作性能的新型功分器。
本發明的第一個方面，提供一種基于復合左右手傳輸線的普通型任意雙頻功分器的制作方法，制作步驟如下獲取工作頻點頻率比步驟確定任意兩個工作頻點，并計算二者頻率比；建立傳輸線相移值步驟基于復合左右手傳輸線的相移特性，分別獲得右手傳輸線和左手傳輸線的相移值；建立端口傳輸線步驟利用端口特性阻抗、相移值和介質板參數，獲取端口傳輸線的線寬和長度；建立右手傳輸線步驟利用分支線特性阻抗、相移值和介質板參數，獲取分支線中右手傳輸線的線寬和長度；建立左手傳輸線步驟確定左手傳輸線的結構單元數，獲取左手傳輸線的電容值和電感值；建立隔離電路步驟根據兩輸出端口之間電路關系，確定隔離電路所采用具體元器件及參數。
本發明一種基于復合左右手傳輸線的普通型任意雙頻功分器，包括第一端口、第二端口、第三端口，其特征在于還包括兩個分支線均為復合左右手傳輸線為包括四個右手傳輸線即第一右手傳輸線、第二右手傳輸線、第三右手傳輸線、第四右手傳輸線和兩個左手傳輸線即第一左手傳輸線、第二左手傳輸線，隔離電阻；其中第一分支線為第一右手傳輸線、第一左手傳輸線、第二右手傳輸線三者串聯連接，第二分支線為第三右手傳輸線、第二左手傳輸線、第四右手傳輸線三者串聯連接；第一右手傳輸線和第三右手傳輸線的輸入端與第一端口連接；在第二右手傳輸線、第四右手傳輸線的兩個輸出端并聯連接有隔離電阻；第二右手傳輸線的輸出端與第二端口的輸入端和隔離電阻一端連接；第四右手傳輸線的輸出端與第三端口的輸入端和隔離電阻另一端連接。
所述基于復合左右手傳輸線的普通型任意雙頻功分器，隔離電阻R＝2Z0，其中第一右手傳輸線、第二右手傳輸線、第三右手傳輸線、第四右手傳輸線具有相同的特性阻抗分別為Z1、相移長度分別為Pf1/2，其中工作頻率f1、右手傳輸線頻率系數p；第一左手傳輸線、第二左手傳輸線具有相同的特性阻抗分別為Z1、相移長度分別為Q/f1，其中工作頻率f1、左手傳輸線頻率系數Q；第一右手傳輸線、第二右手傳輸線、第三右手傳輸線、第四右手傳輸線分別由微帶電路來實現，第一左手傳輸線、第二左手傳輸線分別由N節貼片電容CL和貼片電感LL組合構成。
為了實現本發明的第二個目的，主要考慮在1＜α＜3條件下，對功分器進行改進，使其尺寸縮小。
本發明的第二個方面，提供一種基于負相移技術和復合左右手傳輸線的縮小型任意雙頻功分器的制作，根據復合左右手傳輸線的負相移特性，可以將分支線的長度縮短，從而使整個功分器的尺寸縮小。這種縮小型功分器的分支線由具有負相移特性的復合左右手傳輸線構成，其長度縮小為 所述建立傳輸線相移值步驟還包括根據Negative復合左右手傳輸線相移曲線把f1、f2兩個頻點下傳輸線的相移分別設為-π/2和π/2，計算f1頻率下右手傳輸線和左手傳輸線的相移Pf1、Q/f1，得到頻移系數P、Q值為P≈π21f2-f1=π21α-11f1,]]>Q≈π2f1f2f2-f1=π2αα-1f1.]]>所述建立右手傳輸線步驟包括分支線長度為 當2＜α＜3時，分支線長度小于四分之一波長，當1＜α＜2時，分支線長度大于四分之一波長。
為了實現本發明的第三個目的，是利用雙節阻抗變換技術和復合左右手傳輸線特性設計任意雙頻Wilkinson功分器，使其尺寸進一步縮小。
本發明的第三個方面，提供一種利用雙節阻抗變換和復合左右手傳輸線特性制作緊湊型任意雙頻功分器的方法，這種功分器的分支線由兩節特性阻抗不同的左手傳輸線和右手傳輸線構成，所述建立右手傳輸線步驟包括分支線長度為 其中兩工作頻率點的比值為α，當1＜α＜3時，分支線長度小于四分之一波長。
所述建立隔離電路步驟包括隔離電路由隔離電阻R，隔離電容Cx和隔離電感Lx組成，其值分別為R=2z0,Cx=Bω1-Aω22ω2ω1-2ω1ω2,]]>Lx=2ω2ω1-2ω1ω2Bω1-Aω2]]>其中A=Z2-Z1p2Z2p(z1+z2),]]>B=Z2-Z1q2Z2q(z1+z2),]]>p＝tan(Pf1)，q＝tan(Q/f1)。
所述建立傳輸線相移值步驟和建立右手傳輸線步驟包括右手傳輸線的特性阻抗Z2和相移Pf1分別為Z2=Z012ξ+14ξ2+2,]]>Pf1=π1+α,]]>其中ξ＝(tan(Pf1))2。
所述建立傳輸線相移值步驟和建立左手傳輸線步驟包括左手傳輸線的特性阻抗特性阻抗Z1和相移Q/f1分別為Z1=2Z02Z2,]]>Q/f1=-π1+α;]]>所述建立傳輸線相移值步驟、建立右手傳輸線步驟和建立左手傳輸線步驟包括右手傳輸線特性阻抗Z1和左手傳輸線特性阻抗Z2的值互換，計算公式變為Z1=Z012ξ+14ξ2+2,]]>Z2=2Z02Z1]]>其中ξ＝(tan(Pf1))2。
本發明一種結合雙節阻抗變換和復合左右手傳輸線的緊湊型任意雙頻功分器，包括輸入端口、第一輸出端口、第二輸出端口，第一左手傳輸線、第一右手傳輸線、第二左手傳輸線、第二右手傳輸線，隔離電路由隔離電阻R，隔離電容Cx和隔離電感Lx構成；第一分支線包括第一左手傳輸線和第一右手傳輸線串聯連接，第二分支線包括第二左手傳輸線和第二右手傳輸線串聯連接；第一左手傳輸線和第二左手傳輸線的輸入端與輸入端口連接；在第一右手傳輸線與第二右手傳輸線的輸出端之間和第一輸出端口、第二輸出端口的輸入端之間分別與并聯連接有隔離電阻R，隔離電容Cx和隔離電感Lx，所述第一分支線和第二分支線中特性阻抗Z1、Z2不同，其中第一左手傳輸線和第二左手傳輸線的特性阻抗為Z1，相移長度為Q/f1，第一右手傳輸線與第二右手傳輸線為Z2，相移長度為Pf1；右手傳輸線由普通的微帶電路來實現，左手傳輸線由N節貼片電容CL和貼片電感LL組合構成。
通過以下結合附圖的詳細描述，本發明的上述和其它方面、特征和優點將變得更加顯而易見。附圖中圖1是背景技術傳統Wilkinson功分器原理2是背景技術與本發明功分器中支節線的相移特性曲線，RH曲線為右手傳輸線相移特性曲線，CRLH曲線為復合左右手傳輸線相移特性曲線，Negative CRLH曲線為結合負相移的復合左右手傳輸線相移曲線。
圖3是本發明普通型任意雙頻Wilkinson功分器的結構原理4是背景技術左手傳輸線的電路5是本發明基于復合左右手傳輸線制作的普通型任意雙頻Wilkinson功分器圖6a和圖6b是本發明制作的工作在0.9G和1.8G的基于復合左右手傳輸線的普通型任意雙頻Wilkinson功分器S參數曲線圖7是本發明制作的基于復合左右手傳輸線和負相移技術制作的縮小型任意雙頻Wilkinson功分器圖8a和圖8b是本發明制作的工作在0.9G和1.8G的基于復合左右手傳輸線和負相移技術的縮小型任意雙頻Wilkinson功分器S參數曲線圖9是背景技術提出的基于雙節阻抗變換制作的任意雙頻Wilkinson功分器原理10是本發明緊湊型任意雙頻Wilkinson功分器的結構原理圖
圖11是本發明制作的基于復合左右手傳輸線和雙節阻抗變換技術的緊湊型任意雙頻Wilkinson功分器圖12a和圖12b是本發明制作的工作在0.9G和1.8G的基于復合左右手傳輸線和雙節阻抗變換技術的緊湊型任意雙頻Wilkinson功分器S參數曲線具體實施方式
下面結合附圖對本發明作具體說明。應該指出，所描述的施例僅僅視為說明的目的，而不是對本發明的限制。
根據本發明的第一個方面，具體實施例1表示如下根據Caloz提出的雙頻設計思想，在右手傳輸線中加入左手傳輸線，構成復合左右手傳輸線(CRLH)，能改變整個傳輸線的相移特性，達到在任意兩個頻率點f1、f2下，相移分別為90度和270度，如圖2中的CRLH曲線所示，將這一技術應用于Wilkinson功分器，采用復合左右手傳輸線來實現支節阻抗變換，可設計出工作在任意兩個頻率下的Wilkinson功分器。本發明把這種采用復合左右手傳輸線制作出的能工作在任意兩個頻點的新型功分器稱為普通型任意雙頻Wilkinson功分器。
圖3是本發明普通型任意雙頻Wilkinson功分器的結構原理圖，圖中所示包括第一端口1、第二端口2、第三端口3，兩個分支線均為復合左右手傳輸線為包括四個右手傳輸線即第一右手傳輸線4、第二右手傳輸線6、第三右手傳輸線7、第四右手傳輸線9和兩個左手傳輸線即第一左手傳輸線5、第二左手傳輸線8，隔離電阻R；其中第一分支線為第一右手傳輸線4、第一左手傳輸線5、第二右手傳輸線6三者串聯連接，第二分支線為第三右手傳輸線7、第二左手傳輸線8、第四右手傳輸線9三者串聯連接；第一右手傳輸線4和第三右手傳輸線7的輸入端與第一端口1連接；在第二右手6傳輸線、第四右手傳輸線9的兩個輸出端并聯連接有隔離電阻R；第二右手傳輸線6的輸出端與第二端口2的輸入端和隔離電阻R一端連接；第四右手傳輸線9的輸出端與第三端口3的輸入端和隔離電阻R另一端連接。
所述基于復合左右手傳輸線任意雙頻功分器，其特征在于包括隔離電阻為R＝2Z0，其中第一右手傳輸線4、第二右手傳輸線6、第三右手傳輸線7、第四右手傳輸線9具有相同的特性阻抗分別為Z1、相移長度分別為Pf1/2，其中工作頻率f1、右手傳輸線頻率系數p；第一左手傳輸線5、第二左手傳輸線8具有相同的特性阻抗分別為Z1、相移長度分別為Q/f1，其中工作頻率f1、左手傳輸線頻率系數Q；第一右手傳輸線4、第二右手傳輸線6、第三右手傳輸線7、第四右手傳輸線9分別由微帶電路來實現；第一左手傳輸線5、第二左手傳輸線8分別由N節貼片電容CL和貼片電感LL組合構成如圖4。
本發明普通型任意雙頻率功分器的分支線長度為 其中兩工作頻率點的比值為α，當1＜α＜3時，分支線長度大于四分之一波長，當α＞3時，分支線長度小于四分之一波長。
制作普通型任意雙頻功分器方法的具體執行步驟為步驟a1.根據用戶需要，確定工作頻點f1、f1，令f1＞f1，二者頻率比值α＝f2/f1；步驟b1.根據圖2中的復合左右手傳輸線相移曲線把f1、f2兩個頻率點下的傳輸線相移分別設為π/2和3π/2，步驟c1.計算f1頻率點下右手傳輸線和左手傳輸線的相移分別為Pf1、Q/f1，得到頻移系數P、Q值為P≈π23f2-f1f22-f12=π23α-1α2-11f1,]]>Q≈π23f2-1f11f12-1f22=π23α-α2α2-1f1.]]>步驟d1.根據用戶需求確定傳輸線中的特性阻抗Z0，再根據所選介質板參數計算傳輸線線寬；步驟e1.計算功分器中隔離電阻R＝2Z0；步驟f1.計算功分器中分支線特性阻抗Z1＝Z0，再根據所選介質板參數和相移位Pf1計算分支線中右手傳輸線的線寬和長度；步驟g1.確定實現左手傳輸線的結構單元數N，所選N值必須確保滿足條件QNf1<π2;]]>
步驟h1.確定實現左手傳輸線的電容值CL和電感值LL為CL=N2πZ1Q,]]>LL=NZ12πQ.]]>步驟i1.利用微波仿真軟件例如ADS，Ansoft Designer等，對功分器仿真并優化，使工作頻點f1、f2下端口駐波比和隔離度滿足設計要求；步驟j1.根據功分器的仿真結果制作加工版圖，進行加工；步驟k1.對加工電路板進行測量，判斷測量結果是否滿足設計要求，根據需要進行電路調試例如改變線寬、貼片電容電感值等，直到滿足設計要求，完成基于復合左右手傳輸線的普通型任意雙頻Wilkinson功分器的制作。
圖2是背景技術與本發明功分器中支節線的相移特性曲線，下面對圖2圖面進行說明，圖中包括有橫軸為頻率軸，縱軸為傳輸線相移值；(1)RH曲線代表傳統λg/4傳輸線的相移曲線，在f1、3f1處相移分別為90°和270°；(2)CRLH曲線是代表現有技術復合左右手傳輸線的相移曲線，在f1、f2處相移分別為90°和270°；(3)Negative CRLH曲線代表利用負相移進行改進后，本發明復合左右手傳輸線的相移曲線，在f1、f2處相移分別為-90°和90°。
圖5是本發明基于復合左右手傳輸線制作的普通型任意雙頻Wilkinson功分器，根據以上設計步驟制作加工的Wilkinson功分器，它是工作在0.9G和1.8G兩個頻率點處的Wilkinson功分器，它的α＝2，Pf1＝5π/6，即兩個支線長度為5λg/12。
圖5中左手傳輸線由貼片電容和貼片電感來實現，且并聯電感終端由通孔接地，隔離電阻并聯在兩輸出端口中間。
圖6a和圖6b是本發明制作的工作在0.9G和1.8G的基于復合左右手傳輸線的普通型任意雙頻Wilkinson功分器S參數曲線，圖6a是仿真結果，圖6b是實驗測量的結果，可以看到，制作的功分器在兩個工作頻率上三個端口均能達到良好的匹配，計算得到的端口駐波比小于1.2，且兩個輸出口間的隔離度大于15dB。
圖6a橫軸為頻率軸，左縱軸為s11、s22和s33值，右縱軸為s12值圖6b橫軸為頻率軸，左縱軸為s11、s22和s33值，右縱軸為s12值。
根據本發明的第二個方面，具體實施例2表示如下圖7是本發明制作的基于復合左右手傳輸線和負相移技術制作的縮小型任意雙頻Wilkinson功分器。
基于本發明的第二個方面，復合左右手傳輸線的總長度主要由右手傳輸線的相移Pf1來決定，分析可知，當1＜α＜3時，Pf1>π2,]]>復合左右手傳輸線長度將大于原來的λg/4；當α＞3時，Pf1<π2,]]>復合左右手傳輸線的長度小于λg/4。也就是說，在頻率比值為1＜α＜3范圍內，所設計的功分器在獲得雙頻性能的同時增大了器件的尺寸，此結構不利于器件的小型化。而且，1＜α＜3，是實際中經常應用到的雙頻工作器件的頻率比例范圍。根據本發明的第二個方面的主要考慮在1＜α＜3條件下，對功分器進行改進，使其尺寸縮小，本發明提供一種基于負相移制作縮小型的任意雙頻Wilkinson功分器。
根據左手傳輸線的負相移特性，把f1、f2下傳輸線的相移分別設為-π/2和π/2，如圖2中Negative CRLH相移曲線所示，則復合左右手傳輸線的頻移系數為P、Q。
將上式和發明內容一中P的計算式進行比較，可得P′＜P，即利用負相移對發明內容一進行改進后，分支線中的右手傳輸線長度將縮短， 整個縮小型功分器的尺寸有了一定程度的縮小。這種縮小型的任意雙頻Wilkinson功分器的結構原理圖和圖3基本一致，只不過其中的參數P、Q的計算公式不一樣。所述第一分支線和第一分支線其分支線長度縮小為 當2＜α＜3時，分支線長度小于傳統功分器的四分之一波長，能同時滿足雙頻工作和結構緊湊的要求；當1＜α＜2時，大于四分之一波長，仍然大于傳統功分器的尺寸。
本發明內容二提出的縮小型任意雙頻Wilkinson功分器的具體執行步驟基本上和本發明內容一的具體執行步驟一致，只需將其中的步驟b1、c1改成如下所述的b2、c2步驟b2.根據圖2中的結合負相移的復合左右手傳輸線相移曲線把f1、f2兩個頻點下傳輸線的相移分別設為-π/2和π/2；步驟c2.計算f1頻率下右手傳輸線和左手傳輸線的相移Pf1、Q/f1，得到頻移系數P、Q值為P≈π21f2-f1=π21α-11f1,]]>Q≈π2f1f2f2-f1=π2αα-1f1;]]>圖7是本發明應用負相移改進技術制作加工了能工作在0.9G和1.8G兩個頻率點處的Wilkinson功分器，其α＝2時，Pf1=π2,]]>即兩個支線長度為λg/4。其結構尺寸較圖3有很大縮小。
圖8a和圖8b是本發明基于負相移制作的雙頻功分器工作在0.9G和1.8G的雙頻的S參數曲線，仿真結果如圖8a，實驗測量結果如圖6b，在兩個工作頻率上實際制作的功分器的三個端口均能達到良好的匹配，由此計算得到的端口駐波比小于1.2，且兩個輸出口間的隔離度大于15dB。
圖8a橫軸為頻率軸，左縱軸為s11、s22和s33值，右縱軸為s12值；圖8b橫軸為頻率軸，左縱軸為s11、s22和s33值，右縱軸為s12值。
根據本發明的第三個方面，具體實施例3表示如下圖11是本發明基于復合左右手傳輸線和雙節阻抗變換的緊湊型任意雙頻Wilkinson功分器的結構圖。本發明結合雙節阻抗變換技術，采用雙節復合左右手傳輸線替代傳統的四分之一波長阻抗變換，隔離電路由并聯的電容、電感和電阻構成，分支節長度縮小為 小于傳統功分器的四分之一波長。
圖9是背景技術提出的基于雙節阻抗變換制作的任意雙頻Wilkinson功分器原理圖，是Lei Wu提出的一種可工作在任意兩個頻點的Wilkinson功分器結構圖(文獻[1])，圖9中Z0為端口特性阻抗，Z1、Z2分別為雙節阻抗變換分支線的特性阻抗，l1、l2分別為其電長度，R、L、C為兩輸出端口的隔離電路，它基于雙頻工作的雙節阻抗變換器(文獻[10]C.Monzon，“A small dual-frequency transformer in two section，”IEEE Trans.Microw.Theory Tech.，vol.51，no.4，pp.1157-1161，Apr.2003.)。
當1＜α＜3時，圖中分支線參數的計算為l1=l2=πβ1+β2=λg2(1+α)]]>Z2=Z012ξ+14ξ2+2]]>Z1=2Z02Z2]]>其中ξ＝(tan(β1l1)2，支線總長度ltotal=l1+l2=λg1+α>λg4,]]>也就是說這種基雙節變換的雙頻Wilkinson功分器仍然大于傳統功分器的尺寸。
對這種基于雙節變換功分器進行奇偶摸分析時，各參數的計算以傳輸線阻抗變換公式為基礎(文獻[9])Zin=Z0ZL+jZ0tan(βl)Z0+jZLtan(βl)]]>本發明利用tanθ＝tan(θ-π)，進行如下變換
tanβl=tan(βl-π)]]>=tan[-β(πβ-l)]=tan[-β(λg2-λg2(1+α))]]]>=tan[-β*αλg2(1+α)]]]>也就是說，背景技術中相移常數為β、電長度為l=λg2(1+α)]]>的傳輸線和本發明中相移常數為-β、電長度為l′=αλg2(1+α)]]>的阻抗變換效果是相同的。將圖9中雙節阻抗變換的其中一節傳統傳輸線替換成相移常數為負的左手傳輸線，在其它參數不變的情況下，Wilkinson功分器仍能達到同樣的雙頻工作性能；同時由于左手傳輸線由集總元件來實現，其尺寸很小，相對于右手傳輸線的尺寸可以忽略不計，分支線長度可以減少到ltotal=l1+l2≈l2=λg2(1+α)<λg4.]]>這樣，在1＜α＜3范圍內，結合雙節阻抗變換進行改進后的功分器在達到雙頻工作的同時尺寸小于傳統功分器，實現了結構緊湊性的要求。
本發明將這種結合雙節阻抗變換和復合左右手傳輸線的功分器稱為緊湊型任意雙頻Wilkinson功分器。圖10是本發明緊湊型任意雙頻Wilkinson功分器的結構原理圖，圖中包括輸入端口101、第一輸出端口102、第二輸出端口103，第一左手傳輸線104、第一右手傳輸線105、第二左手傳輸線106、第二右手傳輸線107，隔離電路由隔離電阻R，隔離電容Cx和隔離電感Lx構成；第一分支線包括第一左手傳輸線104和第一右手傳輸線105串聯連接，第二分支線包括第二左手傳輸線106和第二右手傳輸線107串聯連接；第一左手傳輸線104和第二左手傳輸線106的輸入端與輸入端口101連接；在第一右手傳輸線105與第二右手傳輸線107的輸出端之間和第一輸出端口102、第二輸出端口103的輸入端之間分別與并聯連接有隔離電阻R，隔離電容Cx和隔離電感Lx，所述第一分支線和第二分支線中特性阻抗Z1、Z2不同，其中第一左手傳輸線104和第二左手傳輸線106的特性阻抗為Z1，相移長度為Q/f1，第一右手傳輸線105與第二右手傳輸線107為Z2，相移長度為Pf1；右手傳輸線由普通的微帶電路來實現，左手傳輸線由N節貼片電容CL和貼片電感LL組合構成。
圖中的功分器有三個端口，端口特性阻抗為Z0，左手傳輸線特性阻抗為Z1，相移長度為Q/f1，右手傳輸線的特性阻抗為Z2，相移長度為Pf1。右手傳輸線由普通的微帶電路來實現，左手傳輸線的電路具體實現方式見圖4，由N節貼片電容CL和貼片電感LL組合構成。
本發明設計出的緊湊型功分器的分支線長度為 其中兩工作頻率點的比值為α，當1＜α＜3時，分支線長度小于四分之一波長。
根據本發明的第三個方面的實施例，具體執行步驟為步驟a3.根據用戶要求，確定工作頻點f1、f2，令f2＞f1，并使二者比值α＝f2/f1；步驟b3.根據用戶需求確定端口傳輸線中的特性阻抗Z0，再根據所選介質板參數計算傳輸線線寬；步驟c3.根據以下公式計算分支線中右手傳輸線的特性阻抗Z2和相移Pf1，并根據所選介質板參數計算分支線中右手傳輸線的線寬和長度Z2=Z012ξ+14ξ2+2,]]>Pf1=π1+α,]]>其中ξ＝(tan(Pf1))2步驟d3.根據以下公式計算分支線中左手傳輸線的特性阻抗Z1和相移Q/f1Z1=2Z02Z2,]]>Q/f1=-π1+α;]]>注右手傳輸線特性阻抗Z1和左手傳輸線特性阻抗Z2的值互換，計算公式變為
Z1=Z012ξ+14ξ2+2,]]>Z2=2Z02Z1]]>其中ξ＝(tan(Pf1))2。
步驟e3.確定實現左手傳輸線的結構單元數N，并確保N滿足條件QNf1<π2;]]>步驟f3.根據以下公式計算實現左手傳輸線的貼片電容值CL和貼片電感值LL為CL=N2πZ1Q,]]>LL=NZ12πQ;]]>步驟g3.隔離電路由隔離電阻R，隔離電容Cx和隔離電感Lx組成，其值分別為R=2z0,Cx=Bω1-Aω22ω2ω1-2ω1ω2,]]>Lx=2ω2ω1-2ω1ω2Bω1-Aω2]]>其中A=Z2-Z1p2Z2p(z1+z2),]]>B=Z2-Z1q2Z2q(z1+z2),]]>p＝tan(Pf1)，q＝tan(Q/f1)步驟h3.根據Wilkinson功分器原理結構和以上所計算的參數用微波仿真軟件進行仿真、優化，使工作頻點f1、f2下端口駐波比和隔離度滿足設計要求；步驟i3.根據仿真結果制作加工版圖，并進行加工；步驟j3.對加工電路板進行測量，判斷測量結果是否滿足設計要求，根據需要進行電路調試(如改變線寬、電容電感值等)，直到滿足設計要求，完成基于復合左右手傳輸線的緊湊型任意雙頻Wilkinson功分器的制作。
圖11是本發明制作的基于復合左右手傳輸線和雙節阻抗變換技術的緊湊型任意雙頻Wilkinson功分器，圖中功分器可工作在0.9G和1.8G兩個頻率點處，其中α＝2，ltotal=λg6.]]>圖11中左手傳輸線由貼片電容和電感來實現，且并聯電感終端由通孔接地，隔離電阻、電感和電容均并聯在兩輸出端口中間。
圖12a和圖12b是本發明制作的工作在0.9G和1.8G的基于復合左右手傳輸線和雙節阻抗變換技術的緊湊型任意雙頻Wilkinson功分器S參數曲線，圖12a是仿真結果，圖12b是實驗測量結果，可以看到，在兩個工作頻率上實際制作的功分器的三個端口均能達到良好的匹配，由此計算得到的端口駐波比小于1.2，且兩個輸出口間的隔離度大于15dB。
圖12a橫軸為頻率軸，左縱軸為s11、s22和s33值，右縱軸為s12值；圖12b橫軸為頻率軸，左縱軸為s11、s22和s33值，右縱軸為s12值。
本發明的有益效果是(一)利用復合左右手傳輸線的特殊性質，設計出新型的任意雙頻Wilkinson功分器，該功分器可以工作在任意兩個頻率點，克服了傳統功分器只能奇次倍頻工作的缺陷。
(二)根據本發明二提出的結合負相移和復合左右手傳輸線的相移曲線，所設計的縮小型功分器的分支線長度縮短到 當1＜α＜3時，分支線長度大于四分之一波長，當α＞3時，分支線長度小于四分之一波長，克服了Caloz在文獻[9]中提出的雙頻設計技術中器件結構尺寸較大的缺陷。
(三)根據發明三提出的結合復合左右手傳輸線和雙節阻抗變換技術，其中的一節阻抗變換線采用左手傳輸線的相移Q/f1=-π1+α]]>為負相移的技術方案，使本發明設計出的緊湊型功分器的分支線長度縮短到 當1＜α＜3時，分支線長度小于四分之一波長，滿足雙頻工作的同時結構緊湊，克服了Lei Wu在文獻[1]中提出的雙頻設計技術中器件結構尺寸較大的缺陷。
(四)本發明提出的新型任意雙頻Wilkinson功分器設計過程簡單，所需微波板材和元器件均易于獲得，便于加工。
(五)仿真和實驗測量結果證明，本發明提出的新型任意雙頻Wilkinson功分器設計在兩個工作頻點處均能很好的滿足功分器的性能要求，技術切實可行。
上面描述是用于實現本發明及其實施例，本領域普通技術人員可以根據實際情況確定要使用的多種實現方法，因此，本發明的范圍不應由該描述來限定。本領域的技術人員應該理解，在不脫離本發明的范圍的任何修改或局部替換，均屬于本發明權利要求來限定的范圍。
權利要求
1.一種基于復合左右手傳輸線的任意雙頻功分器，包括第一端口、第二端口、第三端口，其特征在于還包括兩個分支線均為復合左右手傳輸線為包括四個右手傳輸線即第一右手傳輸線、第二右手傳輸線、第三右手傳輸線、第四右手傳輸線和兩個左手傳輸線即第一左手傳輸線、第二左手傳輸線，隔離電阻；其中第一分支線為第一右手傳輸線、第一左手傳輸線、第二右手傳輸線三者串聯連接，第二分支線為第三右手傳輸線、第二左手傳輸線、第四右手傳輸線三者串聯連接；第一右手傳輸線和第三右手傳輸線的輸入端與第一端口連接；在第二右手傳輸線、第四右手傳輸線的兩個輸出端并聯連接有隔離電阻；第二右手傳輸線的輸出端與第二端口的輸入端和隔離電阻一端連接；第四右手傳輸線的輸出端與第三端口的輸入端和隔離電阻另一端連接。
2.根據權利要求1所述基于復合左右手傳輸線的任意雙頻功分器，其特征在于隔離電阻R＝2Z0，其中第一右手傳輸線、第二右手傳輸線、第三右手傳輸線、第四右手傳輸線具有相同的特性阻抗分別為Z1、相移長度分別為Pf1/2，其中工作頻率f1、右手傳輸線頻率系數p；第一左手傳輸線、第二左手傳輸線具有相同的特性阻抗分別為Z1、相移長度分別為Q/f1，其中工作頻率f1、左手傳輸線頻率系數Q；第一右手傳輸線、第二右手傳輸線、第三右手傳輸線、第四右手傳輸線分別由微帶電路來實現，第一左手傳輸線、第二左手傳輸線分別由N節貼片電容CL和貼片電感LL組合構成。
3.一種基于復合左右手傳輸線的任意雙頻功分器，包括輸入端口、第一輸出端口、第二輸出端口，其特征在于還包括第一左手傳輸線、第一右手傳輸線、第二左手傳輸線、第二右手傳輸線，隔離電路由隔離電阻R，隔離電容Cx和隔離電感Lx構成；第一分支線包括第一左手傳輸線和第一右手傳輸線串聯連接，第二分支線包括第二左手傳輸線和第二右手傳輸線串聯連接；第一左手傳輸線和第二左手傳輸線的輸入端與輸入端口連接；在第一右手傳輸線與第二右手傳輸線的輸出端之間和第一輸出端口、第二輸出端口的輸入端之間分別與并聯連接有隔離電阻R，隔離電容Cx和隔離電感Lx，所述第一分支線和第二分支線中特性阻抗Z1、Z2不同，其中第一左手傳輸線和第二左手傳輸線的特性阻抗為Z1，相移長度為Q/f1，第一右手傳輸線與第二右手傳輸線為Z2，相移長度為Pf1；右手傳輸線由普通的微帶電路來實現，左手傳輸線由N節貼片電容CL和貼片電感LL組合構成。
4.一種基于復合左右手傳輸線的任意雙頻功分器制作方法，其特征在于，制作步驟如下獲取工作頻點頻率比步驟確定任意兩個工作頻點，并計算二者頻率比；建立傳輸線相移值步驟基于復合左右手傳輸線的相移特性，分別獲得右手傳輸線和左手傳輸線的相移值；建立端口傳輸線步驟利用端口特性阻抗、相移值和介質板參數，獲取端口傳輸線的線寬和長度；建立右手傳輸線步驟利用分支線特性阻抗、相移值和介質板參數，獲取分支線中右手傳輸線的線寬和長度；建立左手傳輸線步驟確定左手傳輸線的結構單元數，獲取左手傳輸線的電容值和電感值；建立隔離電路步驟根據兩輸出端口之間電路關系，確定隔離電路所采用具體元器件及參數。
5.根據權利要求4所述基于復合左右手傳輸線的任意雙頻功分器制作方法，其特征在于，所述獲取工作頻點頻率比步驟包括根據用戶需要，確定工作頻點f1、f2，令f2＞f1，二者頻率比值α＝f2/f1。
6.根據權利要求1或4所述基于復合左右手傳輸線的任意雙頻功分器制作方法，其特征在于，所述建立傳輸線相移值步驟包括根據復合左右手傳輸線相移曲線把f1、f2兩個頻率點下的傳輸線相移分別設為π/2和3π/2，計算f1頻率點下右手傳輸線和左手傳輸線的相移分別為pf1、Q/f1，得到頻移系數P、Q值為P≈π23f2-f1f22-f12=π23α-1α2-11f1]]>、Q≈π23f2-1f11f12-1f22=π23α-α2α2-1f1.]]>
7.根據權利要求1或4所述基于復合左右手傳輸線的任意雙頻功分器制作方法，其特征在于，所述建立右手傳輸線步驟包括分支線長度為λg43α-1α2-1,]]>其中兩工作頻率點的比值為α，當1＜α＜3時，分支線長度大于四分之一波長，當α＞3時，分支線長度小于四分之一波長。
8.根據權利要求4所述基于復合左右手傳輸線的任意雙頻功分器制作方法，其特征在于，所述建立左手傳輸線步驟包括確定實現左手傳輸線的結構單元數N，所選N值必須確保滿足條件QNf1<π2.]]>
9.根據權利要求4所述基于復合左右手傳輸線的任意雙頻功分器制作方法，其特征在于，所述建立左手傳輸線步驟包括確定實現左手傳輸線的電容值CL和電感值LL為CL=N2πZ1Q]]>、LL=NZ12πQ.]]>
10.根據權利要求1或4所述基于復合左右手傳輸線的任意雙頻功分器制作方法，其特征在于，所述建立傳輸線相移值步驟包括根據結合負相移的復合左右手傳輸線相移曲線把f1、f2兩個頻點下傳輸線的相移分別設為-π/2和π/2，計算f1頻率下右手傳輸線和左手傳輸線的相移Pf1、Q/f1，得到頻移系數P、Q值為P≈π21f2-f1=π21α-11f1]]>、Q≈π2f1f2f2-f1=π2αα-1f1.]]>
11.根據權利要求1或4所述基于復合左右手傳輸線的任意雙頻功分器制作方法，其特征在于，所述建立右手傳輸線步驟包括分支線長度為 當2＜α＜3時，分支線長度小于四分之一波長，當1＜α＜2時，分支線長度大于四分之一波長。
12.根據權利要求3或4所述基于復合左右手傳輸線的任意雙頻功分器制作方法，其特征在于，所述建立右手傳輸線步驟包括第一分支線和第二分支線長度為 其中兩工作頻率點的比值為α，當1＜α＜3時，分支線長度小于四分之一波長。
13.根據權利要求3或4所述基于復合左右手傳輸線的任意雙頻功分器制作方法，其特征在于，所述建立隔離電路步驟包括隔離電路由隔離電阻R，隔離電容Cx和隔離電感Lx組成，其值分別為R＝2Z0、Cx=Bω1-Aω22ω2ω1-2ω1ω2]]>、Lx=2ω2ω1-2ω1ω2Bω1-Aω2]]>其中A=Z2-Z1p2Z2p(Z1+Z2),]]>B=Z2-Z1q2Z2q(Z1+Z2),]]>p＝tan(Pf1)，q＝tan(Q/f1)。
14.根據權利要求3或4所述基于復合左右手傳輸線的任意雙頻功分器制作方法，其特征在于，所述建立傳輸線相移值步驟、建立右手傳輸線步驟和建立左手傳輸線步驟包括右手傳輸線的特性阻抗Z2、相移Pf1和左手傳輸線的特性阻抗Z1和相移Q/f1分別為Z2=Z012ξ+14ξ2+2]]>、P=π1+α1f1]]>Z1=2Z02Z2]]>、Q=-π1+αf1]]>其中ξ＝(tan(Pf1))2或右手傳輸線特性阻抗Z1和左手傳輸線特性阻抗Z2的值互換為Z1=Z012ξ+14ξ2+2]]>、Z2=2Z02Z1]]>其中ξ＝(tan(Pf1))2。
全文摘要
本發明公開一種基于復合左右手傳輸線的任意雙頻Wilkinson功分器包括三個端口、四個右手傳輸線和兩個左手傳輸線及隔離電阻；方法包括獲取工作頻點頻率比、建立傳輸線相移值、建立端口傳輸線、建立右手傳輸線、建立左手傳輸線、建立隔離電路步驟。本發明制作的普通型任意雙頻Wilkinson功分器、基于復合左右手傳輸線和負相移技術的縮小型和雙節阻抗變換技術的緊湊型任意雙頻功分器，克服傳統功分器只能奇次倍頻工作的缺陷，分支線長度能夠縮短到小于(λ/4)α，滿足雙頻工作的同時結構緊湊。本發明功分器設計簡單，所需微波板材和元器件均易于獲得，便于加工。本發明提出的功分器在兩個工作頻點處均能很好的滿足功分器的性能要求。
文檔編號H04B7/02GK101083347SQ20061001204
公開日2007年12月5日 申請日期2006年5月31日 優先權日2006年5月31日
發明者劉慈香, 李芳 申請人:中國科學院電子學研究所