三频带威尔金森功率分配器

摘要

本发明公开了三频带威尔金森功率分配器，包括双频威尔金森功率分配器，所述双频威尔金森功率分配器的三个端口上分别安装有阻抗变换器，所述阻抗变换器用于实现三频威尔金森功率分配器的工作。本发明能实现三频威尔金森功率分配器的工作，具有成本低、结构简单等优点，可以在三个可控的频段下工作以满足现代无线通信的多频段工作要求。

说明书

技术领域

本发明涉及射频微波技术领域，尤其涉及一种三频带威尔金森功率分配器。

背景技术

威尔金森(Wilkinson)功率分配器是微波射频电路中一种重要的无源器件，具有功率分配或功率组合的功能，它被广泛地应用于平衡功率放大器、平衡混频器和天线阵列等射频电路中。随着通信技术的迅猛发展和通信行业竞争的加剧，对威尔金森功率分配器的性能也提出了新的要求。

传统的威尔金森功率分配器是利用四分之一波长传输线的阻抗变换特性来实现，只能工作在单一的频段及其奇次谐波处，传统的威尔金森功率分配器已经远远不能满足现代无线通信的双频、多频和宽带的要求。

而目前应用的双频的威尔金森功率分配器，主要是通过采用两节传输线阻抗变换器来实现功率分配器偶模激励时的端口匹配特性的，但是为了实现功率分配器奇模激励时的端口匹配特性，必须额外加入集总元件(如电阻、电感和电容)；而集总元件电感和电容的引入会带来电路不便加工和制作，以及高频工作时的寄生效应等缺点。最近几年Park提出了利用两节耦合线阻抗变换器的思路设计双频威尔金森功率分配器，这种设计的最大好处就是不需要在输出端口加入额外的电感和电容。

目前，三频带威尔金森功率分配器是利用三节传输线阻抗变换器实现的，其在结构中采用了三个集总元件(电阻)实现端口匹配和隔离特性，由三节传输线阻抗变换器和三个隔离电阻组成，三节传输线阻抗变换器可以实现功率分配器偶模激励时的端口匹配，但加入的三个隔离电阻不能严格保证奇模激励时的端口匹配，而且这3个电阻的值随着不同的工作频率而变化，给设计增加了难度，同时，多个电阻的引入也相应增加了寄生效应。

发明内容

本发明的目的在于克服传统威尔金森功率分配器只能工作在单一的频段及其奇次谐波处等缺点，提供三频带威尔金森功率分配器，本发明能实现三频带威尔金森功率分配器的工作，具有成本低、结构简单等优点，可以在三个可控的频段下工作以满足现代无线通信的多频段工作要求。

本发明目的是通过下述技术方案实现的，三频带威尔金森功率分配器，包括双频威尔金森功率分配器，所述双频威尔金森功率分配器的三个端口上分别安装有阻抗变换器，所述阻抗变换器用于实现三频威尔金森功率分配器的工作。

为更好的实现本发明，所述阻抗变换器由双频谐振器和传输线组成，所述双频威尔金森功率分配器通过传输线与双频谐振器连接。

所述双频威尔金森功率分配器通过传输线与双频谐振器连接，具体是指，所述传输线与双频谐振器并联，所述传输线的一端口与双频威尔金森功率分配器的端口连接，传输线的另一端口作为三频带威尔金森功率分配器的端口。

所述双频谐振器由开路枝节线和短路枝节线组成，其中在三频带威尔金森功率分配器输出端口的阻抗变换器中，所述开路枝节线和短路枝节线并联，短路枝节线与传输线并联；在三频带威尔金森功率分配器输入端口的阻抗变换器中，所述开路枝节线与传输线并联，短路枝节线与传输线并联。

所述阻抗变换器由阶梯阻抗谐振器和传输线组成，所述双频威尔金森功率分配器通过传输线与阶梯阻抗谐振器连接。

所述双频威尔金森功率分配器通过传输线与阶梯阻抗谐振器连接，具体是指，所述传输线与阶梯阻抗谐振器并联，所述传输线的一端口与双频威尔金森功率分配器的端口连接，传输线的另一端口作为三频带威尔金森功率分配器的端口。

所述阶梯阻抗谐振器由串联的第二传输线和开路枝节线组成，所述阶梯阻抗谐振器的第二传输线与传输线连接。

所述传输线的特征阻抗和双频威尔金森功率分配器的端口阻抗相同。

所述传输线为微带传输线。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、实现多频，降低成本：传统的威尔金森功率分配器只能工作在单一的频段及其奇次谐波处，而本发明通过在双频威尔金森功率分配器的端口加入阻抗变换器，使得功率分配器可以工作在三个可控的频段下，减少了多频通信系统中所需功率分配器的数目，从而减小了系统的电路尺寸，降低了生产成本。

2、结构简单：与现有的利用三节传输线阻抗变换器设计的三频带功率分配器相比，具有设计简单，不需要额外的集总元件(电感和电容)，工作频段外存在多个传输零点的优点。传统的利用三节传输线阻抗变换器设计的三频带功率分配器需要三个隔离电阻实现功率分配器奇模激励时端口匹配特性，而且这三个电阻的值随着工作频率变化而变化；本发明只需要一个隔离电阻，且电阻值不随工作频率变化。传统的利用三节传输线阻抗变换器的三频带功率分配器设计需要复杂的综合公式；而在本发明中，功率分配器设计所需的参数可以由解析式唯一确定，不需要额外的参数优化调整；由于功率分配器中采用了开路或则短路枝节线，因此本发明可以在功率分配器通带外引入传输零点，抑制不需要的信号，更适合于多频微波通信系统的应用。

附图说明

图1是本发明中三频带威尔金森功率分配器的结构示意图；

图2是本发明中阻抗变换器的结构示意图；

图3是实施例一中工作在1/2.55/3GHz三频带威尔金森功率分配器的PCB布版图；

图4是实施例一中三频带威尔金森功率分配器输入端回波损耗结果示意图；

图5是实施例一中三频带威尔金森功率分配器输出端回波损耗结果示意图；

图6是实施例一中三频带威尔金森功率分配器插入损耗结果示意图；

图7是实施例一中三频带威尔金森功率分配器输出的隔离度结果示意图；

图8是实施例二中三频带威尔金森功率分配器的PCB布版图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

本实施例一个工作在1/2.55/3GH三频带威尔金森功率分配器，其结构如图1所示，包括双频威尔金森功率分配器，所述双频威尔金森功率分配器的三个端口上分别安装有阻抗变换器，所述阻抗变换器用于实现三频带威尔金森功率分配器的输入端口匹配和输出端口隔离。

如图2所示，所述阻抗变换器由双频谐振器和传输线组成，所述双频威尔金森功率分配器通过传输线与双频谐振器连接。

如图3所示，两段传输线10的输入端接在一起，并在输出端之间接入一个隔离电阻11组成传统的单频威尔金森功率分配器，所述双频威尔金森功率分配器是通过在传统单频威尔金森功率分配器结构的端口加入两段开路枝节线12和两段开路枝节线13实现的。为了使得电路紧凑，尺寸小，实际设计时，将这些传输线10、开路枝节线12和开路枝节线13弯曲。三频带威尔金森功率分配器输出端口(端口2和端口3)所需的阻抗变换器由传输线16、开路枝节线14和短路枝节线15组成，所述传输线16的一端并联开路枝节线14，同时开路枝节线14和短路枝节线15并联。其中并联的开路枝节线14和短路枝节线15相当于输出端阻抗变换器中的双频谐振器部分，传输线16的一端连接所述的双频威尔金森功率分配器的输出端口，传输线16的另一端变成为所述三频带威尔金森功率分配器的输出端口2或输出端口3。三频带威尔金森功率分配器的输入端口1所需的阻抗变换器由传输线19、开路枝节线17和短路枝节线18组成，所述传输线19与开路枝节线17并联，所述传输线19与短路枝节线18并联，其中开路枝节线17和短路枝节线18相当于输入端阻抗变换器中的双频谐振器部分，传输线19的一端连接双频威尔金森功率分配器的输出端，传输线19的另一端变成为三频带威尔金森功率分配器的输入端口1。短路枝节线15和短路枝节线18的末端分别设有接地通孔20，微带线通过该接地通孔20与地板相连形成短路。同样为了减小电路尺寸，对开路枝节线17、开路枝节线14和短路枝节线18进行弯折。隔离电阻11的值确定为三频带威尔金森功率分配器端口阻抗值的2倍，传输线10的特征阻抗值为三频带威尔金森功率分配器端口阻抗值的1.85倍，开路分支线12的阻抗值为三频带威尔金森功率分配器端口阻抗值的2.62倍，开路分支线13的阻抗值为三频带威尔金森功率分配器端口阻抗值的2.62倍，开路分支线14的阻抗值为三频带威尔金森功率分配器端口阻抗值的1.46倍，短路分支线15的阻抗值为三频带威尔金森功率分配器端口阻抗值的1.03倍，传输线16的特征阻抗值和三频带威尔金森功率分配器端口阻抗值一样，传输线19的特征阻抗值和三频带威尔金森功率分配器端口阻抗值一样。工作在第一个频段和第二个频段的中心频率处时，传输线10、开路分支线12、开路分支线14、开路枝节线17、短路枝节线15和短路枝节线18的电长度均为90°，在第3个频段的中心频率处，传输线16的电长度为70.3°，传输线19的电长度为40.4°。

所述传输线16和传输线19均为微带传输线。

上述三频带威尔金森功率分配器输入端回波损耗结果示意图，如图4所示，其中实线是电磁仿真结果，虚线是电路仿真结果；图中可以清晰看到在1GHz、2.55GHz和3GHz这三个频率附近|S11|小于-20dB，其中|S11|表示端口1的反射系数的幅度。本实施例的三频带威尔金森功率分配器实现了在这3个频段下的输入端口匹配。

上述三频带威尔金森功率分配器输出端回波损耗结果示意图，如图5所示，其中实线是电磁仿真结果，虚线是电路仿真结果；图中可以清晰看到在1GHz、2.55GHz和3GHz这三个频率附近|S22|小于-20dB，其中|S22|表示端口2的反射系数的幅度。本实施例的三频带威尔金森功率分配器实现了功率分配器在这3个频段下的输出端口匹配。

上述三频带威尔金森功率分配器插入损耗结果示意图，如图6所示，其中实线是电磁仿真结果，虚线是电路仿真结果，(61)为直流处的一个传输零点，(62)为第一个工作频带和第二个工作频段之间的一个传输零点，(63)为第三个工作频段高阻带处的一个传输零点；图中可以清晰看到在1GHz、2.55GHz和3GHz这三个频率附近|S21|在-3dB左右，其中|S21|表示端口1到端口2的传输系数的幅度。本实施例的三频带威尔金森功率分配器实现了功率分配器在这3个频段下的等功率输出。见图中(61)、(62)和(63)这些传输零点，信号在这3个频率处，不能从输入端传输到输出端，通过这些传输零点可以抑制在这3个频率处不需要的信号。

上述三频带威尔金森功率分配器输出的隔离度结果示意图，如图7所示，其中实线是电磁仿真结果，虚线是电路仿真结果，图中可以清晰看到在1GHz、2.55GHz和3GHz这三个频率附近|S32|在-20dB左右，其中|S32|表示端口2到端口3的传输系数的幅度。本实施例的三频带威尔金森功率分配器实现了在这3个频段下的输出端口隔离。

实施例二

一种三频带威尔金森功率分配器，其结构如图8所示，包括双频威尔金森功率分配器，所述双频威尔金森功率分配器的三个端口上分别安装有阻抗变换器，所述阻抗变换器用于实现三频带威尔金森功率分配器的输入端口匹配和输出端口隔离。

所述阻抗变换器由阶梯阻抗谐振器(SIR，Step Impedance Resonator)和传输线组成，所述双频威尔金森功率分配器通过传输线与阶梯阻抗谐振器连接。

如图8所示，将两段传输线10的输入端接在一起，并在输出端之间接入一个隔离电阻11组成传统的单频威尔金森功率分配器。双频威尔金森功率分配器是通过在传统单频威尔金森功率分配器结构的端口加入两段开路枝节线12和两段开路枝节线13实现的。为了使得电路紧凑，尺寸小，实际设计时，将这些传输线10、开路枝节线12和开路枝节线13弯曲。所述的三频带威尔金森功率分配器输出端口(输出端口2和输出端口3)的阻抗变换器均由传输线16、第二传输线26和开路枝节线27组成，所述传输线16和第二传输线26并联，第二传输线26和开路枝节线27串联，其中第二传输线26和开路枝节线27构成了阶梯阻抗谐振器，传输线16的一端连接所述的双频威尔金森功率分配器的输出端口，传输线16的另一端口变成为三频带威尔金森功率分配器的输出端口2或输出端口3。三频带威尔金森功率分配器的输入端口1所需的阻抗变换器由传输线19、第二传输线29和开路枝节线30组成，所述传输线19和第二传输线29并联，第二传输线29和开路枝节线30串联，其中第二传输线29和开路枝节线30构成了阶梯阻抗谐振器，传输线19的一端连接所述的双频威尔金森功率分配器的输出端口，传输线19的另一端变成为所述三频带威尔金森功率分配器的输入端口1。为了减小电路尺寸，对第二传输线26、第二传输线29进行弯折。

所述传输线16的特征阻抗和双频威尔金森功率分配器的端口阻抗相同，传输线19的特征阻抗和双频威尔金森功率分配器的端口阻抗相同，所述传输线16和传输线19为均微带传输线。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。