专利名称：三频带威尔金森功率分配器的制作方法
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。
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--中三Ξ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--中三Ξ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--中三Ξ频带威尔金森功率分配器插入损耗结果示意图7是实施例--中三Ξ频带威尔金森功率分配器输出的隔离度结果示意图8是实施例二二中三Ξ频带威尔金森功率分配器的PCB布版图。
具体实施例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lGHz、2. 55GHz和3GHz这三个频率附近ISllI小于-20dB，其中ISllI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lGHz、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lGHz、2. 55GHz和3GHz这三个频率附近|S211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IGHz、2. 55GHz和3GHz这三 个频率附近|S32|在-20dB左右，其中I S32 I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。
权利要求
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，其特征在于，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。
2.根据权利要求1所述三频带威尔金森功率分配器，其特征在于，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。
3.根据权利要求2所述三频带威尔金森功率分配器，其特征在于，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。
4.根据权利要求2所述三频带威尔金森功率分配器，其特征在于，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。
5.根据权利要求1所述三频带威尔金森功率分配器，其特征在于，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。
6.根据权利要求1所述三频带威尔金森功率分配器，其特征在于，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。
7.根据权利要求5所述三频带威尔金森功率分配器，其特征在于，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。
8.根据权利要求2或5所述三频带威尔金森功率分配器，其特征在于，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。
9.根据权利要求2或5所述三频带威尔金森功率分配器，其特征在于，所述传输线为微 带传输线。
全文摘要
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。
文档编号H01P5/16GK101976754SQ20101052990
公开日2011年2月16日 申请日期2010年10月29日 优先权日2010年10月29日
发明者林峰, 褚庆昕 申请人:华南理工大学