一种可端接复数阻抗的新型Wilkinson功率分配器

技术领域

本发明属于微波传输技术领域，具体涉及一种可端接复数阻抗的新型Wilkinson功率分配器。

背景技术

Wilkinson功率分配器是一种将一路射频信号等分为幅度相同、相位一致的N路射频信号的无源电路。由于其结构简单，设计复杂度低，工艺实现难度小，因此被广泛应用于功率放大器、混频器、倍频器等一系列射频与微波电路之中。在电路前级，利用Wilkinson功率分配器将一路信号等分为多路信号，这些信号经过中间级放大器放大后，在电路输出级再利用Wilkinson功率分配器进行合成，可以有效提高电路的输出功率。

传统的Wilkinson功率分配器由两根1/4波长阻抗变换微带线和隔离电阻组成。由于Wilkinson功率分配器中的隔离电阻在高频时的尺寸较小，因此连接隔离电阻的两根1/4波长微带线之间的间隔不能过大，即功率分配器输出端的间距不能过大。然而，当功率分配器用于功率放大器电路中时，由于输出端一般都需要连接晶体管，因此必须保证功率分配器的输出端有一定的间距，而传统的Wilkinson功率分配器输出端口的间距必须较小以适应隔离电阻的尺寸，这就使得传统的Wilkinson适用性大大降低。其次，传统的Wilkinson功率分配器的输入、输出端口特征阻抗均为相同的实数阻抗，对应的1/4波长阻抗变换微带线的电长度为90°，因此其仅仅可以用于功率分配或合成，而不能对输入、输出端口的复数阻抗进行阻抗变换。所以当功率分配器直接连接功放晶体管时，可能会由于阻抗失配而造成放大器的性能下降。请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种现有技术的功率分配器的结构示意图，申请号201310157862.0公开了一种新型的双频Wilkinson功率分配器。该Wilkinson功率分配器的两个输出端口远离隔离电阻，位于功率分配器的中间位置，而不是像传统结构一样输出端口直接连接隔离电阻。有效地解决了传统结构的Wilkinson功率分配器输出端口间隔过小导致在连接晶体管时出现的间距问题。

在文献[Li J,Liu Y,Li S,et al.A novel multi-way power divider designwith arbitrary complex terminated impedances[J].Progress in ElectromagneticsResearch B,2013,53(53):315-331.]中，作者提出了一种改进型的Wilkinson功率分配器。通过设计特殊的阻抗变换微带线以及隔离电阻，使得功率分配器的输入、输出端可以直接连接复数阻抗，且不会造成端口的阻抗失配。但是，该功率分配器没有能解决传统功率分配器的输出端微带线间距过小的问题，因此该功率分配器仍然存在一定的缺陷。

但是上述技术方案，该功率分配器的输入、输出端口仍然只能连接实数阻抗，不具备进行复数阻抗变换的功能。因此，如何处理传统Wilkinson功率分配器输出端口间距过小的问题，同时可以使其具有复数阻抗变换的功能，成为目前研究的热点问题。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种可端接复数阻抗的新型Wilkinson功率分配器。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明实施例提供了一种可端接复数阻抗的新型Wilkinson功率分配器，包括第一微带线TL1、第二微带线TL2、第三微带线TL3、第四微带线TL4、输入端P1、第一输出端P2、第二输出端P3以及隔离电路100,其中，

所述第一微带线TL1串接于所述输入端P1和所述第一输出端P2之间；所述第二微带线TL2串接于所述输入端P1和所述第二输出端P3之间；所述第三微带线TL3、所述隔离电路100、所述第四微带线TL4依次串接于所述第一输出端P2和所述第二输出端P3之间。

在本发明的一个实施例中，所述隔离电路100包括：第一电阻R1和电容C，所述第一电阻R1和所述电容C串联。

在本发明的一个实施例中，所述隔离电路100包括：第二电阻R2和电感L，所述第二电阻R2和所述电感L串联。

在本发明的一个实施例中，所述第一微带线TL1与所述第二微带线TL2的长度相同，且所述第一微带线TL1与所述第二微带线TL2的宽度相同。

在本发明的一个实施例中，所述第三微带线TL3和所述第四微带线TL4的长度相同，且所述第三微带线TL3和所述第四微带线TL4的宽度相同。

在本发明的一个实施例中，所述第一微带线TL1、所述第二微带线TL2、所述第三微带线TL3、所述第四微带线TL4的特征阻抗、所述第一微带线TL1、所述第二微带线TL2、所述第三微带线TL3、所述第四微带线TL4的电长度、所述隔离电路100的等效阻抗满足：

其中，Z₁为所述第一微带线TL1和所述第二微带线TL2的特征阻抗，Z₂为所述第三微带线TL3和所述第四微带线TL4的特征阻抗，θ₁为所述第一微带线TL1和所述第二微带线TL2的电长度，θ₂为所述第三微带线TL3和所述第四微带线TL4的电长度，R_L为所述第一输出端P2和所述第二输出端P3的复数阻抗实部值，R_s为所述输入端P1的复数阻抗实部值，R为所述隔离电阻的复数阻抗实部值的1/2，X_L为所述第一输出端P2和所述第二输出端P3的复数阻抗虚部值，X_s为所述输入端P1的复数阻抗虚部值，X为所述隔离电阻的复数阻抗虚部值的1/2。

在本发明的一个实施例中，所述可端接复数阻抗的新型Wilkinson功率分配器为3-dB结构。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、本发明的Wilkinson功率分配器可以实现复数阻抗的变换，功率分配与合成电路设计简单、功耗低。

2、输出端口没有直接与隔离电路相连，避免了由于隔离电路尺寸过小而导致输出端口相距过近的缺点，从而使输出端可以与其他电路直接相连；

3、仅仅需要微带线和电阻、电容以及电感，不需要其他特殊的器件，就可以完成电路设计，工艺实现难度低。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种现有技术的功率分配器的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种可端接复数阻抗的新型Wilkinson功率分配器的电路结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种可端接复数阻抗的新型Wilkinson功率分配器的电路原理示意图；

图4为本发明实施例提供的一种可端接复数阻抗的新型Wilkinson功率分配器的偶模分析原理示意图；

图5为本发明实施例提供的一种可端接复数阻抗的新型Wilkinson功率分配器的奇模分析原理示意图；

图6为本发明实施例提供的一种可端接复数阻抗的新型Wilkinson功率分配器隔离电路的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的另一种可端接复数阻抗的新型Wilkinson功率分配器隔离电路的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的一种可端接复数阻抗的新型Wilkinson功率分配器的版图结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

请参见图2，图2为本发明实施例提供的一种可端接复数阻抗的新型Wilkinson功率分配器的电路结构示意图，所述功率分配器包括第一微带线TL1、第二微带线TL2、第三微带线TL3、第四微带线TL4、输入端P1、第一输出端P2、第二输出端P3以及隔离电路100，其中，

所述第一微带线TL1串接于所述输入端P1和所述第一输出端P2之间；所述第二微带线TL2串接于所述输入端P1和所述第二输出端P3之间；所述第三微带线TL3、所述隔离电路100、所述第四微带线TL4依次串接于所述第一输出端P2和所述第二输出端P3之间。

本发明实施例的有益效果如下：

1、本发明的Wilkinson功率分配器可以实现复数阻抗的变换，功率分配与合成电路设计简单、功耗低；

2、输出端口没有直接与隔离电路相连，避免了由于隔离电路尺寸过小而导致输出端口相距过近的缺点，从而使输出端可以与其他电路直接相连。

实施例二

请参见图3，图3为本发明实施例提供的一种可端接复数阻抗的新型Wilkinson功率分配器的电路原理示意图。本实施例在上述实施例的基础上，本实施例包括实施例一的全部内容，重点对Wilkinson功率分配器的设计方法以及具体结构进行详细描述。

在理想的无损耗情况下，设本发明实施例的功率分配器所述输入端P1连接的阻抗为Z_S，Z_S的值满足公式Z_S＝R_S+jX_S；所述第一输出端P2和所述第二输出端P3连接的阻抗为均为Z_L，Z_L的值满足公式Z_L＝R_L+jX_L；所述第一微带线TL1和所述第二微带线TL2的特征阻抗均为Z₁、电长度均为θ₁；所述第三微带线TL3和所述第四微带线TL4的特征阻抗均为Z₂、电长度均为θ₂；隔离电路的阻抗为2Z，其中，Z的值满足公式Z＝R+jX。

理想的可端接复数阻抗的Wilkinson功率分配器应该满足所有端口均匹配，且输出端口隔离度良好。请参见图4，图4为本发明实施例提供的一种可端接复数阻抗的新型Wilkinson功率分配器的偶模分析原理示意图。本分析是在不考虑外界干扰的状态下进行的。

从图中P点向所述第一微带线TL1的方向看去的等效阻抗Z_A为:

由于所述第三微带线TL3下端连接的所述隔离电路为开路状态，因此从图中P点向所述第三微带线TL3的方向看去的等效阻抗Z_B为：

由共轭匹配理论可以得到如下公式：

最终化简得到的公式为：

请参见图5，图5为本发明实施例提供的一种可端接复数阻抗的新型Wilkinson功率分配器的奇模分析原理示意图。本分析是在不考虑外界干扰的状态下进行的。

从图中Q点向所述第一微带线TL1的方向看去的等效阻抗Z_C为：

从图中Q点向所述第三微带线TL3的方向看去的等效阻抗Z_D为：

由共轭匹配理论可以得到如下公式：

最终化简得到的公式为：

联合偶模分析化简得到的公式，可以总结为以下设计公式：

其中，Z₁为所述第一微带线TL1和所述第二微带线TL2的特征阻抗，Z₂为所述第三微带线TL3和所述第四微带线TL4的特征阻抗，θ₁为所述第一微带线TL1和所述第二微带线TL2的电长度，θ₂为所述第三微带线TL3和所述第四微带线TL4的电长度，R_L为所述第一输出端P2和所述第二输出端P3的复数阻抗实部值，R_s为所述输入端P1的复数阻抗实部值，R为所述隔离电阻的复数阻抗实部值的1/2，X_L为所述第一输出端P2和所述第二输出端P3的复数阻抗虚部值，X_s为所述输入端P1的复数阻抗虚部值，X为所述隔离电阻的复数阻抗虚部值的1/2。

由上述公式，可以求解出本发明实施例提出的功率分配器中各微带线的特征阻抗与电长度，以及隔离电路的等效阻抗。在已知所述输入端P1连接的阻抗Z_S和所述第一输出端P2连接的阻抗Z_L的情况下，借助微波射频仿真软件，依照上述设计公式可以求解出特定频率下各微带线的物理长度与宽度，以及隔离电阻中电阻、电容或电感的具体值。

优选地，本发明实施例的功率分配器为3-dB结构。

优选地，所述第一微带线TL1与所述第二微带线TL2的长度相同，且所述第一微带线TL1与所述第二微带线TL2的宽度相同。所述第三微带线TL3和所述第四微带线TL4的长度相同，且所述第三微带线TL3和所述第四微带线TL4的宽度相同。

优选地，请参见图6和图7，图6为本发明实施例提供的一种可端接复数阻抗的新型Wilkinson功率分配器隔离电路的结构示意图，图7为本发明实施例提供的另一种可端接复数阻抗的新型Wilkinson功率分配器隔离电路的结构示意图。图6中所述隔离电路100由第一电阻R1、电容C串联网络组成，图7中所述隔离电阻100由第二电阻R2、电感L串联网络组成。这两种不同组成的隔离电路的作用都是相等的，都是用来隔离输出端之间的信号，使得输出端之间不会相互影响。

本发明实施例的有益效果为：

1.在保证传统的Wilkinson功率分配器具有的功率分配与合成功能的基础上，具备复数阻抗变换的功能，可以简化功率分配与合成电路的设计。

2.输出端口没有直接与隔离电路相连，避免了由于隔离电路尺寸过小而导致输出端口相距过近的缺点，从而使输出端可以与其他电路直接相连。

3.只需要微带线和电阻、电容以及电感，不需要额外器件，就可以完成电路设计，工艺实现难度低。

实施例三

本实施例是在上述实施例的基础上，结合具体的电路设计案例对本发明的效果做进一步的说明。

请参见图8，图8为本发明实施例提供的一种可端接复数阻抗的新型Wilkinson功率分配器的版图结构示意图。利用0.25μm GaAs pHEMT工艺制程，设计了一个中心频率为31GHz的可端接复数阻抗的新型Wilkinson功率分配器，所述功率分配器为3-dB结构,所述输入端口P1连接的阻抗Z_S＝55-j×40Ω，所述第一输出端P2连接的阻抗Z_L＝60-j×30Ω。根据这些已知条件，结合上述设计公式，求解出所述第一微带线TL1与所述第二微带线TL2的长度均为943μm、宽度均为27.37μm，所述第三微带线TL3和所述第四微带线TL4的长度均为184.3μm、宽度均为50.8μm，所述隔离电路100由第一电阻R1和电感L串联网络组成，电阻值为34.45Ω，电感值为0.208nH。本实施例的电路设计方案中功率分配器的版图尺寸为1.188mm×0.911mm。其中，所述第一微带线TL1由第五微带线TL11和第六微带线TL12两条微带线组成，所述第二微带线TL2由第七微带线TL21和第八微带线TL22两条微带线组成。所述第一微带线TL1和所述第二微带线TL2的形状在保持长度和宽度不变的情况下，第五微带线TL11、第六微带线TL12、第七微带线TL21、第八微带线TL22可以任意调整。

根据参数仿真结果表明，在31GHz的频率下，所述输入端P1、所述第一输出端P2、所述第二输出端P3的反射系数值都小于-20dB，即本发明实施例的功率分配器所述输入端P1、所述第一输出端P2、所述第二输出端P3在连接复数阻抗时，具有良好的匹配性能；所述第一输出端P2和所述第二输出端P3之间的隔离度均小于-20dB，表明本发明的功率分配器的输出端之间的隔离度较好；信号从所述输入端P1分别传输到所述第一输出端P2和所述第二输出端P3的传输系数均大于-3.2dB，这表明本发明的功率分配器的输入、输出端之间的损耗小于0.2dB，即功率分配器的损耗非常小。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。