CN101009396B - 定向耦合器及具有该定向耦合器的装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种定向耦合器及具有该定向耦合器的装置，所述定向耦合器包括：主信号线，由金属杆构成；耦合信号线，由印刷电路板上的微带线构成，该微带线呈曲线形状；所述金属杆与微带线之间为空气介质。本发明的定向耦合器与现有的定向耦合器相比，不仅传输损耗低，具有大的功率容量、高的方向性指标，还能保证较高的PIM指标，而且装配简单，各指标的一致性好，并能适应不同的应用环境。本发明的定向耦合器既保证了各种参数指标，又装配简单，保证了低成本。

Description

定向耦合器及具有该定向耦合器的装置

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其涉及用于通信领域的定向耦合器及具有该定向耦合器的装置。

背景技术

耦合器广泛应用在射频、微波系统中，进行信号功率分配合成、功率取样与检测、平衡式放大器、移相器、滤波器等。一个典型的耦合器实际就是在特定的频率范围内将输入信号分成功率成特定比例的两个输出信号的四端口网络，耦合器的种类非常多，各有其特点，其中包括在印刷电路板(PrintedCircuit Board，简写为PCB)上实现的耦合线定向耦合器。图1为现有技术中的耦合线定向耦合器的基本结构。如图1所示，主信号线上有两个端口：端口一和端口三，耦合信号线也有两个端口：端口二和端口四。当从端口一输入信号到主信号线时，由于电磁感应现象，耦合信号线上会产生耦合信号，从端口二和端口四输出。

定向耦合器中的弱耦合器(耦合度30dB左右)通常用于功率放大器(PA)与天馈系统间的大功率信号电平检测。所谓定向，是指耦合信号中，端口二的信号比端口四的信号强。如果已经知道弱耦合器的耦合度，只需检测端口二的输出信号功率电平，就可简单计算出端口一的输入信号电平。端口四是隔离端，输出的是无用的信号，接匹配吸收负载到地。

高定向弱耦合器(或称高方向性弱耦合器)在无线接入系统中，主要应用于天馈系统的功率检测和驻波检测电路。图2为现有技术中高方向性耦合器应用于天馈驻波检测的电路框图。其检测原理是用正向耦合器及正向功率检测电路检测正向功率，用反向耦合器及反向功率检测电路检测反向功率，再求出正向功率与反向功率之差，就是回波损耗，再用公式换算成天馈系统的驻波。为了提高天馈系统的驻波检测精度，防止误报警，需要尽可能提高反向耦合器的方向性，一般至少需要达到28dB，由于其理论上的推导属于公知技术，在此不作详述。

为了实现弱耦合器的高方向性，一般要求主信号线和耦合信号线都处于同一种介质中，且介电常数和磁渗透率各向同性。

如果不在同一种介质中，则奇模相速和偶模相速不等(或者换一种说法是互感和互容比例失调)，使方向性降低，在这种情况下，各厂商会采用变形的结构，使奇模相速和偶模相速相等，从而提高方向性。下面简单介绍现有技术中的定向耦合器。

现有技术一：空气介质金属杆耦合器(见图3)。空气介质是一种电磁特性均匀的介质，这种杆状耦合器的主信号线和耦合信号线都处于均匀介质中，具有天然的高方向性。如图3所示，两根金属杆中的其中一根直杆是主信号线，U形杆焊接在PCB上，是耦合信号线。

对于上述空气介质金属杆耦合器，由于两根金属杆的相对位置受到装配精度的影响，进而影响耦合器的耦合度和方向性指标，因此导致装配好的耦合器，其方向性指标一致性不好，需要外接调整元件。

现有技术二：悬空金属丝跳线耦合器(见图4a)。如图4a所示，其主信号线和耦合信号线均由带状线(杆状的带状线)构成，带状线也是近似处于均匀的空气介质中，具有天然的高方向性。

还有一种改进型的悬空金属丝跳线耦合器(如图4b)，其是采用通孔直插的金属膜电阻器来代替悬空金属丝，电阻器本体正好当做耦合器的匹配负载。

无论是图4a中的悬空金属丝跳线耦合器还是图4b所示的改进型悬空金属丝跳线耦合器，与现有技术一相比，虽然方向性指标会稍好一点，但仍然受到装配精度累积误差的影响，方向性指标的一致性不好。要得到方向性指标一致性好的耦合器，则需要较高的成本。

现有技术三：微带线定向耦合器。常规的微带线定向耦合器，主信号线和耦合信号线均由微带线构成，耦合器处于不均匀介质中，方向性指标不好，为了改善方向性指标，使奇模相速和偶模相速相等，耦合信号线采用锯齿形或墙垛形，如图5所示。微带线定向耦合器的功率容量要远低于现有技术一和现有技术二对应的定向耦合器。另外，由于焊点多，该种耦合器的主信号线的PIM(无源交调)指标不好。

现有技术四：目前还出现了一种图7所示的定向耦合器，主信号线由金属杆构成，耦合信号线由PCB上的微带线构成，微带线处于不均匀介质中，并且是常规的直线。图7所示的定向耦合器结构，具有装配简单、一致性好的优点，但这种耦合器方向性指标不好，大约在15dB或更差。所以这种耦合器仅用于功率检测电路，不能用于驻波检测电路。

为了后面更好的理解本发明，这里先简单解释奇模电磁波和偶模电磁波(本文分别简称为奇模和偶模)：

如图6所示为现有的一个典型的金属杆耦合器结构截面图，从上到下分别是回流地平面、主信号线、耦合信号线、回流地平面，且两个地平面之间是空气介质。奇模主要存在于主信号线与耦合信号线之间，而偶模则存在于两个回流地平面之间的整个腔体。

无论是奇模还是偶模，其相速取决于模式在什么性质的介质内部传播。众所周知，电磁波在空气中传播速度等于光速，所以图6中的奇模相速等于光速，偶模相速也等于光速。

但图7情况不一样了，图7中耦合信号线是PCB上的微带线，奇模仍然存在于空气介质中，所以奇模相速仍近似等于光速，但偶模有一部分存在于PCB的介质中，这一部分电磁波传播速度慢，拖慢了整个系统的偶模相速，变慢的程度取决于两个地平面之间的所有介质的等效介电常数的值。

由于奇模相速快，偶模相速较慢，所以耦合器的方向性指标较差。并且这种耦合器的结构决定了偶模相速不能加快。

综上所述，现有技术中的各种定向耦合器难以同时满足方向性指标、方向性指标的一致性、PIM指标、功率容量等参数指标，并且现有技术中要提高现有定向耦合器的某一或几项参数指标，往往需要很高的精度和成本，因此现有的各种定向耦合器尚无法有效改善各种参数指标并降低成本。

发明内容

针对现有的定向耦合器存在的缺点，本发明的目的在于提供一种定向耦合器及具有该定向耦合器的装置，以保证定向耦合器的性能指标。

一种定向耦合器包括：

主信号线，由金属杆构成；

耦合信号线，由印刷电路板上的微带线构成，该微带线呈曲线形状；

所述金属杆与微带线之间为空气介质。

一种具有定向耦合器的装置，该定向耦合器包括：

主信号线，由金属杆构成；

耦合信号线，由印刷电路板上的微带线构成，该微带线呈曲线形状；

所述金属杆与微带线之间为空气介质。

上述的定向耦合器与现有的定向耦合器相比，不仅传输损耗低，具有大的功率容量、高的方向性指标，还能保证较高的PIM指标，而且装配简单，各指标的一致性好，并能适应不同的应用环境。上述定向耦合器既保证了各种参数指标，又装配简单，保证了低成本。

附图说明

图1为现有技术中耦合器的基本结构示意图；

图2为现有技术中高方向性耦合器应用于天馈驻波检测的电路框图；

图3为现有技术一中空气介质金属杆耦合器的结构示意图；

图4a为现有技术二中悬空金属丝跳线耦合器的结构示意图；

图4b为现有技术二中改进型的悬空金属丝跳线耦合器的结构示意图；

图5为现有技术三中微带线定向耦合器的结构示意图；

图6为现有技术中一个典型的均匀介质中金属杆耦合器结构截面示意图；

图7为现有技术四中定向耦合器的结构截面示意图；

图8为本发明的定向耦合器的原理示意图；

图9为本发明实施例中的定向耦合器结构图；

图10为本发明实施例中一未显示腔体的定向耦合器的立体示意图；

图11为本发明另一实施例中显示有腔体和窗口的定向耦合器的立体示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。

由于现有技术四中的定向耦合器的偶模相速不能加快，本发明通过使奇模相速变慢来实现奇模相速与偶模相速的近似一致，从而提高耦合器的方向性指标。

图8为本发明的定向耦合器的原理示意图。如图8所示，本发明将耦合微带线变成曲线(如折线或平滑曲线)，使奇模运动的路径不得不沿着弯折微带线运动，这样，虽然奇模相速仍然是光速，但走了弯路，相当于在沿着主信号线方向的奇模相速变慢了。

通过调整曲线(如折线或平滑曲线)的几何尺寸，可使主信号线方向的奇模相速与偶模相速近似相等，这样就提高了耦合器的方向性指标。

图9为本发明一实施例中定向耦合器的结构示意图。其中(a)、(b)、(c)、(d)分别为定向耦合器的正视、侧视、顶视及立体图，为清楚显示定向耦合器的微带线部分，在正视和顶视图中，没有显示出耦合器的腔体，而仅在侧视和立体图中，示意出了腔体，如侧视图中的地平面(金属杆回流)。图10为本发明实施例中一未显示腔体的耦合器的立体示意图。如图9及图10所示，本实施例中的定向耦合器，包括主信号线和耦合信号线。

其中，所述主信号线(或称主信号杆)由位于腔体内的金属杆构成，该金属杆周围为空气介质，且腔体内壁接地(提供电子屏蔽，以抗干扰辐射等)。

金属杆和腔体可以同轴，也可以不同轴。金属杆、腔体内壁及空气介质三者构成了基本的大功率传输线结构。本发明中，所述腔体的内壁和腔体的外部可呈圆柱形，也可以呈方形等其它形状，金属杆不限于圆柱形，可以是椭圆柱、棱柱等各种形状。金属杆和接地内壁组成的腔体结构保证了耦合器的大功率容量及低的传输损耗。另外由于本发明的主信号杆上无焊点，PCB离主信号杆较远，PCB中的有机介质几乎不影响主信号杆的PIM指标，所以能保证较高的PIM指标。

所述耦合信号线由印刷电路板(PCB)上的微带线构成，该微带线的参考平面(即回流地平面)接地。耦合信号线是微带线，使得装配简单，并保证了很高的图形加工精度和安装精度，使装配的一致性好，从而参数指标的一致性也很好。

现有技术四中，微带线处于不均匀的有机介质中，导致耦合器的方向性指标不好。为了解决这样的问题，本实施例中的微带线设置成弯折的状态(如可呈折形、平滑曲线、蛇形等曲线形状，但并不限于此。众所周知，在同样的长度要求下，90度弯折的耦合信号线所需面积最小)，并可通过调整折线或平滑曲线的宽度、间距、长度等图形参数，使奇模和偶模相速约略一致，或者说使互感成份与互容成份比例适当，以实现较好的方向性指标。

本实施例中，所述金属杆与微带线所在平面平行且不共面，金属杆与微带线的长度方向相平行或大致平行，微带线的整个折线或平滑曲线区域(或者，每段折线或平滑曲线)，都与金属杆存在电磁耦合关系。优选地，本实施例中，主信号杆位于耦合信号线的中间正对位置(如图10中，主信号杆在耦合信号线的正上方)，此时耦合器能够获得较好的性能(或性价比)，但本发明并不限于此，当稍偏离正对位置，如耦合信号线横向偏一点，也不会太明显地影响指标。

本实施例中，耦合器中的所有微带折线(或平滑曲线)都具有相同的形状，这样可以获得较小的面积，但本发明并不限于此。

所述主信号线的腔体壁上在对应于耦合信号线的方向开有窗口，该窗口可作为主信号线和耦合信号线间的耦合路径。图9中，所述窗口很大，与腔体尺寸一致，并不明显，所示的微带线，看起来就在腔体内，图11所示的耦合器示意图就有一个很明显的窗口。

由上述可见，由于本发明主信号线是金属杆结构，保证了此耦合器能传输大功率信号，插入损耗低，因为没有焊点，所在PIM指标也非常好。本发明的耦合器的耦合线仍然采用金属杆，以保证PIM指标和功率容量；而耦合线则采用PCB上的微带线，以保证装配简单、位置精确度高，从而保证指标一致性好。目前，由于印刷电路的技术已经非常成熟，常规情况下的图形精度可以达到0.03mm，远高于装配误差，因此PCB图形的高精度可以避免现有技术一和现有技术二中耦合杆焊接、装配时的累计装配误差，因此保证各指标的一致性好。

本实施例中该微带线呈弯折状态的设置使奇模相速和偶模相速一致，从而提高了耦合器的方向性指标。本发明可实现的耦合器的一个附加的优点是：现有技术中的定向耦合器一般都是窄长型，而本发明中微带线的弯折设置使耦合器的长度大大缩短，有利于在微波设备中布局(如可大大减小占用面积)，尤其是在PCB上。一般情况下，电长度等于四分之一波长，耦合度随频率变化不明显，而电长度小于或大于四分之一波长，则会导致耦合度随频率变化明显，耦合度有斜率，在带内波动不平坦，所以电长度等于四分之一波长的耦合器，是窄带耦合器。本发明的耦合线电长度可以做到等于四分之一波长，可以在物理长度较短(如可以是十分之一波长)的区域内实现四分之一波长的电长度(物理长度相当于金属杆的长度，而电长度相当于微带线折线总长度)，在耦合线电长度等于四分之一波长时，耦合度随频率变化极小，即使是较低的频率，也可以在较短的耦合区内实现耦合度的平坦性。

本实施例中的各参数指标都有余量，因此在设计时会有较大的自由度，以适应不同的应用环境。就目前的产品板测试指标来看，方向性指标都可以达到30dB以上，最好的可以达到40dB，远高于一般的产品需求指标(28dB)。

上述定向耦合器可设置于射频或微波系统的接收或发射装置中，以用于天馈系统的功率检测和驻波检测电路等。

综上所述，本发明改进了现有的高方向性定向性大功率弱耦合器的三维结构，从而使新的耦合器的结构简单、成本低、装配顺利、方向性指标好、指标一致性好、PIM指标好、功率容量大而且传输损耗低。

以上具体实施方式仅用于说明本发明，而非用于限定本发明。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种定向耦合器，其特征在于包括：

主信号线，由金属杆构成；

耦合信号线，由印刷电路板上的微带线构成，该微带线呈曲线形状，该微带线处于不均匀的介质之中；

所述金属杆与微带线之间为空气介质；

所述金属杆与微带线所在平面平行且不共面，所述金属杆与微带线的长度方向相平行；

所述主信号线位于耦合信号线的中间正对位置。

2.根据权利要求1所述的定向耦合器，其特征在于：

所述曲线形状包括：折线形或平滑曲线形。

3.根据权利要求1所述的定向耦合器，其特征在于：进一步包括设置在金属杆周围的腔体，所述腔体上开有窗口，作为主信号线和耦合信号线间的耦合路径。

4.根据权利要求3所述的定向耦合器，其特征在于：

所述窗口位于腔体上对应于耦合信号线的方向。

5.一种具有定向耦合器的装置，其特征在于该定向耦合器包括：

主信号线，由金属杆构成；

耦合信号线，由印刷电路板上的微带线构成，该微带线呈曲线形状，该微带线处于不均匀的介质之中；

所述金属杆与微带线之间为空气介质；

所述金属杆与微带线所在平面平行且不共面，所述金属杆与微带线的长度方向相平行；

所述主信号线设于耦合信号线的中间正对位置。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：

所述曲线形状包括：折线形或平滑曲线形。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：进一步包括设置在金属杆周围的腔体，所述腔体上开有窗口，作为主信号线和耦合信号线间的耦合路径。

8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：

所述装置为射频或微波系统的接收或发射装置。

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