CN102509842A - 定向耦合器 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种定向耦合器，属于电子电路技术领域，能够满足当今电子设备小型化的需求。该定向耦合器，包括主信号线、耦合信号线、隔离输出线和耦合输出线，隔离输出线和耦合输出线分别连接于耦合信号线的两端，耦合信号线包括相连的主耦合线和次耦合线，其中主耦合线用于产生主耦合信号；次耦合线用于产生抵消信号，抵消信号与主耦合线上产生的次耦合信号相抵消。本发明应用于改进定向耦合器的设计尺寸。

Description

定向耦合器
技术领域
本发明属于电子电路技术领域，具体涉及一种定向耦合器。
背景技术
定向耦合器由主信号线和耦合信号线组成，用于功率分配、功率合成、功率检测等。当主信号线上有确定方向的交流信号传播时，由于主信号线与耦合信号线之间的寄生电容和寄生电感的作用，耦合信号线上也会有确定方向的交流信号。
定向耦合器两个重要的性能指标是方向性和耦合度。目前有如图1所示的锯齿形耦合器，和如图2所示的梳状耦合器，使耦合信号线上产生很强主耦合信号，同时耦合信号线所产生的次耦合信号很弱，提高耦合器的方向性；并且在较大的带宽范围内，能够保持稳定的耦合度。
本发明人在实现本发明的过程中发现，现有技术至少存在以下问题：上述两种耦合器，以及其他现有的耦合器，其长度大约等于耦合信号的1/4波长或1/4波长的整数倍，难以满足当今电子设备小型化的需求。
发明内容
本发明实施例提供了一种结构小巧的定向耦合器，能够满足当今电子设备小型化的需求。
为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
该定向耦合器，包括主信号线、耦合信号线、隔离输出线和耦合输出线，所述隔离输出线和所述耦合输出线分别连接于所述耦合信号线的两端，所述耦合信号线包括相连的主耦合线和次耦合线，其中
所述主耦合线用于产生主耦合信号；
所述次耦合线用于产生抵消信号，所述抵消信号与所述主耦合线上产生的次耦合信号相抵消。
与现有技术相比，本发明所提供的上述技术方案具有如下优点：当主信号线上有交流信号通过时，由于主耦合线与主信号线之间的互电感作用，产生一个强度较大的耦合信号，并将该耦合信号的传播方向定义为正向；同时由于主耦合线与主信号线之间的互电容作用，产生一个正向和一个反向的强度较弱的耦合信号；其中，两个正向的耦合信号合成主耦合线上的正向信号，即主耦合信号，反向的耦合信号为主耦合线上的反向信号，即次耦合信号。同样的，次耦合线上也会产生由两个正向的耦合信号合成的正向信号，以及一个反向信号。本发明将主耦合线和次耦合线设置不同的长度和宽度，和/或将主耦合线和次耦合线与主信号线之间设置的不同间距，使次耦合线上的正向信号作为抵消信号，与主耦合线上的反向信号相抵消，则耦合信号线整体上只剩下主耦合线上的正向信号，和次耦合线上的反向信号。在主耦合线上，正向信号的强度比反向信号大几分贝(dB)至几十dB；次耦合线上，正向信号的强度也比反向信号大几dB至几十dB，所以耦合信号线上最终的正向信号与反向信号相差的倍数，是上述两个倍数的乘积，从而实现了定向耦合器的高方向性。
综上所述，本发明通过将主耦合线和次耦合线设置不同的长度和宽度，和/或将主耦合线和次耦合线与主信号线之间设置的不同间距，获得了具有高方向性的定向耦合器，而无需将定向耦合器的长度设置为耦合信号的1/4波长或1/4波长的整数倍，并且远远小于耦合信号的1/4波长，从而能够满足当今电子设备小型化的需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有的锯齿形耦合器的结构示意图；
图2为现有的梳状耦合器的结构示意图；
图3为本发明的实施例1所提供的定向耦合器的结构示意图；
图4为本发明的实施例2所提供的定向耦合器的结构示意图；
图5为本发明的实施例3所提供的定向耦合器的结构示意图；
图6为本发明的实施例4所提供的定向耦合器的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
如图3所示，本发明实施例提供的定向耦合器为微带定向耦合器，包括主信号线1、耦合信号线2、隔离输出线3和耦合输出线4，耦合信号线2包括相连的主耦合线21和次耦合线22，其中耦合输出线4与主耦合线21相连，隔离输出线3与次耦合线22相连；主耦合线21用于产生主耦合信号；次耦合线22用于产生抵消信号，还用于匹配主耦合线21与隔离输出线3的阻抗，所述抵消信号与主耦合线21上产生的次耦合信号相抵消。
当主信号线1上有交流信号通过时，由于主耦合线21与主信号线1之间的互电感作用，产生一个强度较大的耦合信号IL1，并将IL1的传播方向定义为正向；同时由于主耦合线21与主信号线1之间的互电容作用，产生一对方向相反、强度相等且强度较弱的耦合信号IC1+和IC1-；其中，IL1和IC1+合成主耦合线21上的正向信号，即主耦合信号，IC1-为主耦合线21上的反向信号，即次耦合信号。同样的，次耦合线22上也会产生两个正向的耦合信号IL2和IC2+，以及一个反向信号IC2-。其中，IC2+和IC2-非常小，为简化计算可以忽略不计。
本发明实施例将主耦合线21和次耦合线22设置不同的长度和宽度，并且将主耦合线21和次耦合线22与主信号线1之间设置不同的间距，使IL2作为抵消信号，与IC1-相抵消，则耦合信号线2整体上只剩下正向的IL1和IC1+，和反向的IC2-。通常情况下，IL1的强度比IC1+和IC1-大几dB至几十dB，IL2的强度也比IC2+和IC2-大几dB至几十dB，所以耦合信号线2上最终的正向信号与反向信号相差的倍数，是上述两个倍数的乘积，从而实现了定向耦合器的高方向性。
综上所述，本发明实施例通过将主耦合线21和次耦合线22设置不同的长度和宽度，并且将主耦合线21和次耦合线22与主信号线1之间设置的不同间距，获得了具有高方向性的定向耦合器，而无需将定向耦合器的长度设置为耦合信号的1/4波长或1/4波长的整数倍，并且远远小于耦合信号的1/4波长，从而能够满足当今电子设备小型化的需求。
当然，主耦合线和次耦合线也可以宽度相等，而与主信号线的间距不同，或者与主信号线的间距相等，宽度不同，只要能满足IL2与IC1-相抵消即可。
此外，次耦合线22还要匹配主耦合线21与隔离输出线3的阻抗，本实施例中主耦合线21宽度较大，则阻抗较小，所以次耦合线22需要更长的长度，以实现阻抗匹配。因此，本实施例中将次耦合线22的一部分折弯，使其与主信号线1垂直，不产生耦合信号，成为纯匹配线220。次耦合线22中参与耦合的部分平行于主信号线1，产生的IL2与IC1-相抵消，并且通过切角与纯匹配线220相连，共同实现主耦合线21的阻抗匹配。
本发明实施例提供的定向耦合器相比于锯齿形耦合器、梳状耦合器结构非常简单，因此设计仿真的过程也非常简单，设计周期更短。在制造过程中，由于结构简单，加工误差也会减少，所以还具有更好的容差性。
作为一个优选方案，定向耦合器还包括连接于主耦合线21与耦合输出线4之间的输出匹配线5，用于匹配主耦合线21与耦合输出线4之间的阻抗，使主耦合线21的特征阻抗匹配到耦合输出线4需要的端口阻抗。
实施例2：
本实施例与实施例1基本相同，其不同点在于：如图4所示，本实施例中，次耦合线22包括抵消耦合线221和匹配耦合线222，其中抵消耦合线221与隔离输出线3的阻抗相同，且通过切角与隔离输出线3相连，主要用于产生抵消信号；匹配耦合线222连接于主耦合线21与抵消耦合线221之间，主要用于匹配主耦合线21与抵消耦合线221之间的阻抗。
将次耦合线22分为抵消耦合线221和匹配耦合线222两部分，通过将主耦合线21、抵消耦合线221和匹配耦合线222设置各自不同的长度和宽度，并且将主耦合线21、抵消耦合线221和匹配耦合线222与主信号线1之间设置各自不同的间距，由抵消耦合线221上产生的IL2和匹配耦合线222上产生的IL3，共同与主耦合线21上产生的IC1-相抵消，则最终耦合信号线2上的反向信号只有IC2-和IC3-，由于IC2-和IC3-均远远小于IL1，从而实现定向耦合器的高方向性。另外，由匹配耦合线222实现主耦合线21与抵消耦合线221之间的阻抗匹配。因为匹配耦合线222也会不可避免的与主信号线1发生耦合，产生IL3、IC3+和IC3-，对定向耦合器进行结构设计时也应当将其考虑进去。
为了简化电路结构，通常将抵消耦合线221的特征阻抗选取为隔离端口的输出阻抗，这样抵消耦合线221就可以直接通过标准的微带线切角与隔离输出线3连接，无需额外的阻抗匹配结构。
利用上述原理和方法，设计一个中心频率为900MHz的定向耦合器，PCB板材采用Rogers4350，介电常数Er＝3.48，耦合信号线的总长度为4.5mm。根据仿真软件计算，该频率下1/4波长微带线的长度大约为50mm，二者相差十倍有余，从而实现了定向耦合器的小型化，以满足当今电子设备小型化的需求。
实施例3：
本实施例与实施例1基本相同，其不同点在于：如图5所示，本实施例中，耦合信号线2包括两个主耦合线和两个次耦合线，第一主耦合线21a、第一次耦合线22a、第二次耦合线22b、第二主耦合线21b依次连接于隔离输出线3和耦合输出线4之间，并且第一主耦合线21a、第一次耦合线22a，与第二次耦合线22b、第二主耦合线21b的形状对称，形成如图5所示的对称式级连。其中，第一次耦合线22a包括第一抵消耦合线221a和第一匹配耦合线222a，第二次耦合线22b包括第二抵消耦合线221b和第二匹配耦合线222b，其中第一匹配耦合线222a、第一抵消耦合线221a、第二抵消耦合线221b、第二匹配耦合线222b依次连接于第一主耦合线21a和第二主耦合线21b之间。
在需要实现较高的耦合度的情况下，将两个主耦合线21a、21b级连起来，再为每个主耦合线各自分配一个次耦合线22a、22b，相当于将两个实施例2中的耦合信号线进行级连，其工作原理与实施例2类似，定向耦合器的方向性也基本相同，而耦合度则相当于实施例2中定向耦合器的两倍。采用对称式级连能够简化电路结构，因为阻抗相同的第一抵消耦合线221a和第二抵消耦合线221b可以直接连接，无需额外增加阻抗匹配结构。
作为一个优选方案，定向耦合器还包括连接于第一主耦合线21a与隔离输出线3之间的输出匹配线5a，用于匹配第一主耦合线21a与隔离输出线3之间的阻抗；以及连接于第二主耦合线21b与耦合输出线4之间的输出匹配线5b，用于匹配第二主耦合线21b与耦合输出线4之间的阻抗，使两个主耦合线21a、21b的特征阻抗分别匹配到隔离输出线3和耦合输出线4所需要的端口阻抗。
当然，也可以采用三个或更多个耦合信号线级连的方式。采用多个耦合信号线级连的设计方式可以降低对单个耦合信号线的耦合度需求，因为在高耦合度的情况下，主耦合线与主信号线之间的间距太近，对间距精确度的要求过高，导致容差性降低，而且主耦合线的宽度或长度太大时，不利于匹配耦合线和输出匹配线的设计。
实施例4：
如图6所示，本实施例在实施例3的基础上进一步改进：耦合信号线还包括连接于第一次耦合线22a与第二次耦合线22b之间的非耦合连接线23，用于改变第一主耦合线21a和第二主耦合线21b所产生的耦合信号的叠加相位。
为了扩大定向耦合器适用的带宽范围，在第一次耦合线22a与第二次耦合线22b之间添加U型的非耦合连接线23，用于改变第一主耦合线21a和第二主耦合线21b所产生的主耦合信号的叠加相位，通过调节非耦合连接线23的竖直段的长度，使定向耦合器在中心频率下，两个主耦合信号的叠加达到最大值，达到最高的耦合度，同时也可以实现在较宽的频率范围内耦合度的波动最小，具有较好的带宽平坦度，并扩大定向耦合器适用的带宽。
在中心频率为2GHz的实例中，利用本设计方法设计的定向耦合器，其长度仅有11.3mm，在1.5GHz至2.5GHz的频率范围内，耦合度的波动小于0.7dB。其他类型的定向耦合器要达到同样的带宽平坦度和方向性，其长度大约为22mm，因此本发明实施例实现了定向耦合器的小型化，能够足当今电子设备小型化的需求。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种定向耦合器，包括主信号线、耦合信号线、隔离输出线和耦合输出线，所述隔离输出线和所述耦合输出线分别连接于所述耦合信号线的两端，其特征在于：所述耦合信号线包括相连的主耦合线和次耦合线，其中
所述主耦合线用于产生主耦合信号；
所述次耦合线用于产生抵消信号，所述抵消信号与所述主耦合线上产生的次耦合信号相抵消。
2.根据权利要求1所述的定向耦合器，其特征在于：所述耦合输出线与所述主耦合线相连，所述隔离输出线与所述次耦合线相连；
所述次耦合线还用于匹配所述主耦合线与所述隔离输出线的阻抗。
3.根据权利要求2所述的定向耦合器，其特征在于：所述次耦合线包括抵消耦合线和匹配耦合线，其中
所述抵消耦合线与所述隔离输出线的阻抗相同，且通过切角与所述隔离输出线相连，用于产生所述抵消信号；
所述匹配耦合线连接于所述主耦合线与所述抵消耦合线之间，用于匹配所述主耦合线与所述抵消耦合线之间的阻抗。
4.根据权利要求2所述的定向耦合器，其特征在于：还包括连接于所述主耦合线与所述耦合输出线之间的输出匹配线，用于匹配所述主耦合线与所述耦合输出线之间的阻抗。
5.根据权利要求1所述的定向耦合器，其特征在于：所述耦合信号线包括两个主耦合线和两个次耦合线，其中第一主耦合线、第一次耦合线、第二次耦合线、第二主耦合线依次连接于所述隔离输出线和所述耦合输出线之间。
6.根据权利要求5所述的定向耦合器，其特征在于：所述第一次耦合线包括第一抵消耦合线和第一匹配耦合线，所述第二次耦合线包括第二抵消耦合线和第二匹配耦合线，其中所述第一匹配耦合线、所述第一抵消耦合线、第二抵消耦合线、第二匹配耦合线依次连接于所述第一主耦合线和所述第二主耦合线之间。
7.根据权利要求5所述的定向耦合器，其特征在于：所述耦合信号线还包括连接于所述第一次耦合线与所述第二次耦合线之间的非耦合连接线，用于改变所述第一主耦合线和所述第二主耦合线所产生的耦合信号的叠加相位。
8.根据权利要求5所述的定向耦合器，其特征在于：还包括连接于所述第一主耦合线与所述隔离输出线之间的输出匹配线，以及连接于所述第二主耦合线与所述耦合输出线之间的输出匹配线。
9.根据权利要求5所述的定向耦合器，其特征在于：所述第一主耦合线、所述第一次耦合线，与所述第二次耦合线、所述第二主耦合线的形状对称。
10.根据权利要求1至9任一项所述的定向耦合器，其特征在于：所述定向耦合器为微带定向耦合器。
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