CN103151594B - 一种定向耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电子电路技术领域中的一种定向耦合器。本发明所要解决的技术问题是：提供一种超宽带定向耦合器，该耦合器通过渐变线结构和蛇形走向方式，达到在实现相同工作频段带宽同时，缩小从输入端口到输出端口的直线距离，同时采用渐变线代替直线，提高产品的耦合度、驻波比等参数。本发明包括主传输线和耦合传输线，所述耦合传输线、主传输线是非平行渐变线结构，所述渐变线是非直线结构，所述主传输线输入端端口直径小于主传输线输出端口直径，所述耦合传输线耦合输出端口直径小于耦合传输线隔离端口直径。本发明主要应用于定向耦合器设计领域。

Description

一种定向耦合器

技术领域

本发明涉及电子电路技术领域，尤其是涉及一种定向耦合器。

背景技术

定向耦合器是一种4端口微波电路器件，分别是输入端口，输出端口，耦合端口以及隔离端口。从输入端口到输出端口的传输线被定义为主传输线，从耦合端口到隔离端口的传输线被定义为耦合传输线。其工作原理是按照一定方向传输的电磁波信号，在通过主传输线的时候，由于电磁场的作用，部分电磁波信号会被传输到耦合传输线上，这种电路实现了在不干扰主传输线上的电磁波传输的同时，在耦合端口获取主传输线上传输的电磁波部分功率和电磁波其他特征参数信息。

在主传输线上，按照一定方向传输的电磁波，频率是其特征参数之一。定向耦合器可以对特定频率的电磁波，按照设计指标要求进行有效的耦合，在耦合传输线上得到特征指标，这个频率的集合，称为工作频段（工作频段是定向耦合器的重要特征之一）。在工作频段之外，定向耦合器对主传输线上电磁波的耦合，不需要达到我们期望的设计指标要求。而目前大多数定向耦合器采用多节直线平行级联的结构，如图1所示。每节直线的长度是工作频段中频的1/4波长，每节直线串联在一起，形成多节的结构，以达到要求的工作频段带宽。这种结构的定向耦合器，为获取较宽的工作频段带宽时，其级联的直线级数将大大增加，从而使定向耦合器的长度也增加，这种结构，造成了以下的不足：

（1）     长度增加，定向耦合器整体重量增加。

（2）     长度增加，主传输线和耦合传输线长度增加，电磁波传输损耗增大。

（3）     级联节数增加，节与节之间连接的不连续次数增加，导致驻波比变差。

总结为，该类结构的定向耦合器，无法满足电子设备小型化需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术中存在的问题，提供一种超宽带定向耦合器，该耦合器通过渐变线结构和蛇形走向方式，达到在实现相同工作频段带宽同时，缩小从输入端口到输出端口的直线距离，采用渐变线代替直线，提高产品的耦合度、驻波比等参数，通过将渐变线设置多个圆弧单元组成的蛇形结构，有效缩短耦合器长度与体积，从而大大增加了耦合度的组合基数和自由度，使其定向耦合器的耦合度参数更为准确。

本发明采用的技术方案如下：

一种定向耦合器，包括主传输线和耦合传输线，主传输线用于从输入端口到输出端口传输电磁波信号，耦合传输线用于产生耦合信号，并通过耦合端口输出电磁波信号至隔离端口，所述耦合传输线、主传输线是渐变线结构，所述渐变线结构是非直线结构，所述主传输线输入端端口直径小于主传输线输出端口直径，所述耦合传输线耦合输出端口直径小于耦合传输线隔离端口直径。

进一步地，所述从主传输线输入端口到主传输线输出端口方向，主传输线与耦合传输线之间的间隔依次增大。

进一步地，所述渐变线整体上形成蛇形结构，所述渐变线包括N个圆弧单元，即耦合传输线、主传输线分别包括N个圆弧单元，所述圆弧单元包括第一圆弧段L1、第一竖直段H1、第二圆弧段L2、第三圆弧段L3、第二竖直段H2、第四圆弧段L4，所述第一圆弧段L1、第一竖直段H1、第二圆弧段L2、第三圆弧段L3、第二竖直段H2、第四圆弧段L4依次级联连接，所述第一圆弧段L1、第一竖直段H1、第二圆弧段L2、第三圆弧段L3、第二竖直段H2、第四圆弧段L4直径依次增大，所述第一圆弧段、第一竖直段、第二圆弧段、第三圆弧段、第二竖直段、第四圆弧段直径差范围是0~0.001mm，所述N大于等于1；所述耦合传输线的圆弧单元结构与主传输线圆弧单元结构相对应。

进一步地，所述第一圆弧段、第二圆弧段、第三圆弧段、第四圆弧端圆弧角度是90°。

进一步地，所述圆弧单元周期数N、总长度L1及第一圆弧段L1半径R、第二圆弧段L2半径R、第三圆弧段L3半径R、第四圆弧段L4半径R满足公式（1）：

                                 （1）

进一步地，所述圆弧单元周期数N、总长度L1及第一圆弧段L1半径R、第二圆弧段L2半径R、第三圆弧段L3半径R、第四圆弧段L4半径R满足公式（2）：

。                         （2）

进一步地，所述第一圆弧段L1半径R、第二圆弧段L2半径R、第三圆弧段L3半径R、第四圆弧段L4半径R满足公式（3）：

R≥ 3W                            （3）

其中所述W是圆弧的主传输线或耦合传输线直径。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

（1）   由于采用直径增大的直线渐变线的结构，渐变线中每个节单元之间在物理尺寸上，没有了明显的突变，电磁波在传输线上的传播变得更加流畅，直接降低了节单元之间因为物理尺寸变化而形成的反射，提升了驻波比等物理参数。

（2）   传统的多节直线平行级联结构，每级的节，其物理尺寸是固定的，因而，其耦合度也是固定的。整个结构的耦合度，是由各级的节的离散偶合值组合决定的，这种离散的偶合值，数量由级数决定。而本设计采用了渐变线的结构，渐变线的节单元数量远远大于直线结构，从而大大增加了耦合度的组合基数和自由度，使其定向耦合器的耦合度参数更为准确。

（3）   采用蛇形走向代替直线走向使其，如果在2个半圆弧之间插入一定数量的耦合单元，其新的整体长度可以变得更短，相比L1,可以缩短50%以上。可以有效的缩短从输入端口到输出端口的长度，以达到减小定向耦合器长度和尺寸的目的。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是现有技术中定向耦合器的结构。

图2是本设计中定向耦合器的结构。

附图标记

1-耦合传输线（或主传输线）              2-主传输线（或主传输线）      

3-耦合传输线与主传输线之间的间隙

4-输入端口(或耦合端口)                5-耦合端口(或输入端口)

6-输出端口(或隔离端口)                7-隔离端口(或输出端口)

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本发明相关说明：

1、             L1是将定向耦合器主传输线(或耦合传输线)拉直后的总长度。L2是定向耦合器蛇形结构时，主传输线输入端口（或耦合传输线耦合端口）到主传输线输出端口（或耦合传输线隔离端口）直线距离；所述圆弧单元（指的是主传输线的圆弧单元或者耦合传输线的圆弧单元）周期数N、总长度L1及第一圆弧L1半径R、第二圆弧L2半径R、第三圆弧L3半径R、第四圆弧L4半径R满足公式，（）通过以上公式演算，可以看出，加入圆弧可以有效的缩短整体长度37%左右；如果在2个半圆弧之间插入一定数量的耦合单元，其新的整体长度可以变得更短，相比L1,可以缩短50%以上。

2、            是经过几何计算得到，R≥ 3W是参考David M. Pozar, Microwave Engineering, 3rd edition, John Wiley & Sons, Inc., 2005。作者David M.Pozar，微波工程，第3版，约翰威力国际出版公司中图报刊，2005，204页）。

3、             从微观角度上来看本设计结构时，渐变线结构包括多个直线节单元，所述多个直线节单元依次级联连接，所述直线节单元长度范围是0-0.3mm所述两个相邻两个直线节单元的宽度差范围0-0.001mm，本设计中直线节单元包括200-2000个。

实施例一，如图2所述，一种定向耦合器，包括主传输线和耦合传输线，主传输线用于从输入端口到输出端口传输电磁波信号，耦合传输线用于产生耦合信号，并通过耦合端口输出电磁波信号至隔离端口，所述耦合传输线、主传输线是渐变线结构，所述渐变线结构是非直线结构，所述主传输线输入端端口直径不大于主传输线输出端口直径，所述耦合传输线耦合输出端口直径不大于耦合传输线隔离端口直径。

实施例二：在实施例一基础上，所述从主传输线输入端口到主传输线输出端口方向，主传输线与耦合传输线之间的间隔依次增大，其具体参数受到设计参数比如耦合度、工作频率等参数的限制。

实施例三：再实施例一或二基础上，述渐变线整体上形成蛇形结构，所述渐变线包括N个圆弧单元，即耦合传输线、主传输线分别包括N个圆弧单元，所述圆弧单元包括第一圆弧段L1、第一竖直段H1、第二圆弧段L2、第三圆弧段L3、第二竖直段H2、第四圆弧段L4，所述第一圆弧段L1、第一竖直段H1、第二圆弧段L2、第三圆弧段L3、第二竖直段H2、第四圆弧段L4依次级联连接，所述第一圆弧段L1、第一竖直段H1、第二圆弧段L2、第三圆弧段L3、第二竖直段H2、第四圆弧段L4直径依次增大，所述第一圆弧段、第一竖直段、第二圆弧段、第三圆弧段、第二竖直段、第四圆弧段直径差范围是0~0.001mm，所述N大于等于1；所述耦合传输线的圆弧单元结构与主传输线圆弧单元结构相对应。

实施例四：再实施例三基础上，所述传输线第一圆弧段L1、传输线第二圆弧段L2、传输线第三圆弧段L3、传输线第四圆弧段L4圆弧角度是90°。

实施例五：在实施例三基础上，所述圆弧单元周期数N、总长度L1及第一圆弧段L1半径R、第二圆弧段L2半径R、第三圆弧段L3半径R、第四圆弧段L4半径R满足公式（1）：

                                 （1）

实施例六：在实施例三基础上，所述圆弧单元周期数N、总长度L1及第一圆弧段L1半径R、第二圆弧段L2半径R、第三圆弧段L3半径R、第四圆弧段L4半径R满足公式（2）：

。                         （2）

实施例七：在实施例三基础上，所述第一圆弧段L1半径R、第二圆弧段L2半径R、第三圆弧段L3半径R、第四圆弧段L4半径R满足公式（3）：

R≥ 3W                            （3）

其中所述W是圆弧的主传输线或耦合传输线直径。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (5)

1.一种定向耦合器，包括主传输线和耦合传输线，主传输线用于从输入端口到输出端口传输电磁波信号，耦合传输线用于产生耦合信号，并通过耦合端口输出电磁波信号至隔离端口，其特征在于所述耦合传输线、主传输线是渐变线结构，所述渐变线结构是非直线结构，所述主传输线输入端端口直径小于主传输线输出端口直径，所述耦合传输线耦合输出端口直径小于耦合传输线隔离端口直径；从所述主传输线输入端口到主传输线输出端口方向，主传输线与耦合传输线之间的间隔依次增大；所述渐变线整体上形成蛇形结构，所述渐变线包括N个圆弧单元，即耦合传输线、主传输线分别包括N个圆弧单元，所述圆弧单元包括第一圆弧段、第一竖直段、第二圆弧段、第三圆弧段、第二竖直段、第四圆弧段，所述第一圆弧段、第一竖直段、第二圆弧段、第三圆弧段、第二竖直段、第四圆弧段依次级联连接，所述主传输线和耦合传输线分别具有的第一圆弧段、第一竖直段、第二圆弧段、第三圆弧段、第二竖直段、第四圆弧段之间的间隔依次增大，所述第一圆弧段、第一竖直段、第二圆弧段、第三圆弧段、第二竖直段、第四圆弧段直径差范围是0~0.001mm，所述N大于等于1；所述耦合传输线的圆弧单元结构与主传输线圆弧单元结构相对应。

2.根据权利要求1所述的一种定向耦合器，其特征在于所述第一圆弧段、第二圆弧段、第三圆弧段、第四圆弧端圆弧角度是90°。

3.根据权利要求1所述的一种定向耦合器，其特征在于所述圆弧单元周期数N、总长度及第一圆弧段半径R、第二圆弧段半径R、第三圆弧段半径R、第四圆弧段半径R满足公式（1）：

                                                    （1）

其中 L1是指定向耦合器主传输线或耦合传输线拉直后的总长度总长度。

4.根据权利要求1所述的一种定向耦合器，其特征在于所述圆弧单元周期数N、总长度L1及第一圆弧段半径R、第二圆弧段半径R、第三圆弧段半径R、第四圆弧段半径R满足公式（2）：

                                        （2）

其中L2是定向耦合器蛇形结构时，主传输线输入端口到主传输线输出端口直线距离。

5.根据权利要求1所述的一种定向耦合器，其特征在于所述第一圆弧段半径R、第二圆弧段半径R、第三圆弧段半径R、第四圆弧段半径R满足公式（3）：

R≥ 3W                                                      （3）

其中所述W是圆弧的主传输线或耦合传输线直径。