CN103338016B - 一种集总参数的具有谐波抑制功能90度正交耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种集总参数的具有谐波抑制功能90度正交耦合器，包括五个电容和三个电感，相互连接构成双回路四端口网络；其中一个电容和一个电感构成谐振单元提供传输零点，以实现谐波抑制的功能。本发明的集总参数带谐波抑制功能90度正交耦合器，其使用元件少，占用面积小，实现成本低，可以在较宽的频带范围内保持很好的输出幅度平衡度和相位平衡度，并且具有良好的高次谐波抑制功能，适用于目前的手持式移动射频无线通信系统中。

Description

一种集总参数的具有谐波抑制功能90度正交耦合器

技术领域

本发明涉及通信电路元件技术领域，特别是涉及一种集总参数的具有谐波抑制功能90度正交耦合器。

背景技术

在现代通信系统中，射频以及微波毫米波电路中，如平衡式放大器、镜像抑制混频器、平衡式倍频器和天线系统等等中，常常需要用到90度正交耦合器。随着电长度的周期性规律变化特性，传统的基于工作频率电长度的90度正交耦合器的设计往往导致其高次谐波在输出端口无法被抑制，这个缺点在非线性电路比如非线性功率放大器、混频器、倍频器等等中将被明显放大。因为非线性电路的谐波分量丰富且明显，其在输出端口的出现将会影响整个系统的噪声、功率输出、相位噪声和误码率等性能。尤其是在当今的移动电子通信市场中，随着多频(multi-band)多模(multi-mode)技术的发展，能够同时满足各种频段及通信标准的射频收发机成为了目前的发展方向，为了能够保持频谱的纯洁度和各个频带之间的隔离度，目前系统中需要额外的带通/带阻滤波器来实现谐波抑制的功能，这增加了系统的成本和面积，所以能够带有谐波抑制功能的90度正交耦合器既能实现信号的正交耦合/分解，又能实现高次谐波的抑制，成逐渐成为发展的方向。目前传统的带谐波抑制功能的90度正交耦合器大多采用微带耦合结构，如多枝节线耦合器，90度微带混合环，Lange耦合器等等。这些基于电长度的微带结构180度耦合器在射频频段范围内所占用的面积非常大，极大增加了射频系统的面积和成本，同时为了实现谐波抑制功能，其结构愈加复杂，包括“缺陷地”和分形等实现较为困难的手段，一方面增加了设计成本，另一方面通过文献报导来看，这些特殊的结构大大的减小了90度正交耦合器的工作带宽。最近，一些基于集总元器件的180度耦合器在期刊中有所报道，如“Designofcompact90oand180ocouplerswithharmonicsuppressionusinglumped-elementbandstopresonators,”IEEETrans.Microw.TheoryTech.,vol.58,no.11,pp.2932-2939,Nov.2010.但是其电路只能提供很窄的频带宽度(小于15%)，因而大大限制了其的应用，尤其是在目前的移动通信系统。

发明内容

本发明提供一种集总参数的具有谐波抑制功能的90度正交耦合器，其使用器件数量少，占用面积小，且具有较宽的工作频带，从而解决了目前带谐波抑制功能的90度正交耦合器工作带宽相对较窄、占用面积大以及价格高昂的技术问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种集总参数的具有谐波抑制功能90度正交耦合器，包括五个电容和三个电感，五个电容分别为第一电容、第二电容、第三电容、第四电容和第五电容，三个电感分别为第一电感、第二电感和第三电感，所述第一电容跨接在第一连接点和第三连接点之间；所述第二电容跨接在第二连接点和第四连接点之间；所述第三电容跨接在第三连接点和第五连接点之间；所述第四电容跨接在第四连接点和第六连接点之间；所述第一电感跨接在第一连接点和第二连接点之间；所述第二电感和第五电容以并联的形式跨接在第三连接点和第四连接点之间；所述第三电感跨接在第五连接点和第六连接点之间；所述第一连接点连接于第一端口；所述第二连接点连接于第二端口；所述第六连接点连接于第三端口；所述第五连接点连接于第四端。

所述第一电容、第二电容、第三电容和第四电容具有相同的电容值。

所述第一电感和第三电感具有相同的电感值。

所述第二电感的电感值为其中，Z₀为系统的输入输出阻抗，ω₀为系统的基波工作频率，n是抑制的谐波次数。

所述第五电容的电容值为其中，Z₀为系统的输入输出阻抗，ω₀为系统的基波工作频率，n是抑制的谐波次数。

所述第一电容、第二电容、第三电容和第四电容的电容值为其中，Z₀为系统的输入输出阻抗，ω₀为系统的基波工作频率。

所述第一电感和第三电感的电感值为其中，Z₀为系统的输入输出阻抗，ω₀为系统的基波工作频率。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明采用集总参数元件，相比于传统的微带180度耦合器能够极大的缩小面积和成本，并且克服了工作带宽相对不宽的缺点，从而能够满足无线移动通信系统小型化、多频段和低成本的要求。

附图说明

图1为本发明的集总参数的具有谐波抑制功能的90度正交耦合器电路拓扑结构示意图；

图2为本发明的集总参数的具有谐波抑制功能的90度正交耦合器电路(半边)的奇模拓扑结构示意图；

图3为本发明的集总参数的具有谐波抑制功能的90度正交耦合器电路(半边)的偶模拓扑结构示意图；

图4为本发明的集总参数的具有谐波抑制功能的90度正交耦合器谐波抑制度随谐波次数变化的关系曲线图；

图5为本发明的集总参数的具有谐波抑制功能的90度正交耦合器电路仿真的散射参数的频率归一化曲线图；

图6为本发明的集总参数的具有谐波抑制功能的90度正交耦合器电路仿真的散射参数曲线图；

图7为本发明的集总参数的具有谐波抑制功能的90度正交耦合器电路仿真的输出端口之间（第二端口和第三端口）的幅度不平衡度曲线图；

图8为本发明的集总参数的具有谐波抑制功能的90度正交耦合器电路仿真的输出端口之间（第二端口和第三端口）的相位不平衡度曲线图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明提供了一种集总参数的具有谐波抑制能力的90度正交耦合器，如图1所示，包括五个电容和三个电感，分别为第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第一电感L1、第二电感L2和第三电感L3。其中，所述第一电容C1跨接在第一连接点01和第三连接点03之间；所述第二电容跨接在第二连接点02和第四连接点04之间；所述第三电容C3跨接在第三连接点03和第五连接点05之间；所述第四电容C4跨接在第四连接点04和第六连接点06之间；所述第一电感L1跨接在第一连接点01和第二连接点02之间；所述第二电感L2和第五电容C5以并联的形式跨接在第三连接点03和第四连接点04之间；所述第三电感L3跨接在第五连接点05和第六连接点06之间；所述第一连接点01连接于第一端口1；所述第二连接点02连接于第二端口2；所述第六连接点06连接于第三端口3；所述第五连接点05连接于第四端口4。

其中，所述第二电感和第五电容以并联的形式跨接在第三连接点和第四连接点之间，形成谐振单元，提供工作频带以外的传输零点，从而实现高次谐波的抑制功能。

根据微波网络理论，可以采用奇偶模分析方法来分析如图1中的电路网络拓扑结构。图2和图3分别表示它的奇模和偶模电路。假设第一端口为网络输入端口，第二端口为网络的直通端口，第三端口为网络的耦合端口，第四端口为网络的隔离端口。奇偶模电路的散射参数矩阵分别为：

${\[S\]}_{\mathrm{odd}}=\left[\begin{array}{cc}{S}_{11}^o& S_{21}^o\\ S_{12}^o& S_{22}^o\end{array}\right]---1)$

${\[S\]}_{\mathrm{even}}=\left[\begin{array}{cc}{S}_{11}^e& S_{21}^e\\ S_{12}^e& S_{22}^e\end{array}\right]---2)$

由网络理论可以得到定向耦合器的散射参数：

$S_{11}=\frac{1}{2}(S_{11}^e+S_{11}^o)---3)$

$S_{21}=\frac{1}{2}(S_{11}^e+S_{11}^o)---4)$

$S_{31}=\frac{1}{2}(S_{21}^e+S_{21}^o)---5)$

$S_{41}=\frac{1}{2}(S_{21}^e+S_{21}^o)---6)$

其中表示奇模能量从j口注入，在i口测得能量；表示偶模能量从j口注入，在i口测得能量。表示为奇模信号从第一端口1反射的能量与第一端口1输入能量比值的平方根；表示为第二端口2匹配时，奇模信号从第一端口1到第二端口2的正向传输系数；表示为第一端口1匹配时，奇模信号从第二端口2到第一端口1的正向传输系数；表示为奇模信号从第二端口2反射的能量与第二端口2输入能量比值的平方根；表示为偶模信号从第一端口1反射的能量与第一端口1输入能量比值的平方根；表示为第二端口2匹配时，偶模信号从第一端口1到第二端口2的正向传输系数；表示为第一端口1匹配时，偶模信号从第二端口2到第一端口1的正向传输系数；表示为偶模信号从第二端口2反射的能量与第二端口2输入能量比值的平方根。

假设需要抑制的谐波次数为n，n是一个常量。得到优化的参数为：

$L=\frac{Z_0}{{\mathrm{\ω}}_0}---6)$

$L_r=(1-\frac{3n^2-2}{n^4})\frac{Z_0}{{\mathrm{\ω}}_0}---7)$

$C=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_0{Z}_0}---8)$

$C_r=\frac{1}{(\frac{n^4}{3n^2-2}-1){\mathrm{\ω}}_0{Z}_0}---9)$

其中Z₀为系统的输入输出阻抗，ω₀为系统的基波工作频率，n是抑制的谐波次数。由此得到的在工作频率点ω₀的90度正交耦合器的散射参数矩阵为：

以及在谐波抑制处的输出谐波频率的正向传输系数，

$S_{21}=-S_{31}=\frac{1}{2}\[\frac{j}{n-j}-\frac{\mathrm{jn}}{(n^2-2)-\mathrm{jn}}\]---11)$

图4给出了谐波抑制度随谐波次数变化的关系。由图中可以得到，采用该优选方案的90度正交耦合器具有优异的谐波抑制功能。

图5是频率归一化后各端口的端口反射系数和传输系数曲线（n=3）。S_ij的含义是：能量从j口注入，在i口测得测得能量。S₁₁表示为从第一端口1反射的能量与第一端口1输入能量比值的平方根；S₂₁表示为第二端口2匹配时，第一端口1到第二端口2的正向传输系数；S₃₁表示为第三端口3匹配时，第一端口1到第三端口3的正向传输系数；S₄₁表示为第四端口4匹配时，第一端口1到第四端口4的正向传输系数。附图5中可以看出，在25%的带宽范围内，耦合器的输出的幅度和相位平衡度都很好，同时在谐波处的抑制性能很明显。

所述第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3和第四电容C4具有相同的电容值C；所述第一电感L1和第三电感L3具有相同的电感值L；所述第二电感L2的电感值为L_r；所述第五电容C5的电容值为C_r。本实施例中，以2.45GHz具有三次谐波抑制功能的90度正交耦合器为例。需要说明的是，在本实施例中，以n=3为例但并不仅限于n=3的情况。凡本领域内具有一般常识的人士都应该明白，使用本发明结果的对其他次谐波抑制的情况皆不违背本发明的精神和范畴，因此仍应由本发明的权利要求所涵盖。上述各元器件的参数值选择如下：

器件名	器件值
		C1	1.3pF
C2	1.3pF
		C3	1.3pF
C4	1.3pF
		C5	0.6pF
L1	3.3nH
		L2	2.3nH
L3	3.3nH

在本实施例中，第一端口1为输入端口，第二端口2为直通端口，第三端口3为耦合端口，第四端口4为隔离端口。

图6是本实施例的各端口的端口反射系数和传输系数曲线。Sij的含义是：能量从j口注入，在i口测得能量。S₁₁表示为从第一端口1反射的能量与第一端口1输入能量比值的平方根；S₂₁表示为第二端口2匹配时，第一端口1到第二端口2的正向传输系数；S₃₁表示为第三端口3匹配时，第一端口1到第三端口3的正向传输系数；S₄₁表示为第四端口4匹配时，第一端口1到第四端口4的正向传输系数。附图6中可以看出，在25%的带宽范围内，耦合器的输出的幅度和相位平衡度都很好，同时在谐波处的抑制性能很明显。

图7是本实施例中集总参数的具有谐波抑制功能的90度耦合器电路仿真的输出端口之间（第二端口2和第三端口3）的幅度不平衡度曲线，在2.35GHz到2.8GHz的范围内，第二端口2和第三端口3之间的幅度不平衡度小于0.5dB。

图8是本实施例中集总参数的具有谐波抑制功能的90度耦合器电路仿真的输出端口之间（第二端口2和第三端口3）的相位不平衡度曲线，在2.25GHz到3.4GHz的范围内，第二端口2和第三端口3之间的相位不平衡度小于5度。

综上所述，本发明的集总参数的具有谐波抑制功能的90度耦合器，与传统的90度耦合器相比，具有以下的积极效果：

1）相较于传统微带形式的具有谐波抑制功能的90度耦合器，本发明的集总参数的具有谐波抑制功能的90度耦合器面积小、加工难度小、成本低；

2）传统的微带形式的90度耦合器一旦制作完成便不能修改，而相比之下，本发明的具有谐波抑制功能的使用集总元件，具有可调式性；

3）相较于传统集总参数的具有谐波抑制功能的90度耦合器，本发明的具有谐波抑制功能的90度耦合器在拓扑中只需采用一级谐振单元，减小了元件数量、缩小版图尺寸、节约制作成本并且能够提高工作带宽。

Claims (4)

1.一种集总参数的具有谐波抑制功能90度正交耦合器，包括五个电容和三个电感，五个电容分别为第一电容、第二电容、第三电容、第四电容和第五电容，三个电感分别为第一电感、第二电感和第三电感，其特征在于，所述第一电容跨接在第一连接点和第三连接点之间；所述第二电容跨接在第二连接点和第四连接点之间；所述第三电容跨接在第三连接点和第五连接点之间；所述第四电容跨接在第四连接点和第六连接点之间；所述第一电感跨接在第一连接点和第二连接点之间；所述第二电感和第五电容以并联的形式跨接在第三连接点和第四连接点之间；所述第三电感跨接在第五连接点和第六连接点之间；所述第一连接点连接于第一端口；所述第二连接点连接于第二端口；所述第六连接点连接于第三端口；所述第五连接点连接于第四端口；所述第二电感的电感值为其中，Z₀为系统的输入输出阻抗，ω₀为系统的基波工作频率，n是抑制的谐波次数；所述第一电感和第三电感的电感值均为其中，Z₀为系统的输入输出阻抗，ω₀为系统的基波工作频率。

2.根据权利要求1所述的集总参数的具有谐波抑制功能90度正交耦合器，其特征在于，所述第一电容、第二电容、第三电容和第四电容具有相同的电容值。

3.根据权利要求1所述的集总参数的具有谐波抑制功能90度正交耦合器，其特征在于，所述第五电容的电容值为其中，Z₀为系统的输入输出阻抗，ω₀为系统的基波工作频率，n是抑制的谐波次数。

4.根据权利要求1所述的集总参数的具有谐波抑制功能90度正交耦合器，其特征在于，所述第一电容、第二电容、第三电容和第四电容的电容值均为其中，Z₀为系统的输入输出阻抗，ω₀为系统的基波工作频率。