CN103338017A - 一种集总参数的具有谐波抑制功能的宽带180度耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种集总参数的具有谐波抑制功能的宽带180度耦合器，包括七个电容和四个电感，其中七个电容和三个电感连接构成双回路；采用电容电感对形成谐振单元产生传输零点，实现谐波抑制功能；第一连接点接第一端口；第二连接点接第二端口；第四连接点接第三端口；第三连接点通过电感接地，实现二次感性耦合，扩大耦合器工作带宽。本发明的集总参数宽带180度耦合器，其使用元件少，占用面积小，实现成本低，可以在非常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，并且又有良好的谐波抑制能力，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的宽带180度耦合器

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的宽带180度耦合器。

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，平衡式倍频器等等中，常常需要用到180度耦合器。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。

作为收发系统中重要的器件，宽带的180度耦合器的需求正不断加强。目前流行的传统的180度耦合器大多采用微带结构，如Marchand巴伦，180微带混合环，Lange耦合器对等等。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，由于传统的180度耦合器的设计基本上基于两输出支路通过的电长度在工作频率相差半波长来实现。首先，这样的设计往往导致其高次谐波在输出端口无法被抑制，并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。其次，由于偶次谐波的特殊性，其在两输出端口是以同相位的信号出现，这种不需要的共模信号可能会导致系统的不稳定和恶化噪声系数。所以为了保证纯洁的输出频谱，系统使用中需要加入额外的滤波单元，这增加了成本和面积。而一些基于微带形式的具有谐波抑制功能的传统180度耦合器，增加了许多特殊的实现手段，如分形、多层结构和缺陷地结构等，一方面增加了加工的难度和成本，另一方面，这些结构的引入减小了耦合器的工作带宽。

目前，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.虽然极大的减小了面积和成本，但是这些电路只能提供很窄的频带宽度(小于10%)，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宽带180度耦合器，其使用器件数量少，占用面积小，具有较宽的工作频带，并且带谐波抑制能力，从而解决了目前180度耦合器占用面积大、带宽和谐波抑制性能不佳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的宽带180度耦合器，包括七个电容和三个电感，七个电容分别为第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、第六电容和第七电容，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六连接点之间；所述第二电容跨接在第二连接点和第三连接点之间；所述第三电容跨接在第五连接点和第六连接点之间；所述第四电容跨接在第三连接点和第四连接点之间；所述第一电感和第五电容以并联的形式跨接在第一连接点和第二连接点之间；所述第二电感和第六电容以并联的形式跨接在第三连接点和第六连接点之间；所述第三电感和第七电容以并联的形式跨接在第四连接点和第五连接点之间；所述的第一连接点连接第一端口；所述第二连接点连接第二端口；所述第三连接点与接地端相连；所述的第四连接点连接第三端口。

所述第三连接点和接地端之间还连接有第四电感。

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第一电感的电感值的一半。

所述第五电容和第七电容具有相同的电容值。

所述第六电容的电容值是第五电容的电容值的2倍。

所述第四电感的电感值为第一电感的电感值的1/m，其中，m为比例常量。

所述第一电容、第二电容、第三电容和第四电容的电容值为

所述第一电感和第三电感的电感值为

所述第五电容和第七电容的电容值为

其中，Z_in为系统输入端口阻抗、Z_out为系统输入端口阻抗、n为抑制的谐波次数、ω₀为工作频率。

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180度耦合器能够极大的缩小面积、提高工作带宽、具有优良的谐波抑制功能并节约成本，从而能够满足无线移动通信系统的小型化和多频段的要求。

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宽带180度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宽带180度耦合器电路(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宽带180度耦合器电路(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宽带180度耦合器电路仿真的散射参数曲线图；

图5为本发明的集总参数的具有谐波抑制功能的宽带180度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6为本发明的集总参数的具有谐波抑制功能的宽带180度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。

如图1所示，一种集总参数的具有谐波抑制功能的宽带180度耦合器，包括四个电感和七个电容，分别为第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第四电感L4、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、第六电容C6和第七电容C7。其中，所述第一电容C1跨接在第一连接点01和第六连接点06之间；所述第二电容C2跨接在第二连接点02和第三连接点03之间；所述第三电容C3跨接在第五连接点05和第六连接点06之间；所述第四电容C4跨接在第三连接点03和第四连接点04之间；所述第一电感L1和第五电容C5以并联的形式跨接在第一连接点01和第二连接点02之间；所述第二电感L2和第六电容C6以并联的形式跨接在第三连接点03和第六连接点06之间；所述第三电感L3和第七电容C7以并联的形式跨接在第四连接点04和第五连接点05之间；所述第四电感L4一端接第三连接点03，另一端接地；所述的第一连接点01连接第一端口1；所述第二连接点02连接第二端口2；所述的第四连接点04连接第三端口3。

所述第四电感L4跨接在第三连接点03和地之间，形成二级感性耦合，提高工作频带带宽。所述第一电感L1和第五电容C5以并联的形式跨接在第一连接点01和第二连接点02之间；所述第二电感L2和第六电容C6以并联的形式跨接在第三连接点03和第六连接点06之间；所述第三电感L3和第七电容C7以并联的形式跨接在第四连接点04和第五连接点05之间；均形成谐振单元，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。

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_r；所述第二电感L2的电感值为第一电感L1的一半；所述第五电容C5和第七电容C7具有相同的电容值C_r；所述的第六电容C6的电容值为第五电容C5的一倍；所述第四电感L4的电感值为第一电感L1的1/m,其中m为比例常量。

根据微波网络理论，采用奇偶模方法来分析如图1中所示的电路网络拓扑。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：

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

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

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。

由网络理论可以得到定向耦合器的散射参数：

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

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

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

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

得到优化的参数为：

$C=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_0\sqrt{{2Z}_{\mathrm{in}}{Z}_{\mathrm{out}}}}---7)$

$L_r=(1-\frac{1}{n^2})\frac{\sqrt{{2Z}_{\mathrm{in}}{Z}_{\mathrm{out}}}}{{\mathrm{\ω}}_0}---8)$

$C_r=\left(\frac{1}{n^2-1}\right)\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_0\sqrt{{2Z}_{\mathrm{in}}{Z}_{\mathrm{out}}}}---9)$

$0.1\left(\frac{n^2}{n^2-1}\right)<m<0.2\left(\frac{n^2}{n^2-1}\right)---10)$

其中，Z_in表示输入端口阻抗，Z_out表示输出端口阻抗，ω₀表示耦合器工作频率，n表示需要抑制的谐波次数。比例常数m介于

和

之间，最佳值在 $0.15\left(\frac{n^2}{n^2-1}\right)$ 左右。

假设输入输出端口均为50欧姆阻抗，从而得到优化的工作带宽(输出端插入损耗小于1dB，输出端口间相位差偏离180度小于2度，输出端口间幅度差小于0.5dB)大于50%，而传统的集总参数180度耦合器的工作带宽小于10%，同时谐波抑制的性能大于30dB。

本实施例中，以2.45GHz具有二次谐波抑制功能的180度耦合器为例。需要说明的是，在本实施例中，以n=2为例但并不仅限于n=2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	0.9pF
C2	0.9pF
		C3	0.9pF
C4	0.9pF
		C5	0.3pF
C6	0.6pF
		C7	0.3pF
L1	3.4nH
		L2	1.7nH
L3	3.4nH
		L4	0.7nH

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，隔离端口开路。

图4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。图4中可以看出，在36%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5是本实施例中集总参数的具有谐波抑制功能的宽带180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2.2GHz到3.2GHz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6是本实施例中集总参数的具有谐波抑制功能的宽带180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2.3GHz到3.3GHz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宽带180度耦合器，与传统的180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180度耦合器，本发明的集总参数宽带180度耦合器面积小、加工难度小、成本低；

2）传统的微带形式的180度耦合器一旦制作完成便不能修改，而相比之下，本发明的集总参数宽带180度耦合器使用集总元件，具有可调式性；

3）相较于传统集总参数的180度耦合器，本发明的集总参数宽带180度耦合器在第三连接点处采用了二级感性耦合的技术，大幅提高了工作带宽；

4）相较于传统具有谐波抑制功能的微带形式的180度耦合器，本发明的具有谐波抑制功能的180度耦合器在拓扑中采用集总谐振单元，缩小了版图尺寸及节约制作成本。

Claims (9)

1.一种集总参数的具有谐波抑制功能的宽带180度耦合器，包括七个电容和三个电感，七个电容分别为第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、第六电容和第七电容，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六连接点之间；所述第二电容跨接在第二连接点和第三连接点之间；所述第三电容跨接在第五连接点和第六连接点之间；所述第四电容跨接在第三连接点和第四连接点之间；所述第一电感和第五电容以并联的形式跨接在第一连接点和第二连接点之间；所述第二电感和第六电容以并联的形式跨接在第三连接点和第六连接点之间；所述第三电感和第七电容以并联的形式跨接在第四连接点和第五连接点之间；所述的第一连接点连接第一端口；所述第二连接点连接第二端口；所述第三连接点与接地端相连；所述的第四连接点连接第三端口。

2.根据权利要求1所述的集总参数的具有谐波抑制功能的宽带180度耦合器，其特征在于，所述第三连接点和接地端之间还连接有第四电感。

3.根据权利要求1所述的集总参数的具有谐波抑制功能的宽带180度耦合器，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。

4.根据权利要求1所述的集总参数的具有谐波抑制功能的宽带180度耦合器，其特征在于，所述第一电感和第三电感具有相同的电感值。

5.根据权利要求1所述的集总参数的具有谐波抑制功能的宽带180度耦合器，其特征在于，所述第二电感的电感值为第一电感的电感值的一半。

6.根据权利要求1所述的集总参数的具有谐波抑制功能的宽带180度耦合器，其特征在于，所述第五电容和第七电容具有相同的电容值。

7.根据权利要求1所述的集总参数的具有谐波抑制功能的宽带180度耦合器，其特征在于，所述第六电容的电容值是第五电容的电容值的2倍。

8.根据权利要求2所述的集总参数的具有谐波抑制功能的宽带180度耦合器，其特征在于，所述第四电感的电感值为第一电感的电感值的1/m，其中，m为比例常量。

9.根据权利要求1所述的集总参数的具有谐波抑制功能的宽带180度耦合器，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为

所述第一电感和第三电感的电感值为

所述第五电容和第七电容的电容值为

其中，Z_in为系统输入端口阻抗、Z_out为系统输入端口阻抗、n为抑制的谐波次数、ω₀为工作频率。

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