CN103887586A

CN103887586A - 一种微带线定向耦合器

Info

Publication number: CN103887586A
Application number: CN201410063997.5A
Authority: CN
Inventors: 王欢; 李卫忠; 范德睿; 陈章
Original assignee: No 63 Inst Of Headquarters Of Genearal Staff Of Cp L A
Current assignee: No 63 Inst Of Headquarters Of Genearal Staff Of Cp L A
Priority date: 2014-02-21
Filing date: 2014-02-21
Publication date: 2014-06-25

Abstract

本发明属于定向耦合器技术领域，公开了一种微带线定向耦合器，本发明的定向耦合器包括侧边耦合微带线和频率均衡网络，侧边耦合微带线为双边耦合，对称分布，具有两个对称的耦合端和隔离端，频率均衡网络由电阻、电容和电感组成，分别接在侧边耦合微带线的耦合端和隔离端上，耦合端和隔离端的频率均衡网络对称分布，完全一致。本发明在保留传统微带线定向耦合器的优点的同时，拓宽工作带宽，减小了体积。

Description

一种微带线定向耦合器

技术领域

本发明涉及定向耦合器技术领域，尤其涉及一种微带线定向耦合器。

背景技术

定向耦合器常常被用在射频功率放大器的输出端，完成发射信号和反射信号的功率检测，判断功放输出的匹配情况，在设定条件下，及时关闭功放，保护功率放大器不被损坏。在应用于宽带射频功率放大器时，要求定向耦合器功率大，插损低、工作频段宽、耦合端和隔离端的平坦度好。侧边耦合微带线定向耦合器是耦合线定向耦合器的一种，具有插损低、结构简单等特点，不足是工作带宽窄，一般不超过中心频率的20％。

发明内容

本发明的目的在于提出一种微带线定向耦合器，在保留传统微带线定向耦合器的优点的同时，拓宽工作带宽，减小体积，满足宽带射频功率放大器的使用需求。

为实现上述目的，本发明提出了一种微带线定向耦合器，包括侧边耦合微带线和频率均衡网络；

所述侧边耦合微带线包括三根相互平行的微带线，中间的微带线是主信号线，主信号线两端分别是微带线定向耦合器的输入端和输出端，两边对称分布的微带线是耦合信号线，每根耦合信号线的两端分别是侧边耦合微带线的耦合端和隔离端，其中与微带线定向耦合器输入端同侧的一端是耦合端，与微带线定向耦合器输出端同侧的一端是隔离端；

所述频率均衡网络包括电阻、电容和电感，对频率均衡网络的输入信号在所述微带线定向耦合器工作频段内起频率均衡作用，保证微带线定向耦合器的耦合度在工作频段内保持一致且等于技术指标要求的耦合度；第一频率均衡网络的输入端与第一耦合信号线的耦合端相连，则第一频率均衡网络的输出端为所述微带线定向耦合器的耦合端，第一耦合信号线的隔离端与第一匹配负载相连；第二频率均衡网络的输入端与第二耦合信号线隔离端相连，则第二频率均衡网络的输出端为所述微带线定向耦合器的隔离端，第二耦合信号线的耦合端与第二匹配负载相连。

进一步，所述微带线定向耦合器的微带线长度是微带线定向耦合器最高工作频率波长的四分之一，所述微带线定向耦合器的微带线的宽度和间隔由修正耦合度和介质厚度计算，修正耦合度由微带线定向耦合器的技术指标要求的耦合度、最高工作频率、最低工作频率确定。

本发明与现有技术相比，优点是：

1、由于微带线是一种准TEM模传输结构，奇偶模相速不一致，传输线长度越长，奇偶模相位差越大，微带线定向耦合器方向性恶化越严重。本发明的微带线定向器的长度只有传统微带线定向器的二分之一，因此方向性优于传统微带线定向器。传统侧边耦合微带线的长度是中心工作波长的四分之一，本发明侧边耦合微带线的长度是最短工作波长的八分之一，宽度和厚度保持不变，所以与传统微带线定向器相比，本发明具有体积小、方向性好的优点。以100MHz～600MHz微带线定向耦合器为例，传统微带线定向器的在600MHz方向性-3dB，已经不具备方向性，而本发明在600MHz方向性可达5dB，比传统微带线定向器提高了8dB。

2、工作频段宽，传统的侧边耦合微带线定向耦合器的工作带宽只有中心工作频率的20％，本发明定向耦合器工作带宽由频率均衡网络的均衡能力决定，工作带宽可达四个倍频程。

3、与带状线定向耦合器相比，微带线定向耦合器结构更加简单，易于集成。

附图说明

图1为本发明微带线定向耦合器组成示意图。

图2为本发明微带线定向耦合器输入端到频率均衡网络输入端的幅度传输特性示意图。

图3为本发明种微带线定向耦合器频率均衡网络的幅度传输特性示意图。

图4为本发明微带线定向耦合器输入端到耦合端的传输特性示意图。

图5为本发明微带线定向耦合器中均衡网络电路的一种设计方式示意图。

图6为本发明微带线定向耦合器耦合度测试结果示意图。

图7为传统微带线定向耦合器测试结果示意图。

图8为本发明微带线定向耦合器耦合微带线参数计算图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，本发明的微带线定向耦合器包括侧边耦合微带线和频率均衡网络；

所述侧边耦合微带线包括三根相互平行的微带线，中间的微带线是主信号线，主信号线两端分别是微带线定向耦合器的输入端和输出端，两边对称分布的微带线是耦合信号线，每根耦合信号线的两端分别是侧边耦合微带线的耦合端和隔离端，其中与微带线定向耦合器输入端同侧的一端是耦合端，与微带线定向耦合器输出端同侧的一端是隔离端。

所述微带线定向耦合器的微带线长度是微带线定向耦合器最高工作频率波长的四分之一，所述微带线定向耦合器的微带线的宽度和间隔由修正耦合度和介质厚度计算，修正耦合度由微带线定向耦合器的技术指标要求的耦合度、最高工作频率、最低工作频率确定。

设微带线定向耦合器的技术指标要求的耦合度为C，最高工作频率为fh，最低工作频率是fL，则修正耦合度C_x=C-6*log₂(fh／fL)，长度L是最高工作频率的八分之一波长。

修正耦合度C_x由耦合系数K，奇模特性阻抗Z_0o，偶模特性阻抗Z_0e决定，计算公式如下：

C_{x} = 201 g (\frac{Z_{0 e} - Z_{0 o}}{Z_{0 e} + Z_{0 o}})

Z_{0}^{2} = Z_{0 o} Z_{0 e}

由于计算复杂，在选定微带板厚度d后，奇模特性阻抗Z_0o，偶模特性阻抗Z_0e可通过查表得出微带线的线宽W和间距s，计算参数如图8所示。现在一般由奇偶模分析法，由专业计算机软件直接计算出微带线的线宽和间距。

射频信号从微带线定向耦合器输入端进入，经过平行耦合线，主信号从输出端输出，耦合信号进入频率均衡网络，由于平行耦合线长度远小于四分之一波长，因此从输入端到频率均衡网络输入端的幅度传输特性如图2所示，在工作频带内，幅度传输特性是单调上升的，这说明微带线定向耦合器耦合线的耦合度在工作频段内是不平坦的。

侧边耦合微带线和频率均衡网络采用无源电路，因此是线性系统，幅度传输特性满足线性叠加原理，可以设计频率均衡网络的幅度传输特性如图3所示，在工作频带内，幅度传输特性是单调下降的，保证该传输特性与图2传输特性叠加，即输入信号经过侧边耦合微带线和频率均衡网络后的幅度传输特性在工作频率范围内保持平坦，如图4所示，这说明微带线定向耦合器的耦合平坦度能满足要求。

设计一个耦合度是40dB±1dB的100MHz～600MHz微带线定向耦合器为例：

修正耦合度是24.4dB，采用介电常数是2.65的聚四氟乙烯微带板，微带板厚度1mm，根据公式(1)，(2)计算可知侧边耦合微带线的宽度是2.7mm，线间距是0.55mm，耦合线长度42mm，采用均衡网络电路如图5所示，电容C1=56pF，电感L1=470nH，电阻R1=50Ω。测试结果如图6所示。可见耦合器的中心工作频率是350MHz，工作带宽500MHz，在100MHz～600MHz频段内，耦合度变化2dB。

采用传统方法设计耦合度30dB±1dB，中心工作频率350MHz的定向耦合器

采用介电常数是2.65的聚四氟乙烯微带板，微带板厚度1mm。计算可知侧边耦合微带线的宽度是2.7mm，线间距是2.5mm，耦合线长度144mm。测试结果如图7所示。耦合度30dB±1dB的对应工作频段是250MHz～450MHz，工作带宽200MHz，在100MHz～600MHz频段内，耦合度变化8dB,远高于本发明宽带定向耦合器的2dB，说明传统的微带线定向耦合器是无法满足宽带应用要求的。

两者比较如下表

指标	本发明微带线定向耦合器	传统微带线定向耦合器
			中心工作频率(MHz)	350	350
工作带宽(MHz)	500	200
			耦合线长度(mm)	42	144

可见，本发明的微带线定向耦合器具有工作频带宽，体积小的特点。

Claims

1.一种微带线定向耦合器，其特征在于：包括侧边耦合微带线和频率均衡网络；

2.根据权利要求1所述的微带线定向耦合器，其特征在于：所述微带线定向耦合器的微带线长度是微带线定向耦合器最高工作频率波长的四分之一，所述微带线定向耦合器的微带线的宽度和间隔由修正耦合度和介质厚度计算，修正耦合度由微带线定向耦合器的技术指标要求的耦合度、最高工作频率、最低工作频率确定。