CN103972632B - 一种频率可调谐微带横跨定向耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种频率可调谐微带横跨定向耦合器，包括介质基板；所述介质基板上设置有平行耦合微带线、变容二极管、用于给所述变容二极管提供反向偏置电压的偏置电压生成电路、以及与所述平行耦合微带线两端相连接的4个输入/输出部；所述平行耦合微带线包括相互平行的第一微带线和第二微带线；所述变容二极管置于所述第一微带线和所述第二微带线之间；本发明能够实现频率可调谐，同时具有易加工、体积小和低成本的特点，适于广泛推广。

Description

一种频率可调谐微带横跨定向耦合器

技术领域

本发明属于电子技术领域，涉及一种微波器件，具体为一种频率可调谐微带横跨定向耦合器。

背景技术

定向耦合器是在特定的频率范围内将输入信号功率按照特定比例分成两个输出信号的四端口微波器件，其主要功能有信号功率分配/合成、功率取样/检测、以及天线阵的馈电等。随着移动通信技术的发展，定向耦合器已经成为混频器、滤波器、平衡功率放大器、移相器、天线阵系统等众多微波电路的重要组成部分。平面电路定向耦合器是定向耦合器的一种实现形式，其由成熟的印制电路板技术实现，具有体积小、易于集成等特点，被广泛应用到军事通信系统、雷达系统和移动通信微波系统等传输、测试和定位相关领域，以及室内覆盖、WLAN和小区覆盖等系统中。

其中，由微带线构成的平面电路定向耦合器，采用印刷的方法制作，与其它结构的定向耦合器相比，微带定向耦合器易与微波固体器件连接、加工工艺简单、易于集成。微带定向耦合器作为一种四端口网络，按照隔离端口相对于输入端口的位置，可分为同向、反向和横跨三种定向耦合器，具体为：如果输入端与直通端在同一条传输线上，耦合端与隔离端在另一条传输线上，且输入端与隔离端在同一侧，则构成同向耦合器；如果输入端与直通端在同一条传输线上，耦合端与隔离端在另一条传输线上，且输入端与耦合端在同一侧，则构成反向耦合器；如果输入端与隔离端在同一条传输线上，耦合端与直通端在另一条传输线上，且输入端与隔离端在同一侧，则构成横跨定向耦合器。微带横跨定向耦合器具有低成本、易加工、体积小的特点，同时由于其耦合端和直通端在一条传输线上，故当微带横跨定向耦合器应用于微波电路时，能够避免电路交叉，并简化了电路布局，因此，随着Butler矩阵和平衡放大器的广泛研究与应用，微带横跨定向耦合器的研究受到了关注，且近年来，随着现代移动无线电通信标准的增加，需要前端微波器件具有可重构特性，以及能够在不同频带内工作。

发明内容

本发明针对以上问题的提出，而研制一种频率可调谐微带横跨定向耦合器。

本发明的技术手段如下：

一种频率可调谐微带横跨定向耦合器，包括介质基板；所述介质基板上设置有平行耦合微带线、变容二极管、用于给所述变容二极管提供反向偏置电压的偏置电压生成电路、以及与所述平行耦合微带线两端相连接的4个输入/输出部；所述平行耦合微带线包括相互平行的第一微带线和第二微带线；所述变容二极管置于所述第一微带线和所述第二微带线之间；

进一步地，所述偏置电压生成电路包括：直流电压源、第一偏置电阻、第二偏置电阻和第一接地部；所述第一偏置电阻一端连接所述直流电压源，另一端连接第一微带线；所述第二偏置电阻一端第二微带线，另一端连接第一接地部；

进一步地，所述偏置电压生成电路还包括：旁路电容和第二接地部；所述旁路电容一端连接所述直流电压源，另一端连接所述第二接地部；

进一步地，所述直流电压源与所述第一偏置电阻和所述旁路电容通过焊片连接；

进一步地，所述变容二极管有3个，分别置于所述平行耦合微带线的两端和中部；

进一步地，所述输入/输出部包括依次串联的第一输入/输出微带线、隔直电容和第二输入/输出微带线；

进一步地，通过改变所述变容二极管的电容值来调节所述微带横跨定向耦合器的工作频率；

进一步地：

根据公式实现改变所述变容二极管的电容值来调节所述微带横跨定向耦合器的工作频率；

其中， $Z_{\mathrm{ce}}=\frac{Z_0}{\sqrt{\frac{-((k^2-1)\·({\tan }^2\left(\frac{\mathrm{\θ}}{2}\right)+{\cot }^2\left(\frac{\mathrm{\θ}}{2}\right))-2)-\sqrt{{((k^2-1)\·({\tan }^2\left(\frac{\mathrm{\θ}}{2}\right)+{\cot }^2\left(\frac{\mathrm{\θ}}{2}\right))-2)}^2-{4k}^4}}{{2k}^2}}},$ z_ce为所述平行耦合微带线的偶模阻抗值、z_co为所述平行耦合微带线的奇模阻抗值、z₀为50欧姆、θ为所述平行耦合微带线的电长度、k为所述微带横跨定向耦合器的耦合度、f₀为所述微带横跨定向耦合器的初始频率、f为所述微带横跨定向耦合器的工作频率、C为所述变容二极管的电容值；

进一步地，所述第一微带线和第二微带线的电长度设置为所述微带横跨定向耦合器的初始频率所对应波长的1/6。

由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种频率可调谐微带横跨定向耦合器，能够实现工作频率随变容二极管的电容值不同而改变，同时所述变容二极管的电容值受偏置电压生成电路提供的反向偏置电压控制，因此改变所述直流电压源输出电压便可调节所述变容二极管的电容值，进而调节所述微带横跨定向耦合器的工作频率，实现频率可调谐，同时具有易加工、体积小和低成本的特点，适于广泛推广。

附图说明

图1是本发明所述微带横跨定向耦合器的结构示意图；

图2是本发明所述微带横跨定向耦合器回波损耗随直流电压源输出电压变化的测试结果图；

图3是本发明所述微带横跨定向耦合器耦合度随直流电压源输出电压变化的测试结果图；

图4是本发明所述微带横跨定向耦合器隔离度随直流电压源输出电压变化的测试结果图；

图5是本发明所述微带横跨定向耦合器输出端相位差随直流电压源输出电压变化的测试结果图。

图中：1、介质基板，2、平行耦合微带线，3、变容二极管，4、偏置电压生成电路，5、输入/输出部，21、第一微带线，22、第二微带线，41、直流电压源，42、第一偏置电阻，43、第二偏置电阻，44、第一接地部，45、旁路电容，46、第二接地部，47、焊片，51、第一输入/输出微带线，52、隔直电容，53、第二输入/输出微带线。

具体实施方式

如图1所示的一种频率可调谐微带横跨定向耦合器，其特征在于包括介质基板1；所述介质基板1上设置有平行耦合微带线2、变容二极管3、用于给所述变容二极管3提供反向偏置电压的偏置电压生成电路4、以及与所述平行耦合微带线2两端相连接的4个输入/输出部5；所述平行耦合微带线2包括相互平行的第一微带线21和第二微带线22；所述变容二极管3置于所述第一微带线21和所述第二微带线22之间；进一步地，所述偏置电压生成电路4包括：直流电压源41、第一偏置电阻42、第二偏置电阻43和第一接地部44；所述第一偏置电阻42一端连接所述直流电压源41，另一端连接第一微带线21；所述第二偏置电阻43一端第二微带线22，另一端连接第一接地部44；进一步地，所述偏置电压生成电路4还包括：旁路电容45和第二接地部46；所述旁路电容45一端连接所述直流电压源41，另一端连接所述第二接地部46；进一步地，所述直流电压源41与所述第一偏置电阻42和所述旁路电容45通过焊片47连接；进一步地，所述变容二极管3有3个，分别置于所述平行耦合微带线2的两端和中部；进一步地，所述输入/输出部5包括依次串联的第一输入/输出微带线51、隔直电容52和第二输入/输出微带线53；进一步地，通过改变所述变容二极管3的电容值来调节所述微带横跨定向耦合器的工作频率；进一步地：根据公式实现改变所述变容二极管3的电容值来调节所述微带横跨定向耦合器的工作频率；其中，

$Z_{\mathrm{ce}}=\frac{Z_0}{\sqrt{\frac{-((k^2-1)\·({\tan }^2\left(\frac{\mathrm{\θ}}{2}\right)+{\cot }^2\left(\frac{\mathrm{\θ}}{2}\right))-2)-\sqrt{{((k^2-1)\·({\tan }^2\left(\frac{\mathrm{\θ}}{2}\right)+{\cot }^2\left(\frac{\mathrm{\θ}}{2}\right))-2)}^2-{4k}^4}}{{2k}^2}}},$

z_ce为所述平行耦合微带线2的偶模阻抗值、z_co为所述平行耦合微带线2的奇模阻抗值、z₀为50欧姆、θ为所述平行耦合微带线2的电长度、k为所述微带横跨定向耦合器的耦合度、f₀为所述微带横跨定向耦合器的初始频率、f为所述微带横跨定向耦合器的工作频率、C为所述变容二极管3的电容值；进一步地，所述第一微带线21和第二微带线22的电长度设置为所述微带横跨定向耦合器的初始频率所对应波长的1/6。

本发明所述介质基板1用于支撑平行耦合微带线2、变容二极管3、偏置电压生成电路4和4个输入/输出部5；所述第一输入/输出微带线51和第二输入/输出微带线53的特性阻抗均为50欧姆；所述变容二极管3跨接在平行耦合微带线2之间，变容二极管3有3个，跨接位置分别为平行耦合微带线2的两端和中间；所述第一接地部44和第二接地部46均与地连接，且采用接地孔的方式；所述第一微带线21和第二微带线22的电长度即θ设置为所述微带横跨定向耦合器的初始频率即f₀所对应波长的1/6，能够有效减小本发明所述微带横跨定向耦合器的体积；所述输入/输出部5包括依次串联的第一输入/输出微带线51、隔直电容52和第二输入/输出微带线53，其中第一输入/输出微带线51与所述微带横跨定向耦合器的的输入/输出端口相连接，第二输入/输出微带线53与平行耦合微带线2相连接，隔直电容52能够防止直流成分馈入与所述微带横跨定向耦合器相连接的其它系统中。

本发明所述微带横跨定向耦合器，能够实现工作频率随变容二极管3的电容值不同而改变，同时所述变容二极管3的电容值受偏置电压生成电路4提供的反向偏置电压控制，因此改变所述直流电压源输出电压便可调节所述变容二极管3的电容值，进而调节所述微带横跨定向耦合器的工作频率，实现频率可调谐，同时具有易加工、体积小和低成本的特点，适于广泛推广。

图2示出了本发明所述微带横跨定向耦合器回波损耗随直流电压源输出电压变化的测试结果图，图3示出了本发明所述微带横跨定向耦合器耦合度随直流电压源输出电压变化的测试结果图，图4示出了本发明所述微带横跨定向耦合器隔离度随直流电压源输出电压变化的测试结果图，图5示出了本发明所述微带横跨定向耦合器输出端相位差随直流电压源输出电压变化的测试结果图；如图2、图3、图4和图5所示，本发明所述微带横跨定向耦合器的技术指标如下：

频率范围：2～4GHz

耦合度：3.0±0.5dB

隔离度：≥15dB

回波损耗：≥15dB

输出端口相位差：90±5°。

本发明所述微带横跨定向耦合器，根据公式实现改变所述变容二极管的电容值来调节所述微带横跨定向耦合器的工作频率；

其中， $Z_{\mathrm{ce}}=\frac{Z_0}{\sqrt{\frac{-((k^2-1)\·({\tan }^2\left(\frac{\mathrm{\θ}}{2}\right)+{\cot }^2\left(\frac{\mathrm{\θ}}{2}\right))-2)-\sqrt{{((k^2-1)\·({\tan }^2\left(\frac{\mathrm{\θ}}{2}\right)+{\cot }^2\left(\frac{\mathrm{\θ}}{2}\right))-2)}^2-{4k}^4}}{{2k}^2}}},$ z_ce为所述平行耦合微带线的偶模阻抗值、z_co为所述平行耦合微带线的奇模阻抗值、z₀为50欧姆、θ为所述平行耦合微带线的电长度、k为所述微带横跨定向耦合器的耦合度、f₀为所述微带横跨定向耦合器的初始频率、f为所述微带横跨定向耦合器的工作频率、C为所述变容二极管的电容值；其中所述微带横跨定向耦合器的耦合度k是已知参数，比如取3dB，所述微带横跨定向耦合器的初始频率f₀是已知参数，可以取所述微带横跨定向耦合器的中心频率，比如3GHz，所述平行耦合微带线的电长度θ是已知的尺寸参数，当设置为所述微带横跨定向耦合器的初始频率即f₀所对应波长的1/6时，其为60度。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种频率可调谐微带横跨定向耦合器，其特征在于包括介质基板(1)；所述介质基板(1)上设置有平行耦合微带线(2)、变容二极管(3)、用于给所述变容二极管(3)提供反向偏置电压的偏置电压生成电路(4)、以及与所述平行耦合微带线(2)两端相连接的4个输入/输出部(5)；所述平行耦合微带线(2)包括相互平行的第一微带线(21)和第二微带线(22)；所述变容二极管(3)置于所述第一微带线(21)和所述第二微带线(22)之间；所述变容二极管(3)有3个，分别置于所述平行耦合微带线(2)的两端和中部；

根据公式实现改变所述变容二极管(3)的电容值来调节所述微带横跨定向耦合器的工作频率；

其中， z_ce为所述平行耦合微带线(2)的偶模阻抗值、z_co为所述平行耦合微带线(2)的奇模阻抗值、z₀为50欧姆、θ为所述平行耦合微带线(2)的电长度、k为所述微带横跨定向耦合器的耦合度、f₀为所述微带横跨定向耦合器的初始频率、f为所述微带横跨定向耦合器的工作频率、C为所述变容二极管(3)的电容值。

2.根据权利要求1所述的一种频率可调谐微带横跨定向耦合器，其特征在于，所述偏置电压生成电路(4)包括：直流电压源(41)、第一偏置电阻(42)、第二偏置电阻(43)和第一接地部(44)；所述第一偏置电阻(42)一端连接所述直流电压源(41)，另一端连接第一微带线(21)；所述第二偏置电阻(43)一端连接第二微带线(22)，另一端连接第一接地部(44)。

3.根据权利要求2所述的一种频率可调谐微带横跨定向耦合器，其特征在于，所述偏置电压生成电路(4)还包括：旁路电容(45)和第二接地部(46)；所述旁路电容(45)一端连接所述直流电压源(41)，另一端连接所述第二接地部(46)。

4.根据权利要求3所述的一种频率可调谐微带横跨定向耦合器，其特征在于所述直流电压源(41)与所述第一偏置电阻(42)和所述旁路电容(45)通过焊片(47)连接。

5.根据权利要求1所述的一种频率可调谐微带横跨定向耦合器，其特征在于所述输入/输出部(5)包括依次串联的第一输入/输出微带线(51)、隔直电容(52)和第二输入/输出微带线(53)。

6.根据权利要求1所述的一种频率可调谐微带横跨定向耦合器，其特征在于所述第一微带线(21)和第二微带线(22)的电长度设置为所述微带横跨定向耦合器的初始频率所对应波长的1/6。