CN104852112B

CN104852112B - 一种频率和相位可重构的混合耦合器及其设计方法

Info

Publication number: CN104852112B
Application number: CN201510135978.3A
Authority: CN
Inventors: 郑少勇; 蒲星宇
Original assignee: SYSU CMU Shunde International Joint Research Institute
Current assignee: SYSU CMU Shunde International Joint Research Institute
Priority date: 2015-03-26
Filing date: 2015-03-26
Publication date: 2018-08-03
Anticipated expiration: 2035-03-26
Also published as: CN104852112A

Abstract

本发明提出了一种频率和相位可重构的混合耦合器及其设计方法，所述耦合器由四条两两平行的微带线，四条端口阻抗匹配线，四个隔直电容，四个射频扼流圈，四个变容二极管以及介质基板和金属地组成。所述四条微带线和四条端口阻抗匹配线用来构成基本的分支线耦合器，所述变容二极管用来实现耦合器的相位和频率可重构功能；本发明首次提出了相位和频率可重构的定向耦合器，将功分器件和移相器件合二为一，可广泛应用在波束成形、天线阵等系统中。

Description

一种频率和相位可重构的混合耦合器及其设计方法

技术领域

本发明涉及微波、毫米波通信中使用的耦合器，特别涉及一种可同时实现频率和相位可重构的混合耦合器，以及该耦合器的设计方法。

背景技术

耦合器是一种具有方向性的功率分配元件，它能从主传输系统的正向波中按照不同比例把功率分配到耦合端。在功率增益控制器件、平衡放大器、调制解调电路、相控阵雷达系统的馈电网络中，都需要用到耦合器。一直以来，人们对耦合器的研究主要集中在带宽增强，双频带，任意的功分比和差分相位以及频率、耦合系数可重构方面，可重构相位的耦合器至今从未实现。

事实上，在相位天线阵中，到达每个天线的信号相位需要通过波束成形网络进行精确控制，这通常是通过在功分器或者混合耦合器之后级联可调的移相器实现，但移相器的引入会导致整个前馈网络产生高的插入损耗，大的相位偏差以及较大的尺寸等问题，假如功率分配单元可以实现相位可重构，就可以去掉多元的移相单元，上述问题将迎刃而解，所以，相位可重构特性在波束成形技术中至关重要。

因此，本发明提出一种实现相位可重构的混合耦合器，它同时还具有频率可重构特性。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有波束成形技术中存在的不足，并填补耦合器在可调相位特性研究中的空白，而提供一种结构简单、合理，能实现可调相位和可调频率输出的混合耦合器。

本发明的目的通过以下技术措施解决。

一种频率和相位可重构的混合耦合器，其特征是，包括从上至下依次排布的三层结构：第一层为微带单元，第二层为基板，第三层为金属地层；其中，第一层微带单元上设有加载变容二极管的分支线耦合器，该分支线耦合器主要由分支线耦合线路、隔直电容、射频扼流圈和变容二极管组成。

所述分支线耦合线路由四条微带线和四条阻抗匹配线构成，所述四条微带线围成四边形、且各条微带线分别作为四边形的一边，第一微带线和第二微带线为一组，第三微带线和第四微带线为另一组，每一组内的两条微带线之间相互平行且结构一致，其中，第一微带线和第二微带线作为四边形的左右两侧竖直边，第三微带线和第四微带线作为四边形的上下两侧水平边，所述四条端口阻抗匹配线分别拼接在第三微带线和第四微带线的两端。

所述第一微带线和第二微带线的两端分别依次连接有隔直电容、射频扼流圈和变容二极管。

所述射频扼流圈一端跨接在隔直电容和变容二极管之间，另一端通过导线输入直流电压，提供给变容二极管；所述变容二极管一段连接在隔直电容和射频扼流圈之间，另一端通过金属过孔接地。

所述变容二极管型号为Skyworks SMV1265，通过改变偏置电压值在0-30V之间，提供0.71pF到22.47pF的电容值。

所述加载有变容二极管的分支线耦合器，采用微带工艺固定在基板上，基板为介质材料基板，介质材料采用厚度为0.6-0. 8mm的Rogers RT/Duroid 5870材料，其介电常数在2.25-2.35之间；如：介质材料采用厚度为0.787mm的Rogers RT/Duroid 5870材料，其介电常数为2.33。

所述金属地层为铺满良导体的金属地层。

所述混合耦合器在保证等功分输出的前提下，可提供45°-135°的可调差分相位输出；且所述混合耦合器在0.8GHz-1.1GHz频率范围内可调

所述耦合器结构还可以用以实现其它无源器件（如功分器，移相器）功能。

本发明的另一目的还在于提供一种频率和相位可重构的混合耦合器可重构相位的设计方法。

一种频率和相位可重构的混合耦合器可重构相位的设计方法，其特征是，首先，根据所需中心频率，初始差分相位以及3dB定向耦合器的设计方法，按等功分、低反射和高隔离的要求，以确定四条微带线的宽度和长度以及变容二极管电容的初始值，然后，固定中心频率，通过改变变容二极管上的电压改变其电容值来实现不同的差分相位输出；其中，四个变容二极管，沿水平轴对称分布的每一对二极管上的电压相等。

作为设计方法的另一实施方案，一种频率和相位可重构的混合耦合器可重构频率的设计方法，其特征是，首先，根据初始中心频率，差分相位以及3dB定向耦合器的设计方法，按等功分、低反射和高隔离的要求，以确定四条微带线的宽度和长度以及变容二极管电容的初始值，然后，固定输出差分相位，通过改变变容二极管上的电压改变其电容值来实现不同的频率范围；其中，四个变容二极管，沿水平轴对称分布的每一对二极管上的电压相等。

本发明的有益效果如下。

（1）本发明首次提出了一种相位和频率可重构的耦合器，将波束成形技术中的功分器件和移相器件合二为一，非常适合于相位天线阵等无线通信系统的应用。

（2）与现有技术相比，实施本发明中所采用的相位和频率可重构耦合器，具有以下有益效果：1、通过在分支线耦合器上加载变容二极管，可实现任意差分相位，任意中心频率输出；2、尺寸小，可实现小型化，易于集成；3、使用平面微带结构，结构简单，成本低；4、可实现的可调相位角度范围广。

附图说明

图1为本发明实施例侧面结构示意图。

图2为本发明实施例第一层上层微带整体结构示意图。

图3为本发明实施例在不同的偏置电压下实现的可重构差分相位仿真和测量结果对比图。

图4为图3所对应的不同状态的电容和偏置电压参数表格。

图5为本发明实施例输出差分相位为45°时仿真和测量的幅度响应结果对比图。

图6为本发明实施例输出差分相位为45°时仿真和测量的相位响应结果对比图。

图7为本发明实施例输出差分相位为90°时仿真和测量的幅度响应结果对比图。

图8为本发明实施例输出差分相位为90°时仿真和测量的相位响应结果对比图。

图9为本发明实施例输出差分相位为135°时仿真和测量的幅度响应结果对比图。

图10为本发明实施例输出差分相位为135°时仿真和测量的相位响应结果对比图。

图11为本发明实施例加载不同变容二极管时（预设C₁=C₂）对应的S₁₁测量结果图。

图12为图11所对应的不同状态的电容和偏置电压参数表格。

图13为本发明实施例中心频率为0.8GHz时仿真和测量的幅度响应结果对比图。

图14为本发明实施例中心频率为0.8GHz时仿真和测量的相位响应结果对比图。

图15为本发明实施例中心频率为1.1GHz时仿真和测量的幅度响应结果对比图。

图16为本发明实施例中心频率为1.1GHz时仿真和测量的相位响应结果对比图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例所采用的技术方案进行清晰、详细的说明，所描述的实施例仅仅是本发明中的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，都属于本发明实施例的保护范围。

结合图1和图2所示，一种频率和相位可重构的混合耦合器，其特征是，包括从上至下依次排布的三层结构：第一层为微带单元101，第二层为基板102，第三层为金属地层103；其中，第一层微带单元101上设有加载变容二极管的分支线耦合器200，该分支线耦合器200主要由分支线耦合线路201、隔直电容202、射频扼流圈203和变容二极管204组成。

所述分支线耦合线路201由四条微带线A1、A2、A3、A4和四条阻抗匹配线B1、B2、B3、B4构成，所述四条微带线A1、A2、A3、A4围成四边形、且各条微带线分别作为四边形的一边，所述第一微带线A1和第二微带线A2为一组，第三微带线A3和第四微带线A4为另一组，每一组内的两条微带线之间相互平行且结构一致，其中，第一微带线A1和第二微带线A2作为四边形的左右两侧竖直边，第三微带线A3和第四微带线A4作为四边形的上下两侧水平边，所述四条端口阻抗匹配线B1、B2、B3、B4分别拼接在第三微带线A3和第四微带线A4的两端。

所述第一微带线A1和第二微带线A2的两端分别依次连接有隔直电容202、射频扼流圈203和变容二极管204；即：第一微带线A1和第二微带线A2的两端依次共连接有四个隔直电容202，四个射频扼流圈203和四个变容二极管204。

所述射频扼流圈203一端跨接在隔直电容202和变容二极管204之间，另一端通过导线输入直流电压，提供给变容二极管204；所述变容二极管204一段连接在隔直电容202和射频扼流圈203之间，另一端通过金属过孔205接地，该金属过孔半径为R_V，位于边长为W_V的正方形贴片上。

所述变容二极管204型号为Skyworks SMV1265，通过改变偏置电压值在0-30V之间，提供0.71pF到22.47pF的电容值。

所述加载有变容二极管的分支线耦合器200，采用微带工艺固定在基板102上，基板102为介质材料基板102，介质材料采用厚度为0.6-0. 8mm的Rogers RT/Duroid 5870材料，其介电常数在2.25-2.35之间，如：介质材料采用厚度为0.787mm的Rogers RT/Duroid5870材料，其介电常数为2.33。

所述金属地层103为铺满良导体的金属地层103。

所述混合耦合器在保证等功分输出的前提下，可提供45°-135°的可调差分相位输出；且所述混合耦合器在0.8GHz-1.1GHz频率范围内可调。

所述耦合器的结构还可以用以实现其它无源器件（如功分器，移相器）功能。

一种频率和相位可重构的混合耦合器可重构相位的设计方法，其特征是，首先，需要说明的是，四个变容二极管204，沿水平轴对称分布的每一对二极管上的电压相等，即连接在A1两端的两个变容二极管输入电压均为V₁，以提供相同的电容值C₁，连接在A2两端的两个变容二极管输入电压均为V₂，以提供相同的电容值C₂，然后根据所需中心频率（本例为1GHz），初始差分相位（本例为90°）以及3dB定向耦合器的设计方法，即：按照等功分、低反射和高隔离要求，确定各微带线A1、A2、A3、A4的宽度W₁、W₂和长度L₁、L₂以及变容二极管电容的初始值C₁、C₂，然后，固定中心频率（1GHz），通过改变变容二极管上的电压V₁、V₂来改变变容二极管提供的电容值C₁、C₂来实现不同的差分相位输出。

作为另一实施方案，一种频率和相位可重构的混合耦合器可重构频率的设计方法，其特征是，首先，需要说明的是，四个变容二极管204，沿水平轴对称分布的每一对二极管上的电压相等，即连接在A1两端的两个变容二极管输入电压均为V₁，以提供相同的电容值C₁，连接在A2两端的两个变容二极管输入电压均为V₂，以提供相同的电容值C₂，然后根据初始中心频率（本例为1GHz），差分相位（本例为90°）以及3dB定向耦合器的设计方法，即：按照等功分、低反射和高隔离要求，确定各微带线A1、A2、A3、A4的宽度W₁、W₂和长度L₁、L₂以及变容二极管电容的初始值C₁、C₂，然后，固定输出差分相位（90°），通过改变变容二极管上的电压V₁、V₂来改变变容二极管提供的电容值C₁、C₂来实现不同的频率范围。

上述各电路参数为：W₁=1.95mm, L₁=23mm, W₂= 2.34mm, L₂ = 46.1 mm, W_v=3mm,R_v=0.5mm, W₀=2.34mm，以上参数固定不变，其余参数（V₁、V₂或者C₁、C₂）是可以调节的。

参照图3（本发明实施例在不同的偏置电压下实现的可重构差分相位仿真和测量结果对比图），其对应的不同偏置电压值V₁、V₂和电容值C₁、C₂见图4所示。从图3可以看出，本发明可提供45°到135°的可调差分相位输出。

参照图5（本发明实施例输出差分相位为45°时仿真和测量的幅度响应结果对比图）和图6（本发明实施例输出差分相位为45°时仿真和测量的相位响应结果对比图），对应的V₁=4.2V，V₂=17V，此时，本耦合器中心频率（1GHz）处差分相位输出为45.6°，测量的S参数为S₁₁=-20.1dB，S₃₁= -3.74 dB，S₄₁=-4.14dB，S₂₁=-14.9dB。

参照图7（本发明实施例输出差分相位为90°时仿真和测量的幅度响应结果对比图）和图8（本发明实施例输出差分相位为90°时仿真和测量的相位响应结果对比图），此时V₁=V₂=4.8V。

参照图9（本发明实施例输出差分相位为135°时仿真和测量的幅度响应结果对比图）和图10（本发明实施例输出差分相位为135°时仿真和测量的相位响应结果对比图），对应的V₁=8V，V₂=3.8V，此时，本耦合器中心频率（1GHz）处差分相位输出为138.5°，测量的S参数为S₁₁=-44.9dB，S₃₁= -3.9 dB，S₄₁=-4.27dB，S₂₁=-15.4dB。

参照图11（本发明实施例加载不同变容二极管时（预设C₁=C₂）对应的S₁₁测量结果图），其对应的不同偏置电压值V₁、V₂和电容值C₁、C₂见图12所示。可以看出，当加载的电容值增大时，耦合器的工作频率减小，可见，在保证满足等功分，低反射，高隔离等条件的前提下，可以通过改变加载电容值的大小调节耦合器的工作频率。

参照图13（本发明实施例中心频率为0.8GHz时仿真和测量的幅度响应结果对比图）和图14本发明实施例中心频率为0.8GHz时仿真和测量的相位响应结果对比图），对应的V₁=V₂=3.7V，此时耦合器在0.8GHz处呈现正交等功分特性。

参照图15（本发明实施例中心频率为1.1GHz时仿真和测量的幅度响应结果对比图）和图16（本发明实施例中心频率为1.1GHz时仿真和测量的相位响应结果对比图），对应的V₁=V₂=6.1V，此时耦合器在1.1GHz处呈现正交等功分特性。

上述所有结果均在基板材料为Rogers RT/Duroid 5870，介电常数为2.33，基板厚度为0.787mm的真实环境下通过网络分析仪测得。通过以上仿真和测试对比图可以发现，仿真和实测曲线的吻合度较高，表明了本发明的方案切实可行。

以上是对本发明一种频率和相位可重构的混合耦合器所提供实施例的详细介绍。本文运用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。

对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上军会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种频率和相位可重构的混合耦合器，其特征是，包括从上至下依次排布的三层结构：第一层为微带单元（101），第二层为基板（102），第三层为金属地层（103）；其中，第一层微带单元（101）上设有加载变容二极管的分支线耦合器（200），该分支线耦合器（200）主要由分支线耦合线路（201）、隔直电容（202）、射频扼流圈（203）和变容二极管（204）组成；所述分支线耦合线路（201）由四条微带线（A1、A2、A3、A4）和四条端口阻抗匹配线（B1、B2、B3、B4）构成，所述四条微带线（A1、A2、A3、A4）围成四边形、且各条微带线分别作为四边形的一边，第一微带线（A1）和第二微带线（A2）为一组，第三微带线（A3）和第四微带线（A4）为另一组，每一组内的两条微带线之间相互平行且结构一致，其中，第一微带线（A1）和第二微带线（A2）作为四边形的左右两侧竖直边，第三微带线（A3）和第四微带线（A4）作为四边形的上下两侧水平边，四条端口阻抗匹配线（B1、B2、B3、B4）分别拼接在第三微带线（A3）和第四微带线（A4）的两端；所述第一微带线（A1）和第二微带线（A2）的两端分别依次连接有隔直电容（202）、射频扼流圈（203）和变容二极管（204）；所述射频扼流圈（203）一端跨接在隔直电容（202）和变容二极管（204）之间，另一端通过导线输入直流电压，提供给变容二极管（204）；所述变容二极管（204）一段连接在隔直电容（202）和射频扼流圈（203）之间，另一端通过金属过孔（205）接地；变容二极管（204）型号为Skyworks SMV1265，通过改变偏置电压值在0-30V之间，提供0.71pF到22.47pF的电容值；所述加载有变容二极管的分支线耦合器（200），采用微带工艺固定在基板（102）上，基板（102）为介质材料基板（102），介质材料采用厚度为0.6-0. 8mm的Rogers RT/Duroid 5870材料，其介电常数在2.25-2.35之间；所述金属地层（103）为铺满良导体的金属地层（103）；所述混合耦合器在保证等功分输出的前提下，可提供45°-135°的可调差分相位输出；且所述混合耦合器在0.8GHz-1.1GHz频率范围内可调。

2.一种如权利要求1所述频率和相位可重构的混合耦合器可重构相位的设计方法，其特征是，首先，根据所需中心频率，初始差分相位以及3dB定向耦合器的设计方法，按等功分、低反射和高隔离的要求，以确定四条微带线（A1、A2、A3、A4）的宽度和长度以及变容二极管（204）电容的初始值，然后，固定中心频率，通过改变变容二极管（204）上的电压改变其电容值来实现不同的差分相位输出；其中，四个变容二极管（204），沿水平轴对称分布的每一对二极管上的电压相等。

3.一种如权利要求1所述频率和相位可重构的混合耦合器可重构频率的设计方法，其特征是，首先，根据初始中心频率，差分相位以及3dB定向耦合器的设计方法，按等功分、低反射和高隔离的要求，以确定四条微带线（A1、A2、A3、A4）的宽度和长度以及变容二极管（204）电容的初始值，然后，固定输出差分相位，通过改变变容二极管（204）上的电压改变其电容值来实现不同的频率范围；其中，四个变容二极管（204），沿水平轴对称分布的每一对二极管上的电压相等。