CN104993205A

CN104993205A - 微带折叠线定向耦合器

Info

Publication number: CN104993205A
Application number: CN201510390299.0A
Authority: CN
Inventors: 颜光友; 黄桃
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2015-07-06
Filing date: 2015-07-06
Publication date: 2015-10-21

Abstract

本发明公开了一种微带折叠线定向耦合器，属于通信技术领域。该定向耦合器包括：基板，主信号线，耦合信号线，两对开路枝节加载线。本发明中电磁波主要能量通过主信号线进行传输，主信号线和耦合信号线通过分布电感和电容进行能量耦合，且他们的结构有别于传统的平行线耦合器，而是采用折叠线的结构实现，特别有利于耦合器的小型化。在输入和输出端内侧分别采用一对错开的平行开路枝节加载，调节加载线的尺寸可以有效地改善耦合器的方向性和端口匹配。该结构特别适用于对电路尺寸小型化和方向性要求高的场合，特别是在微波低频段小型化程度优势更加明显，加工简单，具有一定的实用价值。

Description

微带折叠线定向耦合器

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体涉及一种微带折叠线定向耦合器。

背景技术

定向耦合器是一种具有方向性的功率耦合元件，在微波电路与系统中有着广泛的使用，如用于功率监视系统、测量系统、功率的分配与合成系统，它是一种特殊的功率分配元器件。随着近年来加工工艺，微波固态器件及高介电常数的微波材料的发展，微波集成电路(MIC)集成度越来越高，体积要求越来越小，微波系统对其重要组成部分的定向耦合器指标要求越来越高。定向耦合器的主要指标有耦合度、方向性、隔离度、输入驻波比VSWR、工作频段宽度。在现代微波设备中希望定向耦合器方向性好，带宽宽，驻波小、插损小、尺寸小、加工简单。

目前，传统的定向耦合器的结构如图1所示，它的耦合区由一对平行的直线段组成，这种定向耦合器虽然具有结构简单的优点，但是其占用的尺寸比较大，方向性和带宽都较差，不适用于对指标要求较高的微波系统中。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微带折叠线定向耦合器，旨在解决传统平行线定向耦合器尺寸过大，方向性较差，带宽窄以及耦合平坦度较差的不足。在提高其电气性能指标的同时还大大的缩小了电路尺寸，同时可以根据不同的设计指标通过调整电路的尺寸以达到设计目标。

为了实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种微带折叠线定向耦合器，包括：基板、设于基板正面的主信号线、耦合信号线及两对开路枝节加载线，其特征在于：主信号线与耦合信号线为光滑弯曲的折叠微带线，且均包括输入段、输出段及设于输入输出段之间的耦合区段；耦合区段的主信号线和耦合信号线之间的间隙宽度一致；所述两对开路枝节加载线分别平行交错加载于两信号线的耦合区段两末端。

特别地，所述主信号线和耦合信号线的耦合区段为由半圆环、直线段及四分之一圆环组成的蛇形微带线；

特别的，所述主信号线和耦合信号线的宽度相同；

特别地，所述主信号线的输入段和输出段为直线微带线；

特别的，所述耦合信号线的输入段和输出段包括两个四分之一圆环段和一个直线段组成的折叠微带线；

特别地，所述主信号线和耦合信号线的耦合区段包括三个半圆环段、六个直线段及两个四分之一圆环段；

特别地，所述一对开路枝节加载线的连接端分别有一个端点与耦合区段及输入输出段的四分之一圆环的端点相重合。

本发明的一种微带折叠线定向耦合器，电磁波主要能量通过主信号线进行传输，主信号线和耦合信号线通过分布电感和电容进行能量耦合，且他们的结构有别于传统的平行线耦合器，这里采用折叠线的形式实现，有利于耦合器的小型化。在输入和输出段分别加载一对错开的平行开路枝节加载线，调节加载线的尺寸可以有效地改善耦合器的方向性和端口匹配。

与传统的平行线耦合器相比，本发明的有益效果为：由于采用了折叠结构来对主传输线和副传输线进行弯折，加上该结构在电气性能上所具有的慢波效应，大大缩小了整个电路的尺寸，有利于电路的集成化和小型化；通过两对错开的平行开路枝节加载，产生次耦合信号以减小或抵消隔离端口不需要的信号，增强了传输线的分布电容效应，提高了定向耦合器的方向性和隔离度。

附图说明

图1是传统的平行线耦合器的结构示意图。

图2是本发明实施例的结构示意图。

图3是本发明实施例的仿真结果参数图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例的微带折叠线定向耦合器设计的工作频率为400-500MHz,耦合度C为30dB,介质基板采用Rogers的RO4350，其相对介电常数ε_r为3.48，基板厚度为0.813mm,介质损耗角正切tanδ为0.0037。

所设计的微带折叠线定向耦合器的部分尺寸可以借鉴如图1所示平行线耦合器参数的计算方法。根据所要求的耦合度C计算耦合系数k：

k = 10^{- \frac{C}{20}}

由k可以计算出耦合微带线的奇偶模阻抗Z_oo,Z_oe：

Z_{o e} = Z_{0} \sqrt{\frac{1 + C}{1 - C}}, Z_{o o} = Z_{0} \sqrt{\frac{1 - C}{1 + C}}

已知介质基板参数和耦合线的奇偶模阻抗Z_oo,Z_oe，运用安捷伦公司的ADS电磁仿真软件可以确定传输线的具体尺寸，其中耦合度C主要由间隙S1影响，Wa影响微带线输入和输出段的特性阻抗，如图1所示,L为耦合区线段的长度，Wa为各端口单根微带线特性阻抗Z0为50欧姆时的线宽，Wb为耦合区的线宽，S1为耦合区微带间隙宽度。具体为Z_oe＝51.6Ω,Z_oo＝48.4Ω,L＝101.4mm,S1＝2.83mm,Wa＝1.799,Wb＝1.795mm为了使耦合器在输入输出端口匹配，需要满足特别地，当定向耦合器的耦合度较大时，耦合很弱，奇偶模阻抗相差很小且约等于特性阻抗Z₀，此时Wb约等于Wa，为了设计简便，当耦合度很大时，可以将Wa和Wb取同一个值。

基于以上考虑，下面着重介绍本发明的具体实施方式。

如图2所示的本发明实施例的结构示意图，该定向耦合器包括：基板，主信号线，耦合信号线，开路枝节加载线。主信号线和耦合信号线用折叠线进行弯折，折叠线的线宽为W0，其中输入段201、输出段202及耦合区段205构成主信号线，输入段203、输出段204及耦合区段206构成耦合信号线，两信号线的耦合区段之间的间隙为S。主信号线和耦合信号线在输入输出端形成四个端口，其中A为输入端，B为直通输出端，C为耦合端，D为隔离端。

输入段、输出段连接耦合区段处分别设有一对开路枝节加载线，其形状如编号205所示，为四个矩形金属贴片，其长度和宽度均相等，长为L1，宽为W1，一对开路枝节加载线之间的间隙为g,且内侧的开路枝节加载线的一个端点与主信号线耦合区段的四分之一圆弧的端点重合，外侧的开路枝节加载线的一个端点与输入输出区段的四分之一圆弧的端点重合。优化L1、W1可以改善方向性和端口驻波，如图2所示，本实例中W1＝0.6mm,L1＝2mm,L2＝W0＝1.79mm。

如图2所示，主信号线和耦合信号线的耦合区段都为由三个半圆环段、六个直线段及两个四分之一圆环段组成的蛇形折叠微带线，本实例中R0＝1mm，主信号线的输入段和输出段为直线微带线；耦合信号线的输入段和输出段包括两个四分之一圆环段和一个直线段组成的折叠微带线；该结构的耦合器的耦合度主要由耦合区段之间的间隙S决定，S越大,耦合度C越大，耦合越弱；反之，S越小,耦合度C越小，耦合越强,本实施例的耦合度C＝30dB,S＝2.3mm。

本实施例中，整个耦合器金属条带(微带线)印制在一块厚度为h的介质基板207上,基片的长为a,宽为b。该耦合器的模型采用全局坐标与相对坐标系相结合以及采用全参数化进行建模，a＝2*(6*R0+5*W0+2*S+L2)，b＝32mm，h＝0.813mm。

图3是本发明实施例的仿真结果参数图,在中心频率450MHz处做了四个标记S11,S21,S31,S41，其绝对值分别代表回波损耗RL，插损IL，耦合度C，隔离度I。

从上述实施例可以看出，本发明提出的一种微带折叠线定向耦合器在400～500MHz整个带宽内，回波损耗大于25dB，耦合度C为(30±0.7)dB,方向性(D＝I-C)大于26dB,隔离度I大于56dB，整个电路板尺寸为42.68*32mm^2，比传统的平行线耦合器缩短了50％以上，且方向性和耦合平坦度有了较大改善，具有一定的实用价值。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种微带折叠线定向耦合器，包括：基板、设于基板正面的主信号线、耦合信号线及两对开路枝节加载线，其特征在于：主信号线与耦合信号线为光滑弯曲的折叠微带线，且均包括输入段、输出段及设于输入输出段之间的耦合区段；耦合区段的主信号线和耦合信号线之间的间隙宽度一致；所述两对开路枝节加载线分别平行交错加载于两信号线的耦合区段两末端。

2.如权利要求1所述的一种微带折叠线定向耦合器，其特征在于：所述主信号线和耦合信号线的耦合区段为由半圆环、直线段及四分之一圆环组成的蛇形微带线。

3.如权利要求1所述的一种微带折叠线定向耦合器，其特征在于：所述主信号线和耦合信号线的宽度相同。

4.如权利要求1所述的一种微带折叠线定向耦合器，其特征在于：所述主信号线的输入段和输出段为直线微带线。

5.如权利要求1所述的一种微带折叠线定向耦合器，其特征在于：所述耦合信号线的输入段和输出段包括两个四分之一圆环段和一个直线段组成的折叠微带线。

6.如权利要求1或2所述的一种微带折叠线定向耦合器，其特征在于：所述主信号线和耦合信号线的耦合区段包括三个半圆环段、六个直线段及两个四分之一圆环段组成的蛇形微带线。

7.如权利要求1所述的一种微带折叠线定向耦合器，其特征在于：所述一对开路枝节加载线的连接端分别有一个端点与耦合区段及输入输出段的四分之一圆环的端点相重合。