CN105244589B - 分支线耦合器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种分支线耦合器及其制造方法，所述分支线耦合器包括：第一平衡式端口、第二平衡式端口、第三平衡式端口和第四平衡式端口；其中，第一平衡式端口和第四平衡式端口通过阻抗为Z2的四分之一波长传输线连接；第一平衡式端口和第二平衡式端口通过阻抗为Z3的四分之一波长传输线连接；第二平衡式端口和第三平衡式端口通过阻抗为Z2的四分之一波长传输线连接；第三平衡式端口和第四平衡式端口通过阻抗为Z3的四分之一波长传输线连接；每个平衡式端口均包括两个单端口；每个平衡式端口的两个单端口间均通过阻抗为Z1的半波长传输线连接。实施本发明的有益效果是，对差模信号具有功率与相位分配功能，有效抑制共模信号。
Description
技术领域
本发明涉及微波技术领域，更具体地说，涉及一种分支线耦合器及其制造方法。
背景技术
在微波毫米波的商业和军事通信系统中，分支线耦合器作为微波系统中重要的一种器件，它按一定的比例对微波信号进行幅度与相位的分配。在平衡放大器、微波网络分析仪、自动增益控制以及信号发生器中的功率装置中都要应用分支线耦合器。并在实现各种功能的微波组件以及整机中，都发挥着重要的作用。
传统的分支线耦合器的设计都是通过引入四分之一波长的传输线，并且都是单端设计。单端设计的分支线耦合器，不具备共模抑制能力因此不能很好的抑制环境噪声，不具备对差分信号进行功率与相位分配的功能，不便与平衡式器件相连接。
因此，现有技术存在缺陷，需要改进。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述分支线耦合器为单端设计的缺陷，提供一种分支线耦合器及其制造方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
第一方面，提供一种分支线耦合器，包括：第一平衡式端口、第二平衡式端口、第三平衡式端口和第四平衡式端口；
其中，第一平衡式端口和第四平衡式端口通过阻抗为Z2的四分之一波长传输线连接；第一平衡式端口和第二平衡式端口通过阻抗为Z3的四分之一波长传输线连接；第二平衡式端口和第三平衡式端口通过阻抗为Z2的四分之一波长传输线连接；第三平衡式端口和第四平衡式端口通过阻抗为Z3的四分之一波长传输线连接；
每个平衡式端口均包括两个单端口；每个平衡式端口的两个单端口间均通过阻抗为Z1的半波长传输线连接。
在一个实施例中，所述阻抗Z1与所述分支线耦合器的带宽成反比。
在一个实施例中，所述阻抗Z2由所述分支线耦合器的功率比决定。
在一个实施例中，所述阻抗Z3由所述分支线耦合器的功率比决定。
在一个实施例中，所述阻抗为Z3的四分之一波长传输线的两端包括切角。
在一个是实例中，所述耦合器的结构通过微带线实现，或通过共面波导和带状线实现。
第二方面，提供一种分支线耦合器的制造方法，包括以下步骤：
将第一平衡式端口和第四平衡式端口通过阻抗为Z2的四分之一波长传输线连接；
将第一平衡式端口和第二平衡式端口通过阻抗为Z3的四分之一波长传输线连接；
将第二平衡式端口和第三平衡式端口通过阻抗为Z2的四分之一波长传输线连接；
将第三平衡式端口和第四平衡式端口通过阻抗为Z3的四分之一波长传输线连接；
分别将每个平衡式端口的两个单端口通过阻抗为Z1的半波长传输线连接。
在一个实施例中，所述方法还包括：
根据所述分支线耦合器所需的功率分配比设定K值，并根据下式分别计算所述阻抗Z2和阻抗Z3:
其中，Z0为大于零的常数。
在一个实施例中，所述方法还包括：
根据所述阻抗Z2确定第一平衡式端口与第四平衡式端口之间，以及第二平衡式端口与第三平衡式端口之间的四分之一波长传输线的宽度；
根据所述阻抗Z3确定第一平衡式端口与第二平衡式端口，以及第三平衡式端口与第四平衡式端口之间的四分之一波长传输线的宽度。
在一个实施例中，所述方法还包括：
根据所述分支线耦合器的带宽确定所述阻抗Z1。
在一个实施例中，所述方法还包括：
根据所述阻抗Z1确定所述半波长传输线的宽度。
实施本发明的分支线耦合器及其制造方法，具有以下有益效果：通过引入四条半波长传输线与四条四分之一波长传输线，实现平衡式分支线耦合器，该耦合器对差模信号具有分支线耦合器功能，即实现对差模信号进行功率分配与相位分配，且该耦合器对共模信号具有很好的抑制作用，抑制环境噪声；通过改变阻抗值Z2和Z3的大小，可实现对差模信号的任意功分比；通过调节半波长传输线的阻抗Z1实现分支线耦合器的带宽控制；并且输出的平衡式端口能与其它平衡式器件直接相连。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例的分支线耦合器的结构示意图；
图2是本发明实施例的分支线耦合器中阻抗Z1与匹配带宽的关系示意图；
图3是本发明实施例的分支线耦合器中阻抗Z1与隔离带宽的关系示意图；
图4是本发明实施例的分支线耦合器的结构图；
图5是本发明实施例的分支线耦合器的差模S参数响应图；
图6是本发明实施例的分支线耦合器的共模响应图；
图7是本发明实施例的分支线耦合器的输出端B与C的相位差示意图；
图8是本发明实施例的分支线耦合器的制造方法的流程图。
具体实施方式
本发明实施例通过提供一种平衡式分支线耦合器，解决了现有技术中分支线耦合器为单端设计，不能很好的抑制环境噪声，不具备对差模信号进行功率与相位分配，不便与平衡式器件相连接的技术问题，实现了对差模信号的功率和相位分配，有效抑制环境噪声，能与其它平衡式器件直接相连的技术效果。
本发明实施例为解决上述技术问题，总体思路如下：
本发明实施例的分支线耦合器包括：第一平衡式端口、第二平衡式端口、第三平衡式端口和第四平衡式端口；其中，第一平衡式端口和第四平衡式端口通过阻抗为Z2的四分之一波长传输线连接；第一平衡式端口和第二平衡式端口通过阻抗为Z3的四分之一波长传输线连接；第二平衡式端口和第三平衡式端口通过阻抗为Z2的四分之一波长传输线连接；第三平衡式端口和第四平衡式端口通过阻抗为Z3的四分之一波长传输线连接；
每个平衡式端口均包括两个单端口；每个平衡式端口的两个单端口间均通过阻抗为Z1的半波长传输线连接。
本发明实施例的分支线耦合器通过设计不同的传输线阻抗来实现任意功率分配比实现差模信号的功率分配和相位分配(输出端相位差为90°)，且由于本发明实施例的分支线耦合器为平衡式的，对环境噪声具有良好的抑制效果，能与其它平衡式器件直接相连。
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
实施例一
参见图1为本发明一实施例的分支线耦合器的结构示意图。本发明实施例的分支线耦合器包括：四个平衡式端口，第一平衡式端口A、第二平衡式端口B、第三平衡式端口C和第四平衡式端口D，每个平衡式端口均由两个单端口构成，共模信号被抑制，差模信号在端口需满足幅度相同，相位相差180°。
具体的，参见图1，第一平衡式端口A包括单端口1和单端口2，单端口1和2之间通过阻抗为Z1的半波长传输线10连接。第二平衡式端口B包括单端口3和单端口4，单端口3和4之间通过阻抗为Z1的半波长传输线10连接。第三平衡式端口C包括单端口5和单端口6，单端口5和6之间通过阻抗为Z1的半波长传输线10连接。第四平衡式端口D包括单端口7和单端口8，单端口7和8之间通过阻抗为Z1的半波长传输线10连接。
第一平衡式端口A和第二平衡式端口B通过阻抗为Z3的四分之一波长传输线30连接；第二平衡式端口B和第三平衡式端口C通过阻抗为Z2的四分之一波长传输线20连接；第三平衡式端口C和第四平衡式端口D通过阻抗为Z3的四分之一波长传输线30连接；第一平衡式端口A和第四平衡式端口D通过阻抗为Z2的四分之一波长传输线20连接。
参见图1，本发明实施例的分支线耦合器通过引入四条半波长传输线与四条四分之一波长传输线实现。本发明实施例的分支线耦合器对差模信号具有分支线耦合器功能，即实现对差模信号进行功率分配与相位分配，且对共模信号具有很好的抑制作用，因此具有抗电磁干扰能力强、对环境噪声抑制效果好的特点。
在本发明的实施例中，四分之一波长传输线的阻抗Z2和Z3分别根据以下公式(1)和(2)确定。
其中，式(1)和(2)中，K由分支线耦合器的功率比确定，端口阻抗Z0预设为50欧(ohm)。具体的，若分支线耦合器的功率比设为m：1，则K的值为m。由此，通过改变四分之一波长传输线的阻抗值Z2和Z3的大小，可实现对差模信号的任意功分比。
半波长传输线10的阻抗Z1与分支线耦合器的工作带宽相关，因此，可以根据工作带宽对阻抗Z1进行设定。具体的，阻抗Z1与工作带宽成反比，参见图2示出了匹配带宽与阻抗Z1的关系。阻抗Z1分别为40欧、60欧和80欧时，匹配带宽随着Z1的增加而减小。参见图3示出了隔离带宽与阻抗Z1的关系。阻抗Z1分别为40欧、60欧和80欧时，匹配带宽随着Z1的增加而减小。
由此，在本发明的实施例中，可通过改变阻抗Z1值来控制分支线耦合器的工作带宽。
图1中θ1和θ2是四分之一波长传输线的电长度，即90°。阻抗为Z1的半波长传输线的电长度相当于180°。四分之一波长传输线的电长度相当于90°。
本发明实施例的传输线(四分之一波长传输线和半波长传输线)为微带线、共面波导或带状线。
在一个实施例中，传输线为微带线。微带线的结构包括上表面的一层金属、中间的一层介质基板和底层的地。其中，介质基板的结构就是一层基片，其厚度可为0.813mm。基片的底部加一层地。传输线位于介质基板的上表面。
参见图4为本发明实施例的分支线耦合器的结构图。
参见图4，本发明实施例的分支线耦合器为中心对称设计。第一平衡式端口A和第二平衡式端口B通过阻抗为Z3的四分之一波长传输线30连接。第三平衡式端口C和第四平衡式端口D通过阻抗为Z3的四分之一波长传输线30连接。
该四分之一波长传输线30的两端进行切角处理，以避免线宽之间的突变引起不必要的损耗。具体的，参见图4，切角的角度可为30度或其它度数。四分之一波长传输线30的长度为L1、宽度为W1。
第二平衡式端口B和第三平衡式端口C通过阻抗为Z2的四分之一波长传输线20连接。第一平衡式端口A和第四平衡式端口D通过阻抗为Z2的四分之一波长传输线20连接。四分之一波长传输线20的长度为L2、宽度为W2。
继续参见图4，第一平衡式端口A的两单端口由阻抗为Z1的半波长传输线10连接。第二平衡式端口B的两单端口由阻抗为Z1的半波长传输线10连接。第三平衡式端口C的两单端口由阻抗为Z1的半波长传输线10连接。第四平衡式端口D的两单端口由阻抗为Z1的半波长传输线10连接。
参见图4，半波长传输线10进行折叠，以减小电路面积。半波长传输线10的长度为L3，宽度为W3。
本发明实施例的分支线耦合器还包括8条馈线40，馈线40一端接主体电路(分支线耦合器的主体电路)，另一端延至基板的边缘。边缘即构成平衡式端口。
上述L1、L2、L3、W1、W2和W3按照下述方式确定：
其中，h为介质基板的高度，W为线宽，εr为介电长度，Z为阻抗值(上述Z2和Z3)。当W/h≤1利用式(3)和(4)计算εe；当W/h>1利用式(5)和(6)计算εe。
得到εe后，根据式(7)进行电长度和物理长度的转换。
其中，f为频率，C为光速。若为半波长传输线，则若为四分之一波长传输线，则
应理解，根据上式(3)-(7)计算得到的值，在实际运用时允许存在一定的误差。
应理解，根据阻抗Z1的值，即可得到W，根据电长度为即可得到L，其中此时的W即为W3，L即为L3。
根据阻抗Z2的值，即可得到W，根据电长度为即可得到L，其中此时的W即为W2，L即为L2。
根据阻抗Z3的值，即可得到W，根据电长度为即可得到L，其中此时的W即为W1，L即为L1。
在一个具体实施例中，设定分支线耦合器的中心频率为1.85GHz，功率比为2:1，匹配带宽为9.8％，隔离带宽为7.7％。则K的值为2，Z1取值为40欧。端口阻抗Z0为50欧，根据式(1)和(2)计算得到Z2＝35.35Ω，Z3＝20.4Ω。
各传输线的长度与宽度分别如下：l1＝17.2mm,l2＝20.7mm,l3＝47.47mm，w1＝6.2mm,w2＝3.1mm,w3＝2.6mm。
微带线介质基板的相对介电常数为3.38，厚度为0.813。
参见图5-图7为该实施例的分支线耦合器的仿真结果图。假定A端口为输入端口，B、C为输出端口，D为隔离端口。Sdd与Scc是混合模式S参数。图5为该实施例的模S参数响应图，其中心频率在1.85GHz，差模回波损耗在1.76-1.92GHz范围内大于15dB。在中心频率点处插入损耗为0.2dB。图6为共模响应图，在通带内，共模信号抑制在20dB以上。图7输出端B与C的相位差。在通带内，输出端口的相位差在通带范围内均为90°±5°。
本发明实施例的分支线耦合器通过引入四条半波长传输线与四条四分之一波长传输线，实现平衡式分支线耦合器，该耦合器对差模信号具有分支线耦合器功能，即实现对差模信号进行功率分配与相位分配，且该耦合器对共模信号具有很好的抑制作用；根据式(1)和(2)可见，对于不同的攻分比K都可以通过改变阻抗值Z2和Z3的大小来实现；通过调节半波长传输线的阻抗Z1实现分支线耦合器的带宽控制。
本发明实施例的分支线耦合器，通过设计不同的传输线阻抗来实现任意功率分配比实现平衡式信号的功率分配，通过使输出端相位差为90°实现差模信号的相位分配；有效抑制共模信号、抑制环境噪声，并且输出的平衡式端口能与其它平衡式器件直接相连。
实施例二
参见图8为本发明实施例分支线耦合器的制造方法的流程图。其包括以下步骤：
S1、将第一平衡式端口和第四平衡式端口通过阻抗为Z2的四分之一波长传输线连接；
S2、将第一平衡式端口和第二平衡式端口通过阻抗为Z3的四分之一波长传输线连接；
S3、将第二平衡式端口和第三平衡式端口通过阻抗为Z2的四分之一波长传输线连接；
S4、将第三平衡式端口和第四平衡式端口通过阻抗为Z3的四分之一波长传输线连接；
S5、分别将每个平衡式端口的两个单端口通过阻抗为Z1的半波长传输线连接。
在一个实施例中，本发明实施例的方法在步骤S1-S5之前还包括：
S11、根据所述分支线耦合器所需的功率分配比设定K值，并根据下式分别计算所述阻抗Z2和阻抗Z3:
其中，Z0为大于零的常数。
S12、根据所述阻抗Z2确定第一平衡式端口与第四平衡式端口之间，以及第二平衡式端口与第三平衡式端口之间的四分之一波长传输线的宽度；
根据所述阻抗Z3确定第一平衡式端口与第二平衡式端口，以及第三平衡式端口与第四平衡式端口之间的四分之一波长传输线的宽度。
S13、根据所述分支线耦合器的带宽确定所述阻抗Z1。
S14、根据所述阻抗Z1确定所述半波长传输线的宽度。
在该实施例中，半波长传输线和四分之一波长传输线可由微带线实现，也可通过共面波导、带状线等其它传输线形式实现。
本发明实施例方法制造的分支线耦合器通过引入四条半波长传输线与四条四分之一波长传输线，实现平衡式分支线耦合器，该耦合器对差模信号具有分支线耦合器功能，即实现对差模信号进行功率分配与相位分配，且该耦合器对共模信号具有很好的抑制作用；通过改变阻抗值Z2和Z3的大小，可实现对差模信号的任意功分比；通过调节半波长传输线的阻抗Z1实现分支线耦合器的带宽控制；可有效抑制共模信号、抑制环境噪声，并且输出的平衡式端口能与其它平衡式器件直接相连。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
流程图中或在本发明的实施例中以其他方式描述的任何过程或方法还包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所述技术领域的技术人员所理解。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (7)
1.一种分支线耦合器，其特征在于，包括：第一平衡式端口、第二平衡式端口、第三平衡式端口和第四平衡式端口；
其中，第一平衡式端口和第四平衡式端口通过阻抗为Z2的四分之一波长传输线连接；第一平衡式端口和第二平衡式端口通过阻抗为Z3的四分之一波长传输线连接；第二平衡式端口和第三平衡式端口通过阻抗为Z2的四分之一波长传输线连接；第三平衡式端口和第四平衡式端口通过阻抗为Z3的四分之一波长传输线连接；阻抗Z2由所述分支线耦合器的功率比决定；阻抗Z3由所述分支线耦合器的功率比决定；
每个平衡式端口均包括两个单端口；每个平衡式端口的两个单端口间均通过阻抗为Z1的半波长传输线连接；阻抗Z1与所述分支线耦合器的带宽成反比。
2.根据权利要求1所述的分支线耦合器，其特征在于，所述阻抗为Z3的四分之一波长传输线的两端包括切角。
3.根据权利要求1所述的分支线耦合器，其特征在于，所述耦合器的结构通过微带线实现，或通过共面波导和带状线实现。
4.一种分支线耦合器的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
将第一平衡式端口和第四平衡式端口通过阻抗为Z2的四分之一波长传输线连接；阻抗Z2由所述分支线耦合器的功率比决定；
将第一平衡式端口和第二平衡式端口通过阻抗为Z3的四分之一波长传输线连接；阻抗Z3由所述分支线耦合器的功率比决定；
将第二平衡式端口和第三平衡式端口通过阻抗为Z2的四分之一波长传输线连接；
将第三平衡式端口和第四平衡式端口通过阻抗为Z3的四分之一波长传输线连接；
分别将每个平衡式端口的两个单端口通过阻抗为Z1的半波长传输线连接；阻抗Z1与所述分支线耦合器的带宽成反比。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据所述分支线耦合器所需的功率分配比设定K值，并根据下式分别计算所述阻抗Z2和阻抗Z3:
其中，Z0为大于零的常数。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据所述阻抗Z2确定第一平衡式端口与第四平衡式端口之间，以及第二平衡式端口与第三平衡式端口之间的四分之一波长传输线的宽度；
根据所述阻抗Z3确定第一平衡式端口与第二平衡式端口，以及第三平衡式端口与第四平衡式端口之间的四分之一波长传输线的宽度。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据所述分支线耦合器的带宽确定所述阻抗Z1；
根据所述阻抗Z1确定所述半波长传输线的宽度。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
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| TR01 | Transfer of patent right |