CN105789808A - 双频微带十字型分支线耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种双频微带十字型分支线耦合器，包括基底以及设置在基底上的输入端口、直通输出端口、耦合输出端口以及隔离端口，还包括第一微带十字节、第二微带十字节、第三微带十字节以及第四微带十字节，第一微带十字节连接在输入端口与直通输出端口之间，第二微带十字节连接在直通输出端口与耦合输出端口，第三微带十字节连接在耦合输出端口与隔离端口之间，第四微带十字节连接在隔离端口与输入端口之间。基于传统分支线耦合器结构，本发明使用十字谐振器模型代替传统的1/4波长阻抗变换器，同时通过ABCD矩阵分析推导计算得出相应元件的参数值，实现端口匹配以及端口隔离，同时具有频率比范围大、体积小的优点。

Description

双频微带十字型分支线耦合器

技术领域

本发明涉及微波通讯中的耦合器领域，特别涉及一种双频微带十字型分支线耦合器。

背景技术

随着无线通信技术的飞速发展，耦合器作为无线通信领域无源器件中的重要组成部分，吸引了越来越多的研究者的关注。特别是双频器件的应用日益广泛，许多无线通信标准基于两个或者更多的频段，因此研究双频耦合器具有重大的意义。

分支线耦合器有着优良的隔离度和良好的端口匹配，被广泛运用于各种微波射频电路中。但是对于传统的分支线耦合器而言，其带宽单一，不适用于双频通信系统。现有文献中所提出的双频分支线耦合器存在频率比范围小，尺寸大等缺陷。

发明内容

本发明针对现有技术中双频分支线耦合器在双频传输中存在的频率比运用范围小，设计尺寸大等缺陷，提供一种小型化，频率比运用范围大，结构设计灵活，具有良好的幅度平衡的双频分支线耦合器，且各端口达到良好的匹配。

本发明的上述目的通过独立权利要求的技术特征实现，从属权利要求以另选或有利的方式发展独立权利要求的技术特征。

为达成上述目的，本发明提出一种双频微带十字型分支线耦合器，包括基底以及设置在基底上的输入端口、直通输出端口、耦合输出端口以及隔离端口，还包括第一微带十字节、第二微带十字节、第三微带十字节以及第四微带十字节，第一微带十字节连接在输入端口与直通输出端口之间，第二微带十字节连接在直通输出端口与耦合输出端口，第三微带十字节连接在耦合输出端口与隔离端口之间，第四微带十字节连接在隔离端口与输入端口之间，其中：

第一微带十字节包括第一微带短路枝节、第一微带开路枝节以及两条特征阻抗和电长度都相同的第一传输线与第二传输线，第二微带十字节包括第二微带短路枝节、第二微带开路枝节以及两条特征阻抗和电长度都相同的第三传输线和第四传输线，所述第三微带十字节与第一微带十字节采用相同的构造，第二微带十字节与第四微带十字节采用相同的构造；

所述输入端口连接第一微带十字节的第一传输线和第四微带十字节的第四微带线，第一微带十字节的第一传输线的另一端连接第一微带十字节的的第二传输线；第一微带十字节的第一微带短路枝节连接第一微带十字节的第一微带开路枝节并加载在第一微带十字节的第一传输线与第二传输线之间，第一微带十字节的第一微带短路枝节通过金属化过孔到地；第二传输线的另一端连接直通输出端口；

第二微带十字节的第三传输线分别连接直通输出端口和第二微带十字节的第二传输线，第二微带十字节的第三传输线的另一端连接第二微带十字节的第四传输线，第二微带十字节的第二微带短路枝节与第二微带十字节的第二微带开路枝节连接并加载在第二微带十字节的第三传输线、第四传输线之间，第二微带十字节的第二短路枝节通过金属化过孔到地，第二微带十字节的第四传输线的另一端连接耦合输出端口；

第三微带十字节的第一传输线连接第二微带十字节的第四传输线和耦合输出端口，第三微带十字节的第二传输线连接第四微带十字节的第三传输线和隔离端口；

第四微带十字节的第三传输线连接第三微带十字节的第四传输线和隔离端口，第四微带十字节的第四传输线连接第一微带十字节的第一传输线和输入端口。

本发明的双频微带十字型分支线耦合器，基于传统分支线耦合器结构，用十字谐振器模型代替传统的1/4波长阻抗变换器，同时通过ABCD矩阵分析推导计算得出相应元件的参数值，实现端口匹配以及端口隔离。

与现有技术相比，本发明的显著优点在于：本发明的双频分支线耦合器结构简单，频率比范围大，具有体积小，结构设计灵活，双频工作等优点。仿真以及测量的结果表明该结构能够达到良好的幅度平衡的效果，适用于双频的现代无线通信系统。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：

图1是本发明的双频微带十字型分支线耦合器的原理电路方框图。

图2-1、2-2是本发明双频分支线耦合器的仿真与实测S参数曲线图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

结合图1所示，一种双频微带十字型分支线耦合器，其特征在于，包括基底以及设置在基底上的输入端口1、直通输出端口2、耦合输出端口3以及隔离端口4，还包括第一微带十字节5、第二微带十字节6、第三微带十字节7以及第四微带十字节8，第一微带十字节连接在输入端口1与直通输出端口2之间，第二微带十字节连接在直通输出端口2与耦合输出端口3，第三微带十字节连接在直通输出端口2与耦合输出端口3之间，第四微带十字节连接在耦合输出端口3与隔离端口4之间。

第一微带十字节包括第一微带短路枝节、第一微带开路枝节以及两条特征阻抗和电长度都相同的第一传输线与第二传输线，第二微带十字节包括第二微带短路枝节、第二微带开路枝节以及两条特征阻抗和电长度都相同的第三传输线和第四传输线，所述第三微带十字节与第一微带十字节采用相同的构造，第二微带十字节与第四微带十字节采用相同的构造。

所述输入端口1连接第一微带十字节的第一传输线和第四微带十字节的第四微带线，第一微带十字节的第一传输线的另一端连接第一微带十字节的的第二传输线；第一微带十字节的第一微带短路枝节连接第一微带十字节的第一微带开路枝节并加载在第一微带十字节的第一传输线与第二传输线之间，第一微带十字节的第一微带短路枝节通过金属化过孔到地；第二传输线的另一端连接直通输出端口2。

第二微带十字节的第三传输线分别连接直通输出端口2和第二微带十字节的第二传输线，第二微带十字节的第三传输线的另一端连接第二微带十字节的第四传输线，第二微带十字节的第二微带短路枝节与第二微带十字节的第二微带开路枝节连接并加载在第二微带十字节的第三传输线、第四传输线之间，第二微带十字节的第二短路枝节通过金属化过孔到地，第二微带十字节的第四传输线的另一端连接耦合输出端口3。

第三微带十字节的第一传输线连接第二微带十字节的第四传输线和输出端口3，第三微带十字节的第二传输线连接第四微带十字节的第三传输线和隔离端口4。

第四微带十字节的第三传输线连接第三微带十字节的第四传输线和隔离端口4，第四微带十字节的第四传输线连接第一微带十字节的第一传输线和输入端口1。

结合图1，每个微带十字节，即第一微带十字节、第二微带十字节、第三微带十字节以及第四微带十字节均呈中心对称结构。

本发明中，所述第一微带十字节、第二微带十字节、第三微带十字节以及第四微带十字节的电参数，通过ABCD矩阵分析和双频分析，求出相应元件的电路参数值，，具体如下：

2(2cos²θ₁-1)＝Z₁Ysin2θ₁(1)

$\frac{sin2{\mathrm{\θ}}_1}{Z_1}+{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_{1}Y=\±\frac{1}{Z_T}---\left(2\right)$

Z₁sin2θ₁-Z₁ ²Ysin²θ₁＝±Z_T.(3)

从上面三个式子可以得出：

Z₁tanθ₁＝±Z_T(4)

$\frac{{\mathrm{tan\θ}}_2}{Z_2}-\frac{1}{Z_3{\mathrm{tan\θ}}_3}=\frac{cos2{\mathrm{\θ}}_1}{\±Z_T{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_1}.---\left(5\right)$

双频分析：

tanθ_1f1＝±tanθ_1f2(6)

θ_1f1，θ_1f2分别是工作在两个所要频率的电长度(θ_1f1<θ_1f2)

从(6)式中解得：

θ_1f1±θ_2f2＝nπ(7a)

n＝1,2,3,…。为了小型化要求，我们使n＝1，即得到：

θ_1f1+θ_2f2＝π.(7b)

${\mathrm{\&theta;}}_1={\mathrm{\&theta;}}_2={\mathrm{\&theta;}}_3=\frac{\mathrm{\&pi;}}{1+m}---\left(8\right)$

m是频率比，在f₁的情况下，(5)式可以写成：

$\frac{{\mathrm{tan\&theta;}}_1}{Z_2}-\frac{1}{Z_3{\mathrm{tan\&theta;}}_1}=\frac{cos2{\mathrm{\&theta;}}_1}{Z_T{\cos }^2{\mathrm{\&theta;}}_1}.---\left(9\right)$

根据设计要求，合理的选择Z₂和Z₃的值即可。

也就是说，在设计时，可按照下述方式来确定各个微带十字节的电参数：根据双频微带十字型分支线耦合器工作在两个不同频率f₁，f₂，两个频率满足下述限定：f₁＝m·f₂，且m＞1，并将两个微带开路枝节的对应特征阻抗Z₂以及两个微带短路枝节的对应特征阻抗Z₃作为自由变量，通过ABCD矩阵分析得到相应的电路参数值：

${\mathrm{\&theta;}}_1={\mathrm{\&theta;}}_2={\mathrm{\&theta;}}_3=\frac{\mathrm{\&pi;}}{1+m}$

Z₁＝Z_T/tanθ₁，

Z₁'＝Z_T'/tanθ₁,

上述θ₁为第一微带十字节、第二微带十字节、第三微带十字节以及第四微带十字节的每个传输线的电长度，θ₂、θ₃分别是两个微带开路枝节和短路枝节对应的电长度；Z_T是输入端口1到直通输出端口2之间连接的等效电阻，Z_T’是直通输出端口2到隔离端口3之间连接的等效电阻，Z_T＝35.35Ω，Z_T’＝50Ω。

本发明根据ABCD矩阵分析得到的相应元件参数，设计了一个工作在频率为1GHz和3.5GHz的双频分支线耦合器，其介质板(基底)介电常数为3.55，尺寸大小为4.5mm×4.4mm，

图2-1、2-2为实测结果与仿真结果的S参数对比图。测量结果表明，两个中心频点处的回波损耗大于25dB，端口间的隔离度大于20dB。本发明实测结果表明该双频分支线耦合器能够达到良好的幅度平衡的效果，在幅度平衡和小型化方面具有很大的优势，适用于双频的现代无线通信系统。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (5)

1.一种双频微带十字型分支线耦合器，其特征在于，包括基底以及设置在基底上的输入端口(1)、直通输出端口(2)、耦合输出端口(3)以及隔离端口(4)，还包括第一微带十字节、第二微带十字节、第三微带十字节以及第四微带十字节，第一微带十字节连接在输入端口(1)与直通输出端口(2)之间，第二微带十字节连接在直通输出端口(2)与耦合输出端口(3)，第三微带十字节连接在耦合输出端口(3)与隔离端口(4)之间，第四微带十字节连接在隔离端口(4)与输入端口(1)之间，其中：

第一微带十字节包括第一微带短路枝节、第一微带开路枝节以及两条特征阻抗和电长度都相同的第一传输线与第二传输线，第二微带十字节包括第二微带短路枝节、第二微带开路枝节以及两条特征阻抗和电长度都相同的第三传输线和第四传输线，所述第三微带十字节与第一微带十字节采用相同的构造，第二微带十字节与第四微带十字节采用相同的构造；

所述输入端口(1)连接第一微带十字节的第一传输线和第四微带十字节的第四微带线，第一微带十字节的第一传输线的另一端连接第一微带十字节的的第二传输线；第一微带十字节的第一微带短路枝节连接第一微带十字节的第一微带开路枝节并加载在第一微带十字节的第一传输线与第二传输线之间，第一微带十字节的第一微带短路枝节通过金属化过孔到地；第二传输线的另一端连接直通输出端口(2)；

第二微带十字节的第三传输线分别连接直通输出端口(2)和第二微带十字节的第二传输线，第二微带十字节的第三传输线的另一端连接第二微带十字节的第四传输线，第二微带十字节的第二微带短路枝节与第二微带十字节的第二微带开路枝节连接并加载在第二微带十字节的第三传输线、第四传输线之间，第二微带十字节的第二短路枝节通过金属化过孔到地，第二微带十字节的第四传输线的另一端连接耦合输出端口(3)；

第三微带十字节的第一传输线连接第二微带十字节的第四传输线和耦合输出端口(3)，第三微带十字节的第二传输线连接第四微带十字节的第三传输线和隔离端口(4)；

第四微带十字节的第三传输线连接第三微带十字节的第四传输线和隔离端口(4)，第四微带十字节的第四传输线连接第一微带十字节的第一传输线和输入端口(1)。

2.根据权利要求1所述的双频微带十字型分支线耦合器，其特征在于，所述第一微带十字节、第二微带十字节、第三微带十字节以及第四微带十字节均呈中心对称结构。

3.根据权利要求1所述的双频微带十字型分支线耦合器，其特征在于，所述第一微带十字节、第二微带十字节、第三微带十字节以及第四微带十字节的电参数由下述方式产生：

根据双频微带十字型分支线耦合器工作在两个不同频率f₁，f₂，两个频率满足下述限定：f₁＝m·f₂，且m＞1，并将两个微带开路枝节的对应特征阻抗Z₂以及两个微带短路枝节的对应特征阻抗Z₃作为自由变量，通过ABCD矩阵分析得到相应的电路参数值：

${\mathrm{\&theta;}}_1={\mathrm{\&theta;}}_2={\mathrm{\&theta;}}_3=\frac{\mathrm{\&pi;}}{1+m}$

Z₁＝Z_T/tanθ₁，

Z₁'＝Z_T'/tanθ₁,

上述θ₁为第一微带十字节、第二微带十字节、第三微带十字节以及第四微带十字节的每个传输线的电长度，θ₂、θ₃分别是两个微带开路枝节和短路枝节对应的电长度；Z_T是输入端口(1)到直通输出端口(2)之间连接的等效电阻，Z_T’是直通输出端口(2)到隔离端口(3)之间连接的等效电阻，Z_T＝35.35Ω，Z_T’＝50Ω。

4.根据权利要求1所述的双频微带十字型分支线耦合器，其特征在于，所述每个传输线均为微带传输线。

5.根据权利要求1所述的双频微带十字型分支线耦合器，其特征在于，所述双频微带十字型分支线耦合器的工作在频率为1GHz和3.5GHz，其基底的介电常数为3.55。