CN105870566A - 一种端接复阻抗分支线定向耦合器 - Google Patents

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王峥曦
房少军
祝子辉
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Abstract

本发明实施例提供一种端接复阻抗分支线定向耦合器，包括：一个阶跃阻抗传输线、两个π型阻抗变换器、一段微带分支线、一个实阻抗输入端口、一个实阻抗隔离端口和两个复阻抗输出端口；所述阶跃阻抗传输线由第一传输线、第二传输线以及第三传输线组成，所述第一传输线与第三传输线位于两端且阻抗和电长度相同，所述第一传输线、第二传输线以及第三传输线的电长度之和与所述微带分支线的电长度相等，所述π型阻抗变换器包括一段微带线和两段终端开路微带线。本发明实现复数输出阻抗、任意功分比、高方向性、低成本、易加工等特性的端接复阻抗分支线定向耦合器。

Description

一种端接复阻抗分支线定向耦合器
技术领域
本发明实施例涉及分支线定向耦合器领域，尤其涉及一种端接复阻抗分支线定向耦合器。
背景技术
定向耦合器是微波系统中常用的一种有方向性传输特性的功率耦合器件，其主要功能是实现功率的分配、合成、检测与天线阵馈电等。定向耦合器的种类很多，从结构上来分，有微带型、波导型和同轴型等形式；若从耦合装置来分，则有分支线耦合、微带平行耦合线耦合和小孔耦合等形式。定向耦合器在实际中有着广泛的应用。例如可以作为功率分配器、衰减器；可以用来测量传输系统的反射系数；可以用来进行功率检测等。
随着移动通信技术的迅速发展，对微波系统中的器件提出了小型化的要求，并且已经涌现了大量的研究成果。微带分支线定向耦合器因其结构紧凑、性能稳定、制造成本低等特点在微波系统中被广泛应用。
但分支线定向耦合器的输出端与微波系统中的其他元件连接时需要阻抗匹配电路(例如，平衡式放大器中三极管或场效应管的输入、输出阻抗为复阻抗，与定向耦合器连接时，需要在定向耦合器与三极管或场效应管之间加匹配电路)，增加了电路的复杂度，不适合用于微波集成电路中。
发明内容
本发明实施例提供一种端接复阻抗分支线定向耦合器，以克服上述技术问题。
本发明端接复阻抗分支线定向耦合器，包括：
一个阶跃阻抗传输线、两个π型阻抗变换器、一段微带分支线、一个实阻抗输入端口、一个实阻抗隔离端口和两个复阻抗输出端口；
所述阶跃阻抗传输线由第一传输线、第二传输线以及第三传输线组成，所述第一传输线与第三传输线位于两端且阻抗和电长度相同，所述第一传输线、第二传输线以及第三传输线的电长度之和与所述微带分支线的电长度相等，所述π型阻抗变换器包括一段微带线和两段终端开路微带线，所述两段终端开路微带线电长度相等。
进一步地，所述复阻抗输出端口可接任意复阻抗负载。
进一步地，所述实阻抗输入端口可接任意实阻抗馈源。
本发明与现有技术相比有着显著优点：对传统的微带分支线耦合器的设计公式进行改进，推导出端口输入阻抗为复数的耦合器，能够实现不同输入阻抗的耦合器；能够通过不同的设计实现不同的功分比，满足实际应用需要；对设计出的耦合器进行进一步改进，有效地减小了电路的尺寸，便与集成到通信系统中。根据本发明推导出的公式可以实现由任意复数输入阻抗变为实数输入阻抗，同时可以实现任意的功分比。由于采用了上述技术方案，本发明提供的端接复阻抗分支线定向耦合器，具有低成本、易加工、高隔离度和高方向性的特点适于广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明端接复阻抗分支线定向耦合器结构示意图；
图2是本发明端接复阻抗分支线定向耦合器的S参数曲线；
图3是本发明端接复阻抗分支线定向耦合器输出端口间的相位曲线。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明端接复阻抗分支线定向耦合器结构示意图，如图1所示，本实施例的分支线定向耦合器，可以包括：
一个阶跃阻抗传输线101、两个π型阻抗变换器102、一段微带分支线103、一个实阻抗输入端口104、一个实阻抗隔离端口105和两个复阻抗输出端口106；
所述阶跃阻抗传输线由第一传输线107、第二传输线108以及第三传输线109组成，所述第一传输线与第三传输线位于两端且阻抗和电长度相同，所述第一传输线、第二传输线以及第三传输线的电长度之和与所述微带分支线的电长度相等，所述π型阻抗变换器包括一段微带线110和两段终端开路微带线111，所述两段终端开路微带线电长度相等。
进一步地，所述复阻抗输出端口可接任意复阻抗负载。
进一步地，所述实阻抗输入端口可接任意实阻抗馈源。
具体来说，本实施例中实阻抗输入端口与实阻抗隔离端口的输入阻抗都为RL，复阻抗输出端口的输入阻抗为RS+jXS。同时引入了功分比
k = jS 31 S 21
可以实现两输出端口之间的不同功分比。利用奇偶模分析法对各个分支线的长度进行计算。利用奇模和偶模的概念把耦合器的四端口网络转化为两个二端口网络进行分析。在奇模激励的工作情况下，分支线对称面上的电压为零，等效为短路，故可以沿着对称面将定向耦合器分成两个独立的二端口网络；在偶模激励的工作情况下，分支线对称面上的电流为零，等效为开路，故也可以沿对称面将定向耦合器分成两个独立的二端口网络。在两种工作情况下的二端口网络可以得到两个传输矩阵，根据耦合器所需特性对两个传输矩阵进行求解，可得到本发明分支线定向耦合器的设计公式，求解步骤如下：
步骤1：将微带分支线103的电长度θ4作为自由变量求解两个传输矩阵，可以得到
步骤2：将传输线107的特性阻抗Z1与电长度θ1作为自由变量求解两个传输矩阵，可以得到传输线108的特性阻抗
Z 2 = Z 1 ( a 2 cot a 1 + Z 1 tanθ 1 Z 1 - a 2 cot a 1 tanθ 1 ) ( a 2 tan a 1 - Z 1 tanθ 1 Z 1 + a 2 tan a 1 tanθ 1 )
与电长度
其中同时为了保证所设计的耦合器的结构紧凑，选取的Z1、θ1与所得的θ2需满足约束条件2θ1+θ2＝θ4。
步骤3：将传输线110的电长度θ3与传输线111的电长度θ5作为自由变量求解两个传输矩阵，可以得到其中 b3＝kRLRS[1-cosθ4][kRS cosθ4+XS]、b4＝RSk2cos(2a1)-RS-RSk2+kXS cos(2a1)。
如图2至图3所示，本实施例的端接复阻抗分支线定向耦合器在工作频带1.71-1.89GHz内，功分比k＝1，复阻抗输出端口的输入阻抗为65-j10Ω，实阻抗输入端口的输入阻抗为50Ω。根据上述公式，选取θ1＝20°、θ3＝50°、θ4＝84°、θ5＝35°，可以得到Z1＝90Ω、Z2＝40.3Ω、θ2＝44°、Z3＝53.2Ω、Z4＝66.9Ω、Z5＝46.6Ω。根据所得的特性阻抗与电长度设计本发明的分支线定向耦合器，所得耦合器的耦合度C为3.5±0.25dB，隔离度大于20dB，输出端口相位差为90±1.5°。
本实施例采用的技术指标如下：
频率范围：1.71～1.89GHz；
功分比：k＝1；
耦合度：3.5±0.25dB；
隔离度：≥20dB；
输出端口相位差：90±1.5°；
实阻抗输入端阻抗：50Ω；
实阻抗隔离端阻抗：50Ω；
复阻抗输出端阻抗：65-j10Ω。
本发明与现有技术相比有着显著优点：对传统的微带分支线耦合器的设计公式进行改进，推导出端口输入阻抗为复数的耦合器，能够实现不同输入阻抗的耦合器；能够通过不同的设计实现不同的功分比，满足实际应用需要；对设计出的耦合器进行进一步改进，有效地减小了电路的尺寸，便与集成到通信系统中。根据本发明推导出的公式可以实现由任意复数输入阻抗变为实数输入阻抗，同时可以实现任意的功分比。由于采用了上述技术方案，本发明提供的端接复阻抗分支线定向耦合器，具有低成本、易加工、高隔离度和高方向性的特点适于广泛推广。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (3)

1.一种端接复阻抗分支线定向耦合器，其特征在于，包括：
一个阶跃阻抗传输线、两个π型阻抗变换器、一段微带分支线、一个实阻抗输入端口、一个实阻抗隔离端口和两个复阻抗输出端口；
所述阶跃阻抗传输线由第一传输线、第二传输线以及第三传输线组成，所述第一传输线与第三传输线位于两端且阻抗和电长度相同，所述第一传输线、第二传输线以及第三传输线的电长度之和与所述微带分支线的电长度相等，所述π型阻抗变换器包括一段微带线和两段终端开路微带线，所述两段终端开路微带线电长度相等。
2.根据权利要求1所述的分支线定向耦合器，其特征在于，所述复阻抗输出端口可接任意复阻抗负载。
3.根据权利要求1或2所述的分支线定向耦合器，其特征在于，所述实阻抗输入端口可接任意实阻抗馈源。
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