CN106785454B - 基于垂直安装平面基板方式的宽带巴特勒矩阵及设计方法 - Google Patents

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CN106785454B CN201611083609.5A CN201611083609A CN106785454B CN 106785454 B CN106785454 B CN 106785454B CN 201611083609 A CN201611083609 A CN 201611083609A CN 106785454 B CN106785454 B CN 106785454B
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Abstract

本发明提供一种基于垂直安装平面基板方式的宽带巴特勒矩阵及设计方法，该矩阵通过调整耦合器、交叉跨线、微带移相器，设计过程简单；结构简单、性能优越；使用垂直安装平面基板方式的结构，具备独特宽带工作特性，占据极小的电路空间，低成本。

Description

基于垂直安装平面基板方式的宽带巴特勒矩阵及设计方法
技术领域
本发明涉及无线通信领域，更具体地，涉及一种基于垂直安装平面基板方式的宽带巴特勒矩阵及设计方法。
背景技术
多波束智能天线矩阵系统，在MIMO系统中应用广泛，能够极大提高无线通信系统的容量和稳定性。由于其具备在需要的方向(一般为通信方向)上形成强波束，在不需要的方向上(一般为干扰方向)形成弱波束，因此无线通信系统中的多径衰落与干扰等现象将大大减少。在该系统中，最重要的部分即为波束成形网络。通过对波束成形网络设计的研究，可对馈入天线信号进行筛选与控制，从而提升整体的信干噪比。通过设计提供符合特定幅度和相位特性要求的信号用以馈入相应天线，能够极大地改善系统性能与提高信道容量。巴特勒矩阵由于其结构简单与低损耗的特点广泛应用于波束成形网络的技术中。本文通过耦合器、交叉跨线、微带移相器等电路组成巴特勒矩阵，以实现波束成形网络的功能。
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。传统的分支线结构在耦合器的设计中最为普遍。然而较窄的工作带宽是其局限之处。连接多个分支线结构的耦合器可以拓宽其工作带宽，但随之而来的是占据更大的空间与电路制造的复杂度增加。而基于垂直安装平面基板方式的宽带与紧密耦合特性，耦合器便具备了宽带、插入损耗小、相位平坦、电路尺寸小、结构简单、易于优化的优点。交叉跨线结构的作用是隔离相邻端口的信号、直通相对端口的信号。基于垂直安装平面基板方式设计的交叉跨线结构也体现出宽带、尺寸小、损耗小的特点。由于耦合器和交叉跨线结构性能的提升，在整体上大大提高了巴特勒矩阵的带宽与相位的准确度。
发明内容
本发明提供一种结构尺寸小、简单、合理，能实现宽带特性的基于垂直安装平面基板方式的宽带巴特勒矩阵。
本发明的又一目的在于提供一种于垂直安装平面基板方式的宽带巴特勒矩阵的设计方法。
为了达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：
一种基于垂直安装平面基板方式的宽带巴特勒矩阵，该矩阵的水平基板包括从上至下依次排布的三层结构：第一层为第一层微带单元，第二层为水平基板，第三层为金属地层；其中，第一层微带单元上设置有微带移相器与若干端口线；该矩阵的垂直面包括宽带正交耦合器与交叉跨线结构，宽带正交耦合器采用基于垂直安装平面基板方式，包括从左到右三层结构：第一层为第一微带介质耦合单元，第二层为第一基板，第三层为第二微带介质耦合单元，交叉跨线结构采用基于垂直安装平面基板方式，包括从左到右三层结构：第一层为第三微带介质耦合单元，第二层为第二基板，第三层为第四微带介质耦合单元；其中，第一微带介质耦合单元上设置有第一微带缝隙，第一微带缝隙将第一微带介质耦合单元均分成两部分，在第一微带介质耦合单元的中心线上设置有两个并列的第一金属化过孔，两个第一金属化过孔相对于第一微带缝隙对称；第三微带介质耦合单元上设置有第二微带缝隙，第二微带缝隙将第三微带介质耦合单元均分成两部分，在第三微带介质耦合单元的中心线上设置有两个并列的第二金属化过孔，两个第二金属化过孔相对于第二微带缝隙对称。
进一步地，所述第一微带介质耦合单元包括第一正面微带单元A1与第一背面微带单元A2；第一正面微带单元A1按原点为中心以垂直方向为轴旋转180°得到第一背面微带单元A2；所述第一正面微带单元A1的中心向左、右均匀分布一定长度的微带缝隙，再从微带缝隙的左右两端点均匀分别向下、上分布微带缝隙至微带介质耦合单元的边缘，由此便形成两个L型、一边重叠、另一边反向的第一微带缝隙；所述第一正面微带单元A1加载两个关于L型重叠边对称的并列第一金属化过孔；所述第一金属化过孔，一端连接第一正面微带单元A1，另一端连接第一背面微带单元A2；所述第一层微带单元上包括四条微带线B1-B4，作为输入、输出端口，连接巴特勒矩阵中的其余器件。
进一步地，第三微带介质耦合单元包括第二正面微带单元C1与第二背面微带单元C2；第二正面微带单元C1按原点为中心以垂直方向为轴旋转180°得到第二背面微带单元C2；所述第二正面微带单元C1的中心向左、右均匀分布一定长度的微带缝隙，再从微带缝隙的左右两端点均匀分别向下、上分布微带缝隙至微带介质耦合单元的边缘，由此便形成两个L型、一边重叠、另一边反向的第二微带缝隙；第二正面微带单元C1加载两个关于L型重叠边对称的并列第二金属化过孔，所述第二金属化过孔，一端连接第二正面微带单元C1，一端连接第二背面微带单元C2。进一步地，所述交叉跨线结构包括四条微带线D1-D4，连接巴特勒矩阵中的其余器件。
进一步地，水平基板介质材料采用厚度为0.813mm的Rogers RO4003C材料，其介电常数为3.38；所述基于垂直安装平面基板方式的宽带正交耦合器，采用微带工艺固定在第一基板上，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；所述基于垂直安装平面基板方式的交叉跨线结构，采用微带工艺固定在第二基板上，介质材料采用厚度为3mm的F4BMX材料，其介电常数为2.2。
进一步地，所述金属地层为铺满良导体的金属地层。
一种基于垂直安装平面基板方式的宽带巴特勒矩阵的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：根据所需中心频率，水平介质基板的相对介电常数，垂直介质基板的相对介电常数与厚度，计算第一微带介质耦合单元的初始长度与高度，然后确定第一微带缝隙的L型重叠部分的长度与微带缝隙的宽度，之后确定第一金属化过孔的半径以满足输入/输出端口间良好的阻抗匹配，然后借助全波电磁仿真软件微调各个参数，完成宽带正交耦合器的设计；
S2：根据所需中心频率，水平介质基板的相对介电常数，垂直介质基板的相对介电常数与厚度，计算第三微带介质耦合单元的初始长度与高度，然后适当地确定第二微带缝隙的L型重叠部分的长度与微带缝隙的宽度，之后确定第二金属化过孔的半径以满足输入/输出端口间良好的阻抗匹配，然后借助全波电磁仿真软件微调各个参数，实现交叉跨线结构的设计；
S3：将基于垂直安装平面基板方式的宽带正交耦合器、基于垂直安装平面基板方式的交叉跨线、微带移相器，按巴特勒矩阵的组建原则搭建起来，然后借助全波电磁仿真软件微调各个参数，实现设计所需的耦合因数与相位差要求。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明通过调整耦合器、交叉跨线、微带移相器，设计过程简单；结构简单、性能优越；使用垂直安装平面基板方式的结构，具备独特宽带工作特性，占据极小的电路空间，低成本。
附图说明
图1为本发明实施例侧面结构示意图；
图2为本发明实施例耦合器结构示意图；
图3为本发明实施例交叉跨线结构示意图；
图4为本发明实施例耦合器结构输出端口仿真的幅度、相位结果图；
图5为本发明实施例交叉跨线结构输出端口仿真的幅度结果图；
图6为本发明实施例俯视结构示意图；
图7为本发明实施例整体结构示意图；
图8为本发明实施例输入端为port1时输出端口仿真和测量的幅度响应结果对比图；
图9为本发明实施例输入端为port1时输出端口仿真和测量的相位响应结果对比图；
图10为本发明实施例输入端为port2时输出端口仿真和测量的幅度响应结果对比图；
图11为本发明实施例输入端为port2时输出端口仿真和测量的相位响应结果对比图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
如图1-3所示，一种基于垂直安装平面基板方式的宽带巴特勒矩阵，该矩阵的水平基板包括从上至下依次排布的三层结构：第一层为第一层微带单元101，第二层为水平基板102，第三层为金属地层103；其中，第一层微带单元101上设置有微带移相器与若干端口线；该矩阵的垂直面包括宽带正交耦合器200与交叉跨线结构300，宽带正交耦合器200采用基于垂直安装平面基板方式，包括从左到右三层结构：第一层为第一微带介质耦合单元104，第二层为第一基板 105，第三层为第二微带介质耦合单元106，交叉跨线结构300采用基于垂直安装平面基板方式包括从左到右三层结构：第一层为第三微带介质耦合单元107，第二层为第二基板 108，第三层为第四微带介质耦合单元109；其中，第一微带介质耦合单元104上设置有第一微带缝隙201，第一微带缝隙201将第一微带介质耦合单元104均分成两部分，在第一微带介质耦合单元104的中心线上设置有两个并列的第一金属化过孔 202，两个第一金属化过孔202相对于第一微带缝隙201对称；第三微带介质耦合单元107上设置有第二微带缝隙301，第二微带缝隙301将第三微带介质耦合单元 107均分成两部分，在第三微带介质耦合单元107的中心线上设置有两个并列的第二金属化过孔302，两个第二金属化过孔302相对于第二微带缝隙301对称。
第一微带介质耦合单元104包括第一正面微带单元A1与第一背面微带单元 A2；第一正面微带单元A1按原点为中心以垂直方向为轴旋转180°得到第一背面微带单元A2；所述第一正面微带单元A1的中心向左、右均匀分布一定长度的微带缝隙，再从微带缝隙的左右两端点均匀分别向下、上分布微带缝隙至微带介质耦合单元的边缘，由此便形成两个L型、一边重叠、另一边反向的第一微带缝隙201；第一正面微带单元A1加载两个关于L型重叠边对称的并列第一金属化过孔202；第一金属化过孔202，一端连接第一正面微带单元A1，另一端连接第一背面微带单元A2；微带单元101上包括四条微带线B1-B4，作为输入、输出端口，连接巴特勒矩阵中的其余器件。第三微带介质耦合单元107包括第二正面微带单元 C1与第二背面微带单元C2；第二正面微带单元C1按原点为中心以垂直方向为轴旋转180°得到第二背面微带单元C2；所述第二正面微带单元C1的中心向左、右均匀分布一定长度的微带缝隙，再从微带缝隙的左右两端点均匀分别向下、上分布微带缝隙至微带介质耦合单元的边缘，由此便形成两个L型、一边重叠、另一边反向的第二微带缝隙301；第二正面微带单元C1加载两个关于L型重叠边对称的并列第二金属化过孔302，所述第二金属化过孔302，一端连接第二正面微带单元C1，一端连接第二背面微带单元C2。
交叉跨线结构300包括四条微带线D1-D4，连接巴特勒矩阵中的其余器件。水平基板介质材料采用厚度为0.813mm的Rogers RO4003C材料，其介电常数为 3.38；所述基于垂直安装平面基板方式的宽带正交耦合器200，采用微带工艺固定在第一基板105上，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；所述基于垂直安装平面基板方式的交叉跨线结构300，采用微带工艺固定在第二基板108上，介质材料采用厚度为3mm的F4BMX材料，其介电常数为2.2；金属地层103为铺满良导体的金属地层。
宽带正交耦合器200与交叉跨线结构300具体电路物理尺寸的参数见表1。其中对于宽带正交耦合器200，W0代表的是50Ω微带线的宽度，W1和L1代表第一微带缝隙201的宽度与长度，L0和L2代表第一微带介质耦合单元104的垂直高度与水平长度，W2代表第一基板105的厚度，R0则代表第一金属过孔202 的半径。对于交叉跨线结构300，Wc0代表的是交叉跨线结构连接输出端口的长度，Wc1和Lc1代表第二微带缝隙301的宽度与长度，Lc0和Lc2代表第三微带介质耦合单元107的垂直高度与水平长度，Wc2代表第二基板108的厚度，Rc0则代表第二金属过孔302的半径。
表1宽带正交耦合器200与交叉跨线结构300具体电路物理尺寸参数 (单位：毫米)
电路参数 W<sub>0</sub> W<sub>1</sub> W<sub>2</sub> L<sub>0</sub> L<sub>1</sub> L<sub>2</sub> R<sub>0</sub>
耦合器 1.89 0.1 0.787 3.9 2 27 0.6
电路参数 W<sub>c0</sub> W<sub>c1</sub> W<sub>c2</sub> L<sub>c0</sub> L<sub>c1</sub> L<sub>c2</sub> R<sub>c0</sub>
交叉跨线 2.5 0.4 3 2.6 1.9 6 0.4
参照图4(本发明实施例宽带正交耦合器200输出端口仿真的幅度、相位结果图)，本宽带正交耦合器200中心频率(1.8GHz)处输出端口间相位差为87.3 °，S参数为S11＝-19.9dB，S21＝-21.2dB，S31＝-3.282dB，S41＝-3.281dB。其中port3与port4输出端口间相位差保持恒定，输出端耦合因数相差1dB的带宽为60.3％。参照图5(本发明实施例交叉跨线结构300输出端口仿真的幅度结果图)，本交叉跨线结构300中心频率(1.8GHz)处S参数为S11＝-27.9dB， S21＝-21.3dB，S31＝-22.4dB，S41＝-0.182dB。其中，在交叉跨线结构100％的带宽中，输出端的S参数保持在-0.04至-0.34dB之间。
本实施例中，基于垂直安装平面基板方式的宽带巴特勒矩阵，由四个垂直安装平面基板方式的宽带正交耦合器200，一个垂直安装平面基板方式的交叉跨线结构 300、水平基板的微带移相器，由若干条端口线互相连接，组成网络。其中微带移相器由弯折的微带线构成。各器件的连接方式见图6(本发明实施例俯视结构示意图)所示。
实施例2
一种基于垂直安装平面基板方式的宽带巴特勒矩阵的设计方法，包括以下步骤：
S1：根据所需中心频率，水平介质基板的相对介电常数，垂直介质基板的相对介电常数与厚度，计算第一微带介质耦合单元104的初始长度与高度，然后确定第一微带缝隙201的L型重叠部分的长度与微带缝隙的宽度，之后确定第一金属化过孔202的半径以满足输入/输出端口间良好的阻抗匹配，然后借助全波电磁仿真软件微调各个参数，完成宽带正交耦合器200的设计；
S2：根据所需中心频率，水平介质基板的相对介电常数，垂直介质基板的相对介电常数与厚度，计算第三微带介质耦合单元107的初始长度与高度，然后适当地确定第二微带缝隙301的L型重叠部分的长度与微带缝隙的宽度，之后确定第二金属化过孔302的半径以满足输入/输出端口间良好的阻抗匹配，然后借助全波电磁仿真软件微调各个参数，实现交叉跨线结构300的设计；
S3：将基于垂直安装平面基板方式的宽带正交耦合器200、基于垂直安装平面基板方式的交叉跨线结构300、微带移相器，按巴特勒矩阵的组建原则搭建起来，然后借助全波电磁仿真软件微调各个参数，实现设计所需的耦合因数与相位差要求。
本发明实施例整体电路物理尺寸的参数表格参数见表2。其中L和W分别代表整体电路的长度和宽度。Wp1代表微带移相器线宽,其长度为(2×Lp1+Lp0)。
表2基于垂直安装平面基板方式的宽带巴特勒矩阵整体电路物理尺寸参数(单位：毫米)
Figure GDA0002648262410000071
从图7(本发明实施例整体结构示意图)可得出本发明实施例的整体结构。依据该结构本发明制作实际的巴特勒矩阵电路进行测试，并与仿真结果对比。
参照图8(本发明实施例输入端为port1时输出端口仿真和测量的幅度响应结果对比图)和图9(本发明实施例输入端为port1时输出端口仿真和测量的相位响应结果对比图)，本巴特勒矩阵中心频率(1.8GHz)处测量的S参数为 S11＝-29.8dB，S51＝-5.7dB，S61＝-6.6dB，S71＝-6.5dB，S81＝-6.8dB。输出端口的相位差分别为∠S51-∠S71＝45.2°，∠S51-∠S61＝85.3°，∠S51-∠S81＝133.7°。其中，输出端口幅度在±6.5dB的带宽达到66.6％，相位差在±10°的带宽达到55.5％。
参照图10(本发明实施例输入端为port2时输出端口仿真和测量的幅度响应结果对比图)和图11(本发明实施例输入端为port2时输出端口仿真和测量的相位响应结果对比图)，本巴特勒矩阵中心频率(1.8GHz)处测量的S参数为 S22＝-20.2dB，S52＝-6.8dB，S62＝-6.3dB，S72＝-6.2dB，S82＝-7.0dB。输出端口的相位差分别为∠S52-∠S72＝-130.3°，∠S52-∠S62＝-266.6°，∠S52-∠S82＝-40.0°。其中，输出端口幅度在±6.5dB的带宽达到55.5％，相位差在±10°的带宽达到 55.5％。
上述所有结果均在水平基板材料为Rogers RO4003C，介电常数为3.38，基板厚度为0.813mm，耦合器垂直基板材料为Rogers RT/Duroid 5870,介电常数为 2.33，基板厚度为0.787mm,交叉跨线结构垂直基板材料为F4BMX，介电常数为 2.2，基板厚度为3mm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高，表明了本发明的方案切实可行。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于垂直安装平面基板方式的宽带巴特勒矩阵，其特征在于，该矩阵的水平基板包括从上至下依次排布的三层结构：第一层为第一层微带单元(101)，第二层为水平基板(102)，第三层为金属地层(103)；其中，第一层微带单元(101)上设置有微带移相器与若干端口线；该矩阵的垂直面包括宽带正交耦合器(200)与交叉跨线结构(300)，宽带正交耦合器(200)采用基于垂直安装平面基板方式，包括从左到右三层结构：第一层为第一微带介质耦合单元(104)，第二层为第一基板(105)，第三层为第二微带介质耦合单元(106)，交叉跨线结构(300)采用基于垂直安装平面基板方式，包括从左到右三层结构：第一层为第三微带介质耦合单元(107)，第二层为第二基板(108)，第三层为第四微带介质耦合单元(109)；其中，第一微带介质耦合单元(104)上设置有第一微带缝隙(201)，第一微带缝隙(201)将第一微带介质耦合单元(104)均分成两部分，在第一微带介质耦合单元(104)的中心线上设置有两个并列的第一金属化过孔(202)，两个第一金属化过孔(202)相对于第一微带缝隙(201)对称；第三微带介质耦合单元(107)上设置有第二微带缝隙(301)，第二微带缝隙(301)将第三微带介质耦合单元(107)均分成两部分，在第三微带介质耦合单元(107)的中心线上设置有两个并列的第二金属化过孔(302)，两个第二金属化过孔(302)相对于第二微带缝隙(301)对称；所述第一微带介质耦合单元(104)包括第一正面微带单元(A1)与第一背面微带单元(A2)；第一正面微带单元(A1)按原点为中心以垂直方向为轴旋转180°得到第一背面微带单元(A2)；所述第一正面微带单元(A1)的中心向左、右均匀分布一定长度的微带缝隙，再从微带缝隙的左右两端点均匀分别向下、上分布微带缝隙至微带介质耦合单元的边缘，由此便形成两个L型、一边重叠、另一边反向的第一微带缝隙(201)；所述第一正面微带单元(A1)加载两个关于L型重叠边对称的并列第一金属化过孔(202)；所述第一金属化过孔(202)，一端连接第一正面微带单元(A1)，另一端连接第一背面微带单元(A2)；所述第一层微带单元(101)上包括四条微带线(B1-B4)，作为输入、输出端口，连接巴特勒矩阵中的其余器件。
2.根据权利要求1所述的基于垂直安装平面基板方式的宽带巴特勒矩阵，其特征在于，第三微带介质耦合单元(107)包括第二正面微带单元(C1)与第二背面微带单元(C2)；第二正面微带单元(C1)按原点为中心以垂直方向为轴旋转180°得到第二背面微带单元(C2)；所述第二正面微带单元(C1)的中心向左、右均匀分布一定长度的微带缝隙，再从微带缝隙的左右两端点均匀分别向下、上分布微带缝隙至微带介质耦合单元的边缘，由此便形成两个L型、一边重叠、另一边反向的第二微带缝隙(301)；第二正面微带单元(C1)加载两个关于L型重叠边对称的并列第二金属化过孔(302)，所述第二金属化过孔(302)，一端连接第二正面微带单元(C1)，一端连接第二背面微带单元(C2)。
3.根据权利要求2所述的基于垂直安装平面基板方式的宽带巴特勒矩阵，其特征在于，所述交叉跨线结构(300)包括四条微带线(D1-D4)，连接巴特勒矩阵中的其余器件。
4.根据权利要求3所述的基于垂直安装平面基板方式的宽带巴特勒矩阵，其特征在于，水平基板介质材料采用厚度为0.813mm的Rogers RO4003C材料，其介电常数为3.38；所述基于垂直安装平面基板方式的宽带正交耦合器(200)，采用微带工艺固定在第一基板(105)上，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；所述基于垂直安装平面基板方式的交叉跨线结构(300)，采用微带工艺固定在第二基板(108)上，介质材料采用厚度为3mm的F4BMX材料，其介电常数为2.2。
5.根据权利要求1-4任一项所述的基于垂直安装平面基板方式的宽带巴特勒矩阵，其特征在于，所述金属地层(103)为铺满良导体的金属地层。
6.一种如权利要求5所述的基于垂直安装平面基板方式的宽带巴特勒矩阵的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：根据所需中心频率，水平介质基板的相对介电常数，垂直介质基板的相对介电常数与厚度，计算第一微带介质耦合单元(104)的初始长度与高度，然后确定第一微带缝隙(201)的L型重叠部分的长度与微带缝隙的宽度，之后确定第一金属化过孔(202)的半径以满足输入/输出端口间良好的阻抗匹配，然后借助全波电磁仿真软件微调各个参数，完成宽带正交耦合器(200)的设计；
S2：根据所需中心频率，水平介质基板的相对介电常数，垂直介质基板的相对介电常数与厚度，计算第三微带介质耦合单元(107)的初始长度与高度，然后适当地确定第二微带缝隙(301)的L型重叠部分的长度与微带缝隙的宽度，之后确定第二金属化过孔(302)的半径以满足输入/输出端口间良好的阻抗匹配，然后借助全波电磁仿真软件微调各个参数，实现交叉跨线的设计；
S3：将基于垂直安装平面基板方式的宽带正交耦合器(200)、基于垂直安装平面基板方式的交叉跨线结构(300)、微带移相器，按巴特勒矩阵的组建原则搭建起来，然后借助全波电磁仿真软件微调各个参数，实现设计所需的耦合因数与相位差要求。
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