CN106816678A - 一种具有任意输出幅度和相位的横跨定向耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有任意输出幅度和相位的横跨定向耦合器，包括介质基板；所述介质基板上设置有平行耦合微带线、终端短路平行耦合微带线、跨接电容、串联电容以及输入/输出50欧姆传输线。由于本发明采用了电容加载平行耦合微带线，展宽了输出端口幅度和相位任意定向耦合器的带宽。现有较优结构回波损耗大于20dB的相对带宽为5.2％，隔离度大于20dB的相对带宽为9.4％；而本发明实现的回波损耗大于20dB的相对带宽为10.9％，隔离度大于20dB的相对带宽为19.6％。由于本发明采用了终端短路平行耦合微带线结合电容加载平行耦合微带线，实现了较小的电路尺寸，比现有较优结构减小了81.2％。

Description

一种具有任意输出幅度和相位的横跨定向耦合器

技术领域

本发明属于电子技术领域，涉及一种微波器件，具体为一种具有任意输出幅度和相位的横跨定向耦合器。

背景技术

定向耦合器是一种用来分配或合成微波信号功率并具有定向耦合特性的微波/毫米波器件，被应用于信号的提取、功率的监测、源输出功率稳幅、传输和反射的扫频测试等。定向耦合器可等效为四端口网络，在特定的频率范围内信号从一端输入，并在传输线之间通过耦合机制进行能量的耦合，如小孔耦合、分支线耦合、缝隙耦合、耦合线耦合等，最终信号以一定的比例分别从直通端和耦合端输出，隔离端无信号输出。

微带定向耦合器是一种平面结构的定向耦合器，可由印制电路板技术实现，具有体积小、易集成等特点，相比于其他结构的定向耦合器，更易与微波固体器件连接。在圆极化天线馈电网络、Butler矩阵、滤波器、移相器、平衡放大器和镜频抑制混频器等微波毫米波电路中有广泛的应用。

按照隔离端口相对于输入端口的位置，微带定向耦合器可分为同向、反向和横跨三种定向耦合器，具体为：如果输入端与直通端在同一条传输线上，耦合端与隔离端在另一条传输线上，且输入端与隔离端在同一侧，则构成同向耦合器；如果输入端与直通端在同一条传输线上，耦合端与隔离端在另一条传输线上，且输入端与耦合端在同一侧，则构成反向耦合器；如果输入端与隔离端在同一条传输线上，耦合端与直通端在另一条传输线上，且输入端与隔离端在同一侧，则构成横跨定向耦合器。

微带横跨定向耦合器具有低成本、易加工、体积小的特点，同时由于其耦合端和直通端在一条传输线上，故当微带横跨定向耦合器应用于微波电路时，能够避免电路交叉，并简化了电路布局，因此，随着Butler矩阵和平衡放大器的广泛研究与应用，微带横跨定向耦合器的研究受到了关注。

天线阵馈电系统中的移相功分网络由功分器/定向耦合器和移相器构成，传统定向耦合器的输出相位为90°，需要外加移相器以获得不同的馈电相位。但是，由传输线构成的移相器会导致输出信号间的幅度不平衡，并且增加了电路的体积。因此，具有任意输出幅度和相位的定向耦合器受到了学者们的重视。然而，已经报道的任意输出幅度和相位定向耦合器大多由分支线结构组成，属于同向定向耦合器，其工作频带较窄，体积较大。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种工作频带较宽、体积较小的具有任意输出幅度和相位的横跨定向耦合器。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种具有任意输出幅度和相位的横跨定向耦合器，包括介质基板；所述介质基板上设置有平行耦合微带线、终端短路平行耦合微带线、跨接电容、串联电容以及输入/输出50欧姆传输线；所述平行耦合微带线包括第一段平行耦合微带线、第二段平行耦合微带线和第三段平行耦合微带线；所述跨接电容包括第一跨接电容、第二跨接电容和第三跨接电容；所述串联电容包括第一串联电容、第二串联电容、第三串联电容和第四串联电容；所述输入/输出50欧姆传输线包括第一输入/输出50欧姆传输线、第二输入/输出50欧姆传输线、第三输入/输出50欧姆传输线和第四输入/输出50欧姆传输线；

所述第一跨接电容置于第一段平行耦合微带线中间、第二跨接电容置于第二段平行耦合微带线中间、第三跨接电容置于第三段平行耦合微带线中间；

所述终端短路平行耦合微带线左侧的上端和下端分别与第三段平行耦合微带线右侧的上端和下端连接；

所述第一串联电容连接在第一段平行耦合微带线左侧的上端和第一输入/输出50欧姆传输线之间；所述第二串联电容连接在第三段平行耦合微带线右侧的上端和第二输入/输出50欧姆传输线之间；所述第三串联电容连接在第一段平行耦合微带线左侧的下端和第三输入/输出50欧姆传输线之间；所述第四串联电容连接在第三段平行耦合微带线右侧的下端和第四输入/输出50欧姆传输线之间。

进一步地，所述第二串联电容和第四串联电容的容值相等，第一串联电容和第三串联电容的容值相等，第一串联电容和第二串联电容的容值不同。

进一步地，所述横跨定向耦合器的输出幅度和相位由平行耦合微带线的偶模特性阻抗、平行耦合微带线与终端短路平行耦合微带线偶模特性阻抗之比、终端短路平行耦合微带线的电长度和第二串联电容/第四串联电容的容值决定；计算公式如下：

其中，amplitude为输出端口间幅度，phase为输出端口间相位，tan()为相位phase的正切值，Z₀为输入/输出50欧姆传输线特性阻抗，Z_1e为平行耦合微带线的偶模特性阻抗，k₁为平行耦合微带线与终端短路平行耦合微带线偶模特性阻抗之比，θ₁为终端短路平行耦合微带线的电长度，C₃为第二串联电容/第四串联电容的容值。

进一步地，所述平行耦合微带线的长度为四分之一波长。

进一步地，所述第一串联电容和第三串联电容容值的选取以对横跨定向耦合器的性能无影响为原则，即选取容值对于所设计频段的信号传输相当于通路。

进一步地，所述输入/输出50欧姆传输线的电长度相等。

进一步地，所述第一跨接电容与第三跨接电容的容值相等，所述第二跨接电容的容值与第三跨接电容的容值不同。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、由于本发明采用了电容加载平行耦合微带线，展宽了输出端口幅度和相位任意定向耦合器的带宽。现有较优结构回波损耗大于20dB的相对带宽为5.2％，隔离度大于20dB的相对带宽为9.4％；而本发明实现的回波损耗大于20dB的相对带宽为10.9％，隔离度大于20dB的相对带宽为19.6％。

2、由于本发明采用了终端短路平行耦合微带线结合电容加载平行耦合微带线，实现了较小的电路尺寸。现有较优结构45°相位差的尺寸为556.28mm2,本发明结构45°相位差的尺寸为106.65mm2，减小了81.2％。

3、本发明能够实现任意的输出幅度和相位，同时具有易加工、体积小和低成本的特点，适于广泛推广。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是平行耦合微带线和跨接电容的结构示意图；

图3是本发明在偶模激励下的等效电路图；

图4是本发明在奇模激励下的等效电路图；

图5是本发明耦合度为3dB输出相位为60°的结果图；

图6是本发明耦合度为6dB输出相位为45°的结果图。

图中：1、介质基板，2、平行耦合微带线，21、第一段平行耦合微带线，22、第二段平行耦合微带线，23、第三段平行耦合微带线，3、终端短路平行耦合微带线，41、第一跨接电容，42、第二跨接电容，43、第三跨接电容，51、第一串联电容，52、第二串联电容，53、第三串联电容，54、第四串联电容，61、第一输入/输出50欧姆传输线，62、第二输入/输出50欧姆传输线，63、第三输入/输出50欧姆传输线，64、第四输入/输出50欧姆传输线。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

如图1-2所示，一种具有任意输出幅度和相位的横跨定向耦合器，包括介质基板1；所述介质基板1上设置有平行耦合微带线2、终端短路平行耦合微带线3、跨接电容、串联电容以及输入/输出50欧姆传输线；所述平行耦合微带线2包括第一段平行耦合微带线21、第二段平行耦合微带线22和第三段平行耦合微带线23；所述跨接电容包括第一跨接电容41、第二跨接电容42和第三跨接电容43；所述串联电容包括第一串联电容51、第二串联电容52、第三串联电容53和第四串联电容54；所述输入/输出50欧姆传输线包括第一输入/输出50欧姆传输线61、第二输入/输出50欧姆传输线62、第三输入/输出50欧姆传输线63和第四输入/输出50欧姆传输线64；

所述第一跨接电容41置于第一段平行耦合微带线21中间、第二跨接电容42置于第二段平行耦合微带线22中间、第三跨接电容43置于第三段平行耦合微带线23中间；

所述终端短路平行耦合微带线3左侧的上端和下端分别与第三段平行耦合微带线23右侧的上端和下端连接；

所述第一串联电容51连接在第一段平行耦合微带线21左侧的上端和第一输入/输出50欧姆传输线61之间；所述第二串联电容52连接在第三段平行耦合微带线23右侧的上端和第二输入/输出50欧姆传输线62之间；所述第三串联电容53连接在第一段平行耦合微带线21左侧的下端和第三输入/输出50欧姆传输线63之间；所述第四串联电容54连接在第三段平行耦合微带线23右侧的下端和第四输入/输出50欧姆传输线64之间。

进一步地，所述第二串联电容52和第四串联电容54的容值相等，第一串联电容51和第三串联电容53的容值相等，第一串联电容51和第二串联电容52的容值不同。

进一步地，所述横跨定向耦合器的输出幅度和相位由平行耦合微带线2的偶模特性阻抗、平行耦合微带线2与终端短路平行耦合微带线3偶模特性阻抗之比、终端短路平行耦合微带线3的电长度和第二串联电容52/第四串联电容54的容值决定；计算公式如下：

其中，amplitude为输出端口间幅度，phase为输出端口间相位，tan()为相位phase的正切值，Z₀为输入/输出50欧姆传输线特性阻抗，Z_1e为平行耦合微带线2的偶模特性阻抗，k₁为平行耦合微带线2与终端短路平行耦合微带线3偶模特性阻抗之比，θ₁为终端短路平行耦合微带线3的电长度，C₃为第二串联电容52/第四串联电容54的容值。

进一步地，所述平行耦合微带线2的长度为四分之一波长。

进一步地，所述第一串联电容51和第三串联电容53容值的选取以对横跨定向耦合器的性能无影响为原则，即选取容值对于所设计频段的信号传输相当于通路。

进一步地，所述输入/输出50欧姆传输线的电长度相等。

进一步地，所述第一跨接电容41与第三跨接电容43的容值相等，所述第二跨接电容42的容值与第三跨接电容43的容值不同。

如图1所示，所述介质基板1构成本发明耦合器的印刷电路基板，用于承载整个耦合器电路。本发明的介质基板1的厚度设置为1.5mm,介电常数设置为3.5。

在偶模激励下，本发明的横跨定向耦合器的偶模等效电路如图3所示，Z_1e为平行耦合微带线2和终端短路平行耦合微带线3的偶模特性阻抗，θ₁为终端短路平行耦合微带线3的电长度，C₃为第二串联电容52/第四串联电容54的容值，C₄为第一串联电容51/第三串联电容53的容值。

在奇模激励下，本发明的横跨定向耦合器的奇模等效电路如图4所示，Z_1o为平行耦合微带线22和终端短路平行耦合微带线33的奇模特性阻抗，θ₁为终端短路平行耦合微带线33的电长度，C₃为第二串联电容52/第四串联电容54的容值，C₄为第一串联电容51/第三串联电容53的容值，C₁为第二跨接电容42的容值，C₂为第一跨接电容41/第三跨接电容43的容值。

下面描述本发明的两个具体实施例。

实施例1：本实施例横跨定向耦合器的耦合度为3dB，输出端口间相位差为60°/120°。电路的各参数为：Z_1e＝142Ω，Z_1o＝77Ω，C₁＝2.2pF，C₂＝2.5pF，C₃＝3.4pF，C₄＝1μF，θ₁＝60°。

图5显示了本发明实施例1中仿真的S参数和相位差图，其中，S参数用于描述各个端口之间传递信号的情况。Sii是指所有端口接匹配负载时向i端口看去的反射系数；Sij表示其他端口节匹配负载时，j端口到i端口的传输系数。

如图5所示，实施例1的横跨定向耦合器工作的中心频率为1.6GHz。在1.429GHz到1.734GHz的频率范围内，回波损耗和隔离度均大于20dB，耦合度为3.37±0.5dB，输出端口间相位差为60°±4°。

在本发明的具体实施例2中，该横跨定向耦合器的耦合度为6dB，输出端口间相位差为45°/135°。电路的各参数为：Z_1e＝132Ω、Z_1o＝104Ω，C₁＝1.5pF，C₂＝2.3pF，C₃＝1.7pF，C₄＝1μF，θ₁＝45°。

图6显示了本发明实施例2中仿真的S参数和相位差图，其中，S参数用于描述各个端口之间传递信号的情况。Sii是指所有端口接匹配负载时向i端口看去的反射系数；Sij表示其他端口节匹配负载时，j端口到i端口的传输系数。

如图6所示，实施例6的横跨定向耦合器工作的中心频率为1.6GHz。在1.488GHz到1.668GHz的频率范围内，回波损耗大于15dB，隔离度均大于20dB，耦合度为6.6±0.6dB，输出端口间相位差为45°±2.5°。

仿真结果表明该横跨定向耦合器在工作频段范围内能实现任意的输出幅度和相位，同时保证了良好的端口匹配和隔离。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种具有任意输出幅度和相位的横跨定向耦合器，其特征在于：包括介质基板(1)；所述介质基板(1)上设置有平行耦合微带线(2)、终端短路平行耦合微带线(3)、跨接电容、串联电容以及输入/输出50欧姆传输线；所述平行耦合微带线(2)包括第一段平行耦合微带线(21)、第二段平行耦合微带线(22)和第三段平行耦合微带线(23)；所述跨接电容包括第一跨接电容(41)、第二跨接电容(42)和第三跨接电容(43)；所述串联电容包括第一串联电容(51)、第二串联电容(52)、第三串联电容(53)和第四串联电容(54)；所述输入/输出50欧姆传输线包括第一输入/输出50欧姆传输线(61)、第二输入/输出50欧姆传输线(62)、第三输入/输出50欧姆传输线(63)和第四输入/输出50欧姆传输线(64)；

所述第一跨接电容(41)置于第一段平行耦合微带线(21)中间、第二跨接电容(42)置于第二段平行耦合微带线(22)中间、第三跨接电容(43)置于第三段平行耦合微带线(23)中间；

所述终端短路平行耦合微带线(3)左侧的上端和下端分别与第三段平行耦合微带线(23)右侧的上端和下端连接；

所述第一串联电容(51)连接在第一段平行耦合微带线(21)左侧的上端和第一输入/输出50欧姆传输线(61)之间；所述第二串联电容(52)连接在第三段平行耦合微带线(23)右侧的上端和第二输入/输出50欧姆传输线(62)之间；所述第三串联电容(53)连接在第一段平行耦合微带线(21)左侧的下端和第三输入/输出50欧姆传输线(63)之间；所述第四串联电容(54)连接在第三段平行耦合微带线(23)右侧的下端和第四输入/输出50欧姆传输线(64)之间。

2.根据权利要求1所述的一种具有任意输出幅度和相位的横跨定向耦合器，其特征在于：所述第二串联电容(52)和第四串联电容(54)的容值相等，第一串联电容(51)和第三串联电容(53)的容值相等，第一串联电容(51)和第二串联电容(52)的容值不同。

3.根据权利要求1所述的一种具有任意输出幅度和相位的横跨定向耦合器，其特征在于：所述横跨定向耦合器的输出幅度和相位由平行耦合微带线(2)的偶模特性阻抗、平行耦合微带线(2)与终端短路平行耦合微带线(3)偶模特性阻抗之比、终端短路平行耦合微带线(3)的电长度和第二串联电容(52)/第四串联电容(54)的容值决定；计算公式如下：

$tan\left(phase\right)=\frac{\frac{Z_{1e}}{Z_0}-\frac{Z_0}{Z_{1e}}-\frac{k_1{\mathrm{cot\θ}}_1}{{\mathrm{\ωC}}_3{Z}_0}}{k_1{\mathrm{cot\θ}}_1-\frac{1}{Z_{1e}{\mathrm{\ωC}}_3}}$

$amplitude=\frac{\sqrt{({\left(k_1{\mathrm{cot\θ}}_1-\frac{1}{Z_{1e}{\mathrm{\ωC}}_3}\right)}^2+{\left(\frac{Z_{1e}}{Z_0}-\frac{Z_0}{Z_{1e}}-\frac{k_1{\mathrm{cot\θ}}_1}{{\mathrm{\ωC}}_3{Z}_0}\right)}^2)}}{2}$

其中，amplitude为输出端口间幅度，phase为输出端口间相位，tan()为相位phase的正切值，Z₀为输入/输出50欧姆传输线特性阻抗，Z_1e为平行耦合微带线(2)的偶模特性阻抗，k₁为平行耦合微带线(2)与终端短路平行耦合微带线(3)偶模特性阻抗之比，θ₁为终端短路平行耦合微带线(3)的电长度，C₃为第二串联电容(52)/第四串联电容(54)的容值。

4.根据权利要求1所述的一种具有任意输出幅度和相位的横跨定向耦合器，其特征在于：所述平行耦合微带线(2)的长度为四分之一波长。

5.根据权利要求1所述的一种具有任意输出幅度和相位的横跨定向耦合器，其特征在于：所述第一串联电容(51)和第三串联电容(53)容值的选取以对横跨定向耦合器的性能无影响为原则，即选取容值对于所设计频段的信号传输相当于通路。

6.根据权利要求1所述的一种具有任意输出幅度和相位的横跨定向耦合器，其特征在于：所述输入/输出50欧姆传输线的电长度相等。

7.根据权利要求1所述的一种具有任意输出幅度和相位的横跨定向耦合器，其特征在于：所述第一跨接电容(41)与第三跨接电容(43)的容值相等，所述第二跨接电容(42)的容值与第三跨接电容(43)的容值不同。