CN106876858A - 一种宽带定向耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及测试仪器领域，具体公开了一种宽带定向耦合器，定向耦合器由依次连接的多个耦合段组成，耦合段包括共面设置的两条耦合带线以及位于耦合带线上方的上部电介质、位于耦合带线下方的下部电介质；同一耦合段中两节耦合带线相互平行设置，且尺寸相同；同一耦合段中，上部电介质与下部电介质的大小、材质相同；不同耦合段中的耦合带线分别首末相连，且在同一平面上。本发明在不同节耦合段采用不同介电常数的电介质，保证了不同节的耦合带线间隔近似相同，不同节的耦合带线自身的宽度也近似相同，通过这种设计方法降低了定向耦合器的耦合度波动以及不连续性，定向耦合器的方向性明显增强。

Description

一种宽带定向耦合器

技术领域

本发明涉及测试仪器领域，尤其涉及一种宽带定向耦合器。

背景技术

定向耦合器广泛应用于微波仪器及设备中，如微波矢量网络分析仪中的方向性设备，在微波信号发生器中用于在输出端检测输出功率的大小以完成自动功率调整，在各类通信系统的收发信机里面用于信号功率的检测。其中，宽带定向耦合器常常用于微波测试仪器中，此时对定向耦合器的指标要求往往较高。定向耦合器的主要指标有、工作频段、插入损耗、耦合度、方向性、隔离度等。在定向耦合器的实际设计中，一般都是根据其应用场景给定耦合度及工作带宽，在此基础上优化设计其他参数，一般要求插入损耗要小，方向性要高，隔离度要大。定向耦合器从器件类型上大体可以分为基于波导器件的及基于微带器件的两大类，其中基于微带器件的定向耦合器一般采用平行耦合线进行设计。

现有的基于微带线的宽带定向耦合器设计方法有：1)基于交叉耦合线的设计，此种设计方法将耦合线放置到多层电介质中；2)基于平行耦合线的设计，此种设计方法将全部微带电路在一层电路板上实现；3)采用多个耦合器进行交叉级联方法。以上几种方式中，不同段耦合线之间需要较为明显的过渡段，这些过渡段的存在导致理论计算及分析结果与实际系统存在不符，进而引起耦合度在所设计频段内波动变大，方向性实际制作结果偏离理论计算等问题。

专利CN202759011U设计了一种三节空气带状线电桥，如图1所示，通过将一对耦合板的中间段相向突出并相互重合形成强耦合区，实现了不需要太高的耦合精度即可实现强耦合，在耦合板的边缘设置缺口或者突起，使电桥腔体内的电磁场不再均匀分布，增强了电桥的隔离。此方法在一定程度上改善了系统耦合度及方向性等指标，但是由于仅仅采用空气作为电介质，使强耦合与弱耦合节之间的设计参数差异较大，而且随着节数的增加，这种差异导致实现的难度越来越大。

与专利CN103367855A中，设置不同节的耦合线到参考地的距离不等，这种方式可以使不同节的耦合线的间隔不变，但不同节的耦合线本身的宽度不同，依然会导致耦合度波动及方向性不高，使耦合器的耦合精度降低。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种宽带定向耦合器。

一种宽带定向耦合器，由依次连接的多个耦合段组成，其中耦合段包括共面设置的两条耦合带线以及位于耦合带线上方的上部电介质、位于耦合带线下方的下部电介质；

同一耦合段中两节耦合带线相互平行设置，且尺寸相同；

同一耦合段中，上部电介质与下部电介质的大小、材质相同；

不同耦合段中的耦合带线分别首末相连，且在同一平面上；

相邻两个耦合段中，耦合带线宽度差与任一条耦合带线的宽度的比值不大于3％；耦合带线的间距差与任意一组耦合带线的间距的比值不大于3％。

进一步的，定向耦合器由N个耦合段组成，N为大于1的奇数，其中N个耦合段中的耦合带线依次共面连接，且以最中间的耦合段为对称中心，相互对称的两个耦合段的尺寸及材质相同。

进一步的，定向耦合器包括三个耦合段，耦合段分别为第一耦合段、第二耦合段、第三耦合段，其中：

第一耦合段包括第一组耦合带线以及第一上部电介质、第一下部电介质；第二耦合段包括第二组耦合带线以及第二上部电介质、第二下部电介质；第三耦合段包括第三组耦合带线以及第三上部电介质、第三下部电介质；

第一组耦合带线、第二组耦合带线、第三组耦合带线依次共面连接，成为两条等间距的长节耦合线；第一上部电介质、第二上部电介质、第三上部电介质分别位于第一组耦合带线、第二组耦合带线、第三组耦合带线的上方；第一下部电介质、第二下部电介质、第三下部电介质分别位于第一组耦合带线、第二组耦合带线、第三组耦合带线的下方；

第一耦合段与第三耦合段的大小以及材质相同，第一耦合段与第二耦合段的大小以及材质不同。

进一步的，第一耦合段与第二耦合段中，第一上部电介质的厚度小于第二上部电介质的厚度。

进一步的，耦合段中耦合带线的电长度为中心工作频率的四分之一波长。

进一步的，耦合段中的上部电介质的上表面、下部电介质的下表面均覆铜，且相邻两个耦合段之间由于电介质高度不同引起的侧面覆铜。

本发明的一种宽带定向耦合器，具有以下有益效果：

本发明在设置不同节耦合段的上部电介质与下部电介质厚度之和不等的同时，在不同节耦合段采用不同介电常数的电介质，保证了不同节的耦合带线间隔近似相同，不同节的耦合带线自身的宽度也近似相同。通过这种设计方法使定向耦合器各个耦合段之间耦合带线的连续性更佳，有效地减小了耦合器的耦合度的波动范围，使耦合器的信号传输效果更好，精度更高。

附图说明

为了更清楚的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简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅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的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1为现有技术中一种空气带状线电桥结构示意图；

图2为本发明的一种宽带定向耦合器的第一个实施例结构图；

图3为本发明的一种宽带定向电桥的耦合段结构图；

图4为本发明的一种宽带定向电桥的耦合段尺寸标注图；

图5为本发明的一种宽带定向耦合器的第二个实施例结构图；

图6为本发明的一种宽带定向耦合器的第二个实施例仿真图；

图7为本发明的一种宽带定向耦合器的第三个实施例结构图；

图8为本发明的一种宽带定向耦合器的第三个实施例仿真图；

图中：1-耦合段、11-第一耦合段、12-第二耦合段、13-第三耦合段、14-第四耦合段、15-第五耦合段、2-耦合带线、21-第一组耦合带线、22-第二组耦合带线、23-第三组耦合带线、24-第四组耦合带线、25-第五组耦合带线、3-上部电介质、31-第一上部电介质、32-第二上部电介质、33-第三上部电介质、34-第四上部电介质、35-第五上部电介质、4-下部电介质、41-第一下部电介质、42-第二下部电介质、43-第三下部电介质、44-第四下部电介质、45-第五下部电介质。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅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，本领域普通的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。

如图2所示，为本发明第一个实施例的一种宽带定向耦合器，由依次连接的多个耦合段1组成，如图3所示，每个耦合段1包括共面设置的两条耦合带线2以及位于耦合带线2上方的上部电介质3、位于耦合带线2下方的下部电介质4。两条耦合带线2相互平行放置，其宽度与长度均相等，耦合带线2的电长度为中心工作频率的四分之一；上部电介质3与下部电介质4的大小以及材质均相同。

多个耦合段1依次连接组成的定向耦合器中，不同耦合段1中的耦合带线2分别首末相连，且在同一平面上；相邻两个耦合段1中，耦合带线2宽度差与任一条耦合带线2的宽度的比值不大于3％，耦合带线2的间距差与任意一组耦合带线2的间距的比值不大于3％，即相邻两个耦合段1中的耦合带线2宽度近似相等，耦合带线2之间的间距也近似相等。相邻两个耦合段1中，耦合带线2的宽度以及耦合带线2的间距越接近，则耦合段1之间的过渡段越小，定向耦合器的耦合度与方向性的波动也会越小，可以明显降低耦合段1之间的不连续性带来的突变响应。

如图4所示，由于耦合带线2的厚度是微米级别，为了便于描述图中耦合带线2在耦合段1中的位置关系，特将耦合带线2突出显示。以一个耦合段1为例分析其参数关系。设定耦合带线2的长度为L,宽度为W,两条耦合带线2之间的距离为S，上部电介质3与下部电介质4的厚度之和为B,介电常数为ε_r，设定耦合段1的耦合度参数为C,则偶模阻抗值Z_e和奇模阻抗值Z_o分别为：

其中，Z₀为系统阻抗。

耦合段1中的各组成部分的参数符合以下关系：

由于单节耦合段1的工作频段很窄，当需要的工作频率较宽时，采用多节耦合段1级联的方式实现。

具体的，定向耦合器由N个耦合段1组成，N为大于1的奇数，其中N个耦合段1中的耦合带线2依次共面连接，且以最中间的耦合段1为对称中心，相互对称的两个耦合段1的尺寸及材质相同。

设定定向耦合器的综合耦合系数为C，则

其中C₁，C₂，...，C_(N+1)/2分别是第一个耦合段1至定向耦合器中位于最中间耦合段1的耦合度，θ为对应工作频率的相位角，考虑最平坦响应时候，令

其中，n＝1，2，…，(N+1)/2。即可根据上述公式得出C_n的值，进而计算出每节耦合段1的偶模阻抗值Z_en和奇模阻抗值Z_on。

在给定参数B及ε_r的情况下，计算出参数W与S。

具体的参数确定方式如下：

(1)首先利用公式

计算出N节(N为奇数)耦合段1的耦合度参数，C₁，C₂，...C_N。

(2)给定耦合段1的待选介电常数值ε_r∈{1.2,1.5,2.2,3.0,3.6,3.8,4.0,4.5,4.8,6.15,9.6,10.2}，并给定耦合段1可行的高度范围离散值B∈{0.1,0.2，…，5}；

(3)利用公式

在给定介电常数ε_ri及给定耦合段1的厚度B_i的情况下，分别计算出每一节耦合段1对应的参数，W₁(ε_r,B),W₂(ε_r,B),…，W_(N+1)/2(ε_r,B)以及S₁(ε_r,B)，S₂(ε_r,B)，…，S_(N+1)/2(ε_r,B)。其中，W_i表示第i节耦合段1的耦合带线宽度，S_i表示第i节耦合段1中耦合带线之间的距离，B_i表示第i节耦合段1中上部电介质3与下部电介质4的厚度之和，其中k_ei,k_oi分别为：

偶模阻抗值Z_ei和奇模阻抗值Z_oi分别为：

(4)给定最中间位置的耦合段1的介电常数厚度利用步骤(3)中的公式，计算出及

(5)对于其他耦合段1，给定一特定值Δ∈{0.1，0.2，…，0.5}，从最小值0.1mm开始，在矩阵W_i(ε_r,B)及S_i(ε_r,B),i＝1，2，…，(N+1)/2，中寻找ε_r及B满足

(6)由步骤(4)得到每一节的介电常数，ε_r1，ε_r2，ε_r3，…，ε_rN，及每一耦合段1的厚度B₁,B₂，B₃，…，B_N(其中，利用对称性得到ε_r1＝ε_rN,ε_r2＝ε_r(N-1),…；B₁＝B_N,B₂＝B_(N-1)，…然后，利用步骤(3)中的公式计算出每一节耦合段中耦合带线2的宽度W₁,W₂，…W_N，及每一节耦合段1中耦合带线2的间距S₁,S₁,…,S_N。

如图5所示，为发明的第二个实施例的一种宽带定向耦合器，本实施例是在上述实施例的基础上，取N＝3的情况。定向耦合器包括三个耦合段1，耦合段1分别为第一耦合段11、第二耦合段12、第三耦合段13，其中第一耦合段11包括第一组耦合带线21以及第一上部电介质31、第一下部电介质41；第二耦合段12包括第二组耦合带线22以及第二上部电介质32、第二下部电介质42；第三耦合段13包括第三组耦合带线23以及第三上部电介质33、第三下部电介质43；第一组耦合带线21、第二组耦合带线22、第三组耦合带线23依次共面连接，成为两条等间距的长节耦合线；第一上部电介质31、第二上部电介质32、第三上部电介质33分别位于第一组耦合带线12、第二组耦合带线22、第三组耦合带线23的上方；第一下部电介质41、第二下部电介质42、第三下部电介质43分别位于第一组耦合带线21、第二组耦合带线22、第三组耦合带线23的下方；第一耦合段11与第三耦合段13的大小以及材质相同，第一耦合段11与第二耦合段12的大小以及材质不同。

根据上述参数确定的方法，设计一款耦合度为20dB、带宽为2GHz-4GHz的定向耦合器，通过计算得出第一耦合段11、第二耦合段12、第三耦合段13的耦合度分别为：C₁＝C₃＝0.0125，即约为38dB；C₂＝0.125,即约为18dB。

本实施例的定向耦合器的参数分别为：

第一耦合段11与第三耦合段13的参数为：W₁＝W₃＝0.49mm，S₁＝S₃＝1.43mm，L₁＝L₃＝17.1mm，B₁＝B₃＝1.3mm，ε_r1＝ε_r3＝4.8；

第二耦合段12的参数为：W₂＝0.47mm，S₂＝1.50mm，L₂＝12.1mm，B₂＝3.2mm,ε_r2＝9.6。图6为该组参数与传统方法下进行仿真实验得到的对比图，其中虚线为传统方法下的仿真曲线，实线为本组参数下的仿真曲线，可明显看出，本组参数下的定向耦合器的不连续性明显降低，耦合度波动范围变小。

从以上参数可以看出，第一耦合段11与第二耦合段12中，第一上部电介质31的厚度小于第二上部电介质32的厚度。

具体的，如图7所示，为本发明的第三个实施例，是在第一个实施例的基础上，使N＝5的情况。定向耦合器包括五个耦合段1，耦合段1分别为第一耦合段11、第二耦合段12、第三耦合段13、第四耦合段14、第五耦合段15，其中第一耦合段11包括第一组耦合带线21以及第一上部电介质31、第一下部电介质41；第二耦合段12包括第二组耦合带线22以及第二上部电介质32、第二下部电介质42；第三耦合段13包括第三组耦合带线23以及第三上部电介质33、第三下部电介质43；第四耦合段14包括第四组耦合带线24以及第四上部电介质34、第四下部电介质44；第五耦合段15包括第五组耦合带线25以及第五上部电介质35、第五下部电介质45。第一组耦合带线21、第二组耦合带线22、第三组耦合带线23、第四组耦合带线24以及第五组耦合带线25依次共面连接，成为两条等间距的长节耦合线；第一上部电介质31、第二上部电介质32、第三上部电介质33、第四上部电介质34、第五上部电介质35分别位于第一组耦合带线21、第二组耦合带线22、第三组耦合带线23、第四组耦合带线24、第五组耦合带线25的上方；第一下部电介质41、第二下部电介质42、第三下部电介质42、第四下部电介质44、第五下部电介质45分别位于第一组耦合带线21、第二组耦合带线22、第三组耦合带线23、第四组耦合带线24、第五组耦合带线25的下方；第一耦合段11与第五耦合段15的大小以及材质相同，第二耦合段12与第四耦合段14的大小以及材质相同，第一耦合段11、第二耦合段12、第三耦合段13的大小以及材质不同。本实施例的定向耦合器其参数的确定方法与第二个实施例的确定方法原理相同，此处不做赘述。

根据上述参数确定的方法，设计一款耦合度为16dB、带宽为2GHz-6GHz的定向耦合器，通过计算得出第一耦合段11、第二耦合段12、第三耦合段13、第四耦合段14、第五耦合段15的耦合度分别为：C₁＝C₅＝0.0039；C₂＝C₄＝0.0365；C₃＝0.4472。

其中：第一耦合段11与第五耦合段15的参数为：W₁＝W₅＝0.50mm，S₁＝S₅＝0.5mm，L₁＝L₅＝17.1mm，B₁＝B₅＝0.4mm，ε_r1＝ε_r5＝1.2；

第二耦合段12与第四耦合段14的参数为：W₂＝W₄＝0.51mm，S₂＝S₄＝0.51mm，L₂＝L₄＝10.8mm，B₂＝B₄＝0.8mm，ε_r2＝ε_r4＝3；

第三耦合段13的参数为：W₃＝0.50mm，S₃＝0.51mm，L₃＝5.87mm，B₃＝5.2mm,ε_r3＝10.2。图8为该组参数与传统方法下进行仿真实验得到的对比图，其中虚线为传统方法下的仿真曲线，实线为本组参数下的仿真曲线，可明显看出，本组参数下的定向耦合器的方向性明显优于传统方式的定向耦合器的方向性。

具体的，耦合段1中的上部电介质3的上表面、下部电介质4的下表面均覆铜，多个耦合段1组成的定向耦合器中，相邻两个耦合段1之间由于电介质高度不同引起的侧面也覆铜。

整个宽带定向耦合器，设计不同节耦合段的上部电介质与下部电介质厚度之和不等的同时，在不同节耦合段采用不同介电常数的电介质，保证了不同节的耦合带线间隔近似相同，不同节的耦合带线自身的宽度也近似相同。通过这种设计方法使定向耦合器各个耦合段之间耦合带线的连续性更佳，有效地减小了耦合器的耦合度的波动范围，使耦合器的信号传输效果更好，精度更高。

以上借助具体实施例对本发明做了进一步描述，但是应该理解的是，这里具体的描述，不应理解为对本发明的实质和范围的限定，本领域内的普通技术人员在阅读本说明书后对上述实施例做出的各种修改，都属于本发明所保护的范围。

Claims (6)

1.一种宽带定向耦合器，其特征在于，所述定向耦合器由依次连接的多个耦合段组成，其中：

所述耦合段包括共面设置的两条耦合带线以及位于所述耦合带线上方的上部电介质、位于所述耦合带线下方的下部电介质；

同一所述耦合段中两节所述耦合带线相互平行设置，且尺寸相同；

同一所述耦合段中，所述上部电介质与所述下部电介质的大小、材质相同；

不同所述耦合段中的所述耦合带线分别首末相连，且在同一平面上；

相邻两个所述耦合段中，所述耦合带线宽度差与任一条所述耦合带线的宽度的比值不大于3％；所述耦合带线的间距差与任意一组所述耦合带线的间距的比值不大于3％。

2.根据权利要求1所述的一种宽带定向耦合器，其特征在于，所述定向耦合器由N个耦合段组成，N为大于1的奇数，其中：

N个所述耦合段中的所述耦合带线依次共面连接，且以最中间的所述耦合段为对称中心，相互对称的两个所述耦合段的尺寸及材质相同。

3.根据权利要求2所述的一种宽带定向耦合器，其特征在于，所述定向耦合器包括三个所述耦合段，所述耦合段分别为第一耦合段、第二耦合段、第三耦合段，其中：

所述第一耦合段包括第一组耦合带线以及第一上部电介质、第一下部电介质；所述第二耦合段包括第二组耦合带线以及第二上部电介质、第二下部电介质；所述第三耦合段包括第三组耦合带线以及第三上部电介质、第三下部电介质；

所述第一组耦合带线、所述第二组耦合带线、所述第三组耦合带线依次共面连接，成为两条等间距的长节耦合线；所述第一上部电介质、所述第二上部电介质、所述第三上部电介质分别位于所述第一组耦合带线、所述第二组耦合带线、所述第三组耦合带线的上方；所述第一下部电介质、所述第二下部电介质、所述第三下部电介质分别位于所述第一组耦合带线、所述第二组耦合带线、所述第三组耦合带线的下方；

所述第一耦合段与所述第三耦合段的大小以及材质相同，所述第一耦合段与所述第二耦合段的大小以及材质不同。

4.根据权利要求3所述的一种宽带定向耦合器，其特征在于，所述第一耦合段与所述第二耦合段中，所述第一上部电介质的厚度小于所述第二上部电介质的厚度。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的一种宽带定向耦合器，其特征在于，所述耦合段中所述耦合带线的电长度为中心工作频率的四分之一波长。

6.根据权利要求5所述的一种宽带定向耦合器，其特征在于，所述耦合段中的所述上部电介质的上表面、所述下部电介质的下表面均覆铜，且相邻两个所述耦合段之间由于电介质高度不同引起的侧面覆铜。