CN106982041B - 利用集总参数设计的180°环形电桥新型拓扑结构以及利用其进行任意功率比输出的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用集总参数设计的180°环形电桥新型拓扑结构，在传统环形电桥基础上对λ/4和3λ/4枝节进行集总参数等效。由确定输出功率比值调整出合适的电臂阻抗值，利用等效矩阵理论求得等效集总模型中电容电感值。使用少量的集总元件实现50％的带宽,充分利用工艺优势有效的减小系统尺寸。本发明实现了任意频率任意输出功率比的功分电桥，对中心频率为100MHZ进行设计实物，对于不同功率输出比的拓扑模型，均满足S₁₁优于‑24dB，S₃₁优于‑38dB，通带内实测同相相位差1°±1°，反相相位差181°±1°，尺寸为17mm*17mm*20mm，结合了现代工艺技术达到小型化和宽带的要求，并且具有一定的简单实用性。

Description

利用集总参数设计的180°环形电桥新型拓扑结构以及利用其 进行任意功率比输出的方法

技术领域

本发明涉及一种任意输出功率比的180°环形电桥，具体的说是一种利用集总参数模型的小型化宽频带新型环形电桥。

背景技术

在现代通信系统设备中，环形电桥因其良好的隔离度已经广泛应用在各种90°，180°的功率分配和功率合成网络中。目前大多数环形电桥采用微带线的平面结构，由于它的体积小且易于和其他器件集成；而随着通讯业的不断发展，人们对于小型化和宽带的要求越来越高，在现代工艺条件下，进一步实现小型化和宽带化的要求，满足现代无线通信的需求，利用多层结构设计小型宽频带环形电桥更加具有优势。

发明内容

本发明为了实现小型化和宽带化的设计要求，发明了一种现代工艺下多层结构的小型化宽频带新型环形电桥。

理论设计参考传统微带线环形电桥模型，利用微带线集总电路模型等效将传统环形电桥中3个λ/4枝节传输线和1个3λ/4枝节传输线进行等效，对于不同的枝节长度采用不同的电路模型，当电长度θ<180°时采用的等效π集总参数模型通过奇模阻抗、偶模阻抗理论得到等效模型的参数式；当电长度180°≤θ≤360°时采用的等效T集总参数模型通过奇模阻抗、偶模阻抗理论得到等效模型的参数式。通过给定指标的输出功率比值，调整出合适的电臂阻抗值，最终利用等效矩阵理论求得等效集总模型中电容电感值。

具体技术方案如下：

一种利用集总参数设计的180°环形电桥新型拓扑结构，其特征在于，其电路拓扑结构为两个相同且接地的电容C3之间连接有电感L1，该电感L1的两端分别连接两个相同的电感L2，两个电感L2的另一端通过两个相同的电容C1相连接，两个电容C1之间连接另一个接地的电感L1，两个电容C1连接电感L2的一端分别连接两个相同的电容C2，两个电容C2均接地；所述与电容C3相连接的电感L1的两端各设一个端口，每个端口也与电容C3和电感L2连接，这两个端口自左至右依次称为第一端口及第二端口；两个电感L2与电容C1相连接的一端也各设一个端口，每个端口也与电容C1、电容C2相连接，这两个端口自右至左依次称为第三端口及第四端口。

所述的电容C3的结构为电容C1与电容C2的并联结构，电容C3的电容值亦为电容C1与电容C2并联后的电容值。

作为优选方案，其集总模型中的电容都采用内埋VIC叉指电容且其结构为8层，长在2-2.2毫米范围内，宽在1.8-2毫米范围内；所述180°环形电桥新型拓扑结构中电感设计采用内埋垂直螺旋电感，所述的内埋垂直螺旋电感为9匝，长在2.8-3毫米范围内，宽在1.6-1.8毫米范围内。

本发明还涉及一种利用本发明所述的180°环形电桥新型拓扑结构，对于给定的任意频率进行任意功率比输出的方法，具体为，根据端口功率输出分配比公式:

P₁ ²：P₂ ²＝Y₂ ²：Y₁ ² (5)

及导纳关系公式Y₂ ²+Y₁ ²＝1，调整导纳Y₁和Y₂的值。(P₁、P₂分别代表同一输入端口下两个输出端口的输出功率。如在信号由第一端口输入，第二端口和第四端口为输出的情况下，P₁代表第二端口的输出功率，P₂代表第四端口的输出功率，此时，Y₁代表第一端口与第二端口之间的导纳，Y₂代表第一端口与第四端口之间的导纳；在信号由第三端口输入，第二端口和第四端口为输出的情况下，P₁代表第二端口的输出功率，P₂代表第四端口的输出功率，此时Y₁代表第三端口与第四端口之间的导纳，Y₂代表第三端口与第二端口之间的导纳。)

计算本发明所述的180°环形电桥新型拓扑结构中λ/4枝节传输线上电容电感的方法具体为，所述λ/4枝节传输线在电长度θ<180°时采用变换后的等效π型集总参数模型通过奇模阻抗、偶模阻抗理论得到等效模型的参数式：

X_L＝Z sinθ (1)

其中电长度θ＝β*l＝(2π/λ)*(λ/4)＝π/2，代入对应的中心频率f₀、特性阻抗Z₀即可得到对应的集总电路π型等效电路模型电容电感值。(Z为输入端口和输出端口之间的阻抗。当计算的是第一端口与第二端口之间的电容电感值时，公式中的Z为Z₀₁；当计算的是第一端口与第四端口之间、第三端口与第二端口之间的电容电感值时，公式中的Z为Z₀₂。Y₁与Z₀₁互为倒数；Y₂与Z₀₂互为倒数)

计算本发明所述的180°环形电桥新型拓扑结构中3λ/4枝节传输线上电容电感的方法具体为，所述3λ/4枝节传输线在电长度180°≤θ≤360°时采用变换后的等效T型集总参数模型通过奇模阻抗、偶模阻抗理论得到等效模型的参数式：

B_L＝-Z₀₁sinθ (4)

其中电长度θ＝β*l＝(2π/λ)*3λ/4)＝3π/2，，代入给定的对应的中心频率f₀、特性阻抗Z₀即可得到对应的集总电路π型等效电路模型电容电感值。

本设计以中心频率为100MHZ为例，其带宽在80-130MHz(相对带宽为50％)之间，对于输出功率比为1:1，1:2，1:4时，满足S₁₁优于-24dB，S₃₁优于-38dB，通带内实测同相相位差1°±1°，反相相位差181°±1°，设计尺寸在17mm*17mm*20mm以内，本发明拓扑模型实现了小型化、宽带化的设计要求，并具有一定的实用价值。

附图说明

图1是本发明λ/4枝节传输线的集总电路π型等效电路拓扑结构示意图。

图2是本发明3λ/4枝节传输线的集总电路T型等效电路拓扑结构示意图。

图3是本发明实施例提出的利用集总参数设计的180°环形电桥新型拓扑结构等功率输出的电路拓扑结构示意图。

图4是本发明实施例提出的利用集总参数设计的180°环形电桥新型拓扑结构等功率输出模型的S参数示意图。

图5是本发明实施例提出的利用集总参数设计的180°环形电桥新型拓扑结构等功率输出模型的同相相位不平衡度示意图。

图6是本发明实施例提出的利用集总参数设计的180°环形电桥新型拓扑结构等功率输出模型的反相相位不平衡度示意图。

图7是本发明实施例提出的利用集总参数设计的180°环形电桥新型拓扑结构功率输出比为1:2的电路拓扑结构示意图。

图8是本发明实施例提出的利用集总参数设计的180°环形电桥新型拓扑结构功率输出比为1:2拓扑模型的S参数示意图。

图9是本发明实施例提出的利用集总参数设计的180°环形电桥新型拓扑结构功率输出比为1:2模型的同相相位不平衡度示意图。

图10是本发明实施例提出的利用集总参数设计的180°环形电桥新型拓扑结构功率输出比为1:2模型的反相相位不平衡度示意图。

图11是本发明实施例提出的利用集总参数设计的180°环形电桥新型拓扑结构功率输出比为1:4的电路拓扑结构示意图。

图12是本发明实施例提出的利用集总参数设计的180°环形电桥新型拓扑结构功率输出比为1:4拓扑模型的S参数示意图。

图13是本发明实施例提出的利用集总参数设计的180°环形电桥新型拓扑结构功率输出比为1:4模型的同相相位不平衡度示意图。

图14是本发明实施例提出的利用集总参数设计的180°环形电桥新型拓扑结构功率输出比为1:4模型的反相相位不平衡度示意图。

图15是本发明设计提出的任意频率任意功率输出比的利用集总参数设计的180°环形电桥新型拓扑结构集总模型俯视图。

图16是本发明提出的任意频率任意功率输出比的利用集总参数设计的180°环形电桥新型拓扑结构示意图。

图中标号：1-第一端口，2-第二端口，3-第三端口，4-第四端口，5-对地并联VIC叉指电容(电容值为C1+C2)，6-9匝垂直螺旋电感，7-垂直螺旋电感，8-对地并联VIC叉指电容，9-VIC叉指电容，10-各层接地通孔，11-接口公共地。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明提出了一种利用集总参数设计的180°环形电桥新型拓扑结构。利用一段电长度为θ，特性阻抗为Z₀的传输线找到其集总参数电路模型，其次再把集总参数电路模型整合。该设计是在传统环形电桥的基础上，对传统环形电桥的λ/4微带线和3λ/4微带线进行集总参数等效，通过给定指标的输出功率比值，调整出合适的电臂阻抗值，最终利用等效矩阵理论求得等效集总模型中电容电感值。具体技术方案如下：

一种利用集总参数设计的180°环形电桥新型拓扑结构，具体包括两个相同且接地的电容C3之间连接有电感L1，该电感L1的两端分别连接两个相同的电感L2，两个电感L2的另一端通过两个相同的电容C1相连接，两个电容C1之间连接另一个接地的电感L1，两个电容C1连接电感L2的一端分别连接两个相同的电容C2，两个电容C2均接地；所述与电容C3相连接的电感L1的两端各设一个端口，每个端口也与电容C3和电感L2连接，这两个端口自左至右依次称为第一端口1及第二端口2；两个电感L2与电容C1相连接的一端也各设一个端口，每个端口也与电容C1、电容C2相连接，这两个端口自右至左依次称为第三端口3及第四端口4。

所述的电容C3的结构为电容C1与电容C2的并联结构，电容C3的电容值亦为电容C1与电容C2并联后的电容值。

作为优选方案其集总模型中电容C3为对地并联VIC叉指电容(电容值为C1+C2)5、电容C2为对地并联VIC叉指电容8；电感L1为9匝垂直螺旋电感6，电感L2为垂直螺旋电感7，电容C1为VIC叉指电容9，该设计充分利用现代工艺优势有效的减小系统尺寸，不仅实现了小型化，而且用少量的集总元件实现了50％的带宽。电容C3、电容C2以及与电容C1相连接的电感L1通过连接至接口公共地11接地；该集总模型上还设有各层接地通孔10。

本发明提出的环形电桥拓扑结构利用并联电容集总电路模型，用微带高、低阻抗线实现任意频率任意输出功率比的功分器，对于中心频率为100MHZ，S₁₁优于-24dB，S₃₁优于-38dB，通带内实测同相相位差1°±1°，反相相位差181°±1°，设计尺寸在17mm*17mm*20mm以内，实现了小型化、宽带化的设计要求，并具有一定的实用价值。

作为优选方案，其集总模型中的电容都采用内埋VIC叉指电容，VIC结构电容相当于电容的并联，实现了小尺寸、大电容等优势。通过改变极板层数和极板的面积，在电磁仿真软件中对电容进行建模研究，调试出合适的电容值。其结构为8层，长在2-2.2毫米范围内调整，宽在1.8-2毫米范围内调整；所述利用集总参数设计的180°环形电桥新型拓扑结构中电感设计采用内埋垂直螺旋电感，通过在电磁仿真软件中对垂直螺旋电感进行建模研究，改变螺旋电感的层数和尺寸即可改变电感值；所述的内埋垂直螺旋电感为9匝，长在2.8-3毫米范围内，宽在1.6-1.8毫米范围内。

本发明还涉及一种利用本发明所述的180°环形电桥新型拓扑结构，对于给定的任意频率进行任意功率比输出的方法，具体为，根据端口功率输出分配比公式:

P₁ ²：P₂ ²＝Y₂ ²：Y₁ ² (5)

及导纳关系公式Y₂ ²+Y₁ ²＝1，调整导纳Y₁和Y₂的值。(P₁、P₂分别代表同一输入端口下两个输出端口的输出功率。如在信号由第一端口1输入，第二端口2和第四端口4为输出的情况下，P₁代表第二端口2的输出功率，P₂代表第四端口4的输出功率；在信号由第三端口3输入，第二端口2和第四端口4为输出的情况下，P₁代表第二端口2的输出功率，P₂代表第四端口4的输出功率。Y₁代表第一端口1与第二端口2之间、第三端口3第四端口4之间的导纳；Y₂代表第一端口1与第四端口4、第三端口3与第二端口2之间的导纳。)

计算本发明所述的180°环形电桥新型拓扑结构中λ/4枝节传输线上电容电感的方法具体为，所述λ/4枝节传输线在电长度θ<180°时采用变换后的等效π型集总参数模型通过奇模阻抗、偶模阻抗理论得到等效模型的参数式：

X_L＝Z sinθ (1)

其中电长度θ＝β*l＝(2π/λ)*(λ/4)＝π/2，代入对应的中心频率f₀、特性阻抗Z₀即可得到对应的集总电路π型等效电路模型电容电感值。(Z为输入端口和输出端口之间的阻抗。当计算的是第一端口1与第二端口2之间的电容电感值时，公式中的Z为Z₀₁；当计算的是第一端口1与第四端口4之间、第三端口3与第二端口2之间的电容电感值时，公式中的Z为Z₀₂。Y₁与Z₀₁互为倒数；Y₂与Z₀₂互为倒数。)

计算本发明所述的180°环形电桥新型拓扑结构中3λ/4枝节传输线上电容电感的方法具体为，所述3λ/4枝节传输线在电长度180°≤θ≤360°时采用变换后的等效T型集总参数模型通过奇模阻抗、偶模阻抗理论得到等效模型的参数式：

B_L＝-Z₀₁sinθ (4)

其中电长度θ＝β*l＝(2π/λ)*3λ/4)＝3π/2，代入给定的对应的中心频率f₀、特性阻抗Z₀即可得到对应的集总电路π型等效电路模型电容电感值。

作为一种利用集总参数设计的180°环形电桥新型拓扑结构的一个优选方案，所述电容C1与电容C2的电容值相等；电感L1与电感L2的电感值相等。

作为一种利用集总参数设计的180°环形电桥新型拓扑结构的一个优选方案，当所述180°环形电桥耦合度为3dB且端口的特性阻抗Z₀为50欧,另所述电容C1与电容C2的电容值均为22.5pF,电感L1与电感L2的电感值均为112.5nH，实现输出第二端口2和第四端口4的功率输出分配比为1:1。

作为一种利用集总参数设计的180°环形电桥新型拓扑结构的一个优选方案，当所述180°环形电桥耦合度为3dB且端口的特性阻抗Z₀为50欧,另所述电容C1的电容值为18.4pF，电容C2的电容值为26pF,电感L1的电感值为137.8nH，电感L2的电感值为97.4nH，实现输出第二端口2和第四端口4的功率输出分配比为1:2；或者当所述180°环形电桥耦合度为3dB且端口的特性阻抗Z₀为50欧,另所述电容C1的电容值为14.3pF，电容C2的电容值为28.5pF,电感L1的电感值为177.9nH，电感L2的电感值为88.9nH，实现输出第二端口2和第四端口4的功率输出分配比为1:4。

实施例一

本发明中实现了任意频率任意输出功率比的功分电桥，本实施例对中心频率为100MHZ的情况进行设计实物，本发明对于不同功率输出比的拓扑模型，均满足S₁₁优于-24dB，S₃₁优于-38dB，通带内实测同相相位差1°±1°，反相相位差181°±1°，尺寸为17mm*17mm*20mm，结合了现代工艺技术达到小型化和宽带的要求，并且具有一定的简单实用性。

本发明是一种现代工艺下多层结构的小型化宽频带新型环形电桥。理论设计思想源于传统微带线环形电桥模型，通过对微带线进行集总电路模型等效将传统环形电桥中3段λ/4枝节和1段3λ/4枝节进行等效如图1和图2，对于不同电长度采用不同的等效电路模型，两段枝节分别采用π型和T型集总参数模型，因此组成的拓扑结构为非对称结构。电长度分别为θ₁＝β*l＝(2π/λ)*(λ/4)＝π/2，θ₂＝β*l＝(2π/λ)*3λ/4)＝3π/2，则当电长度θ<180°时采用的等效π型集总参数模型见附图1，通过奇模阻抗、偶模阻抗理论得到等效模型的参数式：

X_L＝Z sinθ (1)

(Z为输入端口和输出端口之间的阻抗。当计算的是第一端口1与第二端口2之间的电容电感值时，公式中的Z为Z₀₁；当计算的是第一端口1与第四端口4之间、第三端口3与第二端口2之间的电容电感值时，公式中的Z为Z₀₂。Y₁与Z₀₁互为倒数；Y₂与Z₀₂互为倒数。)当电长度180°≤θ≤360°时采用的等效T集总参数模型见附图2，通过奇模阻抗、偶模阻抗理论得到等效模型的参数式：

B_L＝-Z₀₁sinθ (4)

由不同电长度得到不同等效模型，代入对应的中心频率f₀、特性阻抗Z₀即可得到对应的集总等效模型电容电感值。

为了更好地实现各端口之间的匹配，导纳关系应该满足Y₁ ²+Y₂ ²＝1,若电桥耦合度为3dB且端口的特性阻抗Z₀为50欧，即|S₂₁|＝|S₄₁|＝0.707，可得Z₀₁＝70.7欧，Z₀₂＝70.7欧,因此要实现任意输出功率比，则需要通过调整各端口的特性阻抗达到良好的匹配。通过上述奇模和偶模分析，由于第二端口2和第四端口4的电压输出分别为A₂和A₄，其中 则通过功率电压关系可知，输出第二端口2和第四端口4的功率输出分配比为:

P₁ ²：P₂ ²＝Y₂ ²：Y₁ ² (5)

(P₁、P₂分别代表同一输入端口下两个输出端口的输出功率。如在信号由第一端口1输入，第二端口2和第四端口4为输出的情况下，P₁代表第二端口2的输出功率，P₂代表第四端口4的输出功率；在信号由第三端口3输入，第二端口2和第四端口4为输出的情况下，P₁代表第二端口2的输出功率，P₂代表第四端口4的输出功率。Y₁代表第一端口1与第二端口2之间、第三端口3与第四端口4之间的导纳；Y₂代表第一端口1与第四端口4、第三端口3与第二端口2之间的导纳。)其中，信号由第一端口1输入，第二端口2和第四端口4输出且同相输出相位差为0°，第三端口3输入，第二端口2和第四端口4输出且反相输出相位差180°。

通过给定指标的输出功率比值，调整出合适的电臂阻抗值，最终利用等效矩阵理论求得等效集总模型中电容电感值。

因此，对于任意频率任意输出功率比的180°环形电桥只需要适当调整导纳Y₁和Y₂的值，即可实现任意输出功率比。通过理论知识和精确计算，可得不同输出功率比对于的新型集总模型参数值见表1。

表1集总模型环形电桥各参数值

注：电容单位为pF；电感的单位为nH

本发明中利用集总参数模型设计180°环形电桥，利用微带线的π和T等效模型，用两种不同的等效模型代替λ/4和3λ/4枝节，对于任意输出功率比的环形电桥只需要适当调整导纳Y₁和Y₂的值，同时满足端口良好匹配Y₁ ²+Y₂ ²＝1，通过理论分析和等效电路模型参数值得精确计算得出对应参数值，利用仿真设计电路实现了很好的匹配，其中电容和电感的设计分别采用内嵌式8层叉指电容和9匝的垂直螺旋电感。本发明中的环形电桥有较小的尺寸仅为17mm*17mm*20mm，实现了50％以上的带宽，幅度不平衡度和相位不平衡度在功率输出比为1:1、1:2、1:4时都具有较好的测试特性，满足设计要求，具有一定的实用性。

Claims (3)

1.一种利用集总参数设计的180°环形电桥拓扑结构，其特征在于：所述180°环形电桥拓扑结构包括两个相同的电感L1、两个相同的电感L2、两个相同的电容C1、两个相同的电容C2和两个相同的电容C3；两个相同的电容C3的一端均接地，另一端分别连接至其中一个电感L1的两端，该电感L1的两端分别连接至两个相同的电感L2的一端，两个相同的电感L2的另一端分别通过两个相同的电容C2接地，两个相同的电容C2的未接地的一端分别连接两个相同的电容C1的一端，两个相同的电容C1的另一端相连接，并通过另一个电感L1接地；两个相同的电容C3未接地的一端分别作为端口1和端口2，两个相同的电容C2的未接地的一端分别作为端口3和端口4，其中一个电感L2的两端分别为端口1和端口3，另一个电感L2的两端分别为端口2和端口4；所述的电容C3的结构为电容C1与电容C2的并联结构；所述电容C1与电容C2的电容值相等；电感L1与电感L2的电感值相等；根据端口功率输出分配比公式：P₁ ²：P₂ ²＝Y₂ ²：Y₁ ²及导纳关系公式Y₂ ²+Y₁ ²＝1，调整导纳Y₁和Y₂的值；P₁、P₂分别代表同一输入端口下两个输出端口的输出功率，当信号由端口1输入，端口2和端口4为输出时，P₁代表端口2的输出功率，P₂代表端口4的输出功率，Y₁代表端口1与端口2之间的导纳，Y₂代表端口1与端口4之间的导纳。

2.根据权利要求1所述的利用集总参数设计的180°环形电桥拓扑结构，其特征在于：电容C3及电容C2为对地并联VIC叉指电容；电感L1为9匝垂直螺旋电感，电感L2为垂直螺旋电感，电容C1为VIC叉指电容。

3.根据权利要求1所述的利用集总参数设计的180°环形电桥拓扑结构，其特征在于：电容采用内埋VIC叉指电容且其结构为8层，长在2-2.2毫米范围内，宽在1.8-2毫米范围内；电感采用内埋垂直螺旋电感，为9匝，长在2.8-3毫米范围内，宽在1.6-1.8毫米范围内。