CN107104260A - 多倍频程3dB正交电桥 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于微波多倍频程3dB正交电桥。该正交电桥，包括强耦合结构一个和弱耦合结构两个，这三部分耦合结构按照“弱耦合—强耦合—弱耦合”顺序级联。所设计的电桥在可在多个倍频程的频率范围内，将输入信号分为两路幅度相等、相位相差90度的信号。该发明在电桥中弱耦合部分以倾斜渐变耦合线进行耦合，这样可以改善电桥中由奇、偶模传输速度不相等所造成的定向性变差等问题；在电桥中强耦合部分则以圆弧耦合线形式进行交叉耦合，并且整个强耦合部分设计成一个圆环形状，大大减小整体电路体积、降低加工成本。该结构尤其适用于微波多倍频程功率合成/分配领域。

Description

多倍频程3dB正交电桥

技术领域

本发明涉及微波多倍频程功率分配/合成技术领域，具体涉及一种基于多节级联的多倍频程3dB正交电桥。

背景技术

在微波系统中，正交电桥作为一种可以将信号功率按照一定比例进行定向分配的电子器件，在功率分配/合成、功率测量、信号采集等诸多领域有着广泛的应用。由于正交电桥有个特性是它只耦合特定传播方向的能量，使正交电桥成为电子战、通信和雷达等系统中不可缺少的元件，主要用于平衡放大器、固态功率放大器，功率合成器和移相器等器件。

当今的军用和民用通信频率朝着更高的方向发展，高性能的超宽带正交电桥一直是研究重点之一。正交电桥按类型来区分有波导型，同轴线型，微带线型和带状线型等。其中微带线型和带状性型除了具有设计紧凑、便于小型化的设计、便于加工的优点外，还有宽频带的特点，对于进行超宽带的设计有重大的意义。

常见的微带线型正交电桥有Lange电桥、环形电桥、分支线电桥等。若要实现3dB的耦合度，则需要将多个相同的电桥进行级联，正如T.Ciamulski于2009年设计的一种将多个Lange电桥进行级联[Ciamulski T.Accuracy of electromagnetic analysis for a MMICLange coupler[C].International Conference on Electromagnetics in AdvancedApplications.IEEE,2009:647-650.]，不过这种方法并不能将3dB正交电桥做到多个倍频程，而要做到多个倍频程的带宽，其耦合度则很难达到3dB。

本发明针对上述难题，提出了一种基于多节级联形式多倍频程3dB正交电桥的设计方法。利用这种方法，所发明的电桥具有回波损耗小、工作频带宽、耦合程度高、输出幅度平衡性好、模型紧凑便于小型化、电路结构简单等优势，而且向更高频率扩展时，仍具可行性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够用于多倍频程3dB正交电桥的方案，最终在工作频带内输出两路幅度相等、相位相差90度的信号。除此之外，所发明的电桥必须具有结构简单、易加工、工作频带宽、输出幅度平衡性好，而且能够向更高频率扩展等优势。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：该多倍频程超宽带正交电桥由三节电桥级联而成，具体包括强耦合结构一个以及弱耦合结构两个，这三节耦合器按照“弱耦合—强耦合—弱耦合”的顺序进行级联。最终，所设计的电桥在可以在多个倍频程的频率范围内，实现将输入信号分为两路幅度相等、相位相差90度信号输出的功能。

进一步的是，所述多倍频程正交电桥中弱耦合部分通过倾斜渐变耦合线进行耦合，并且耦合程度由中心向两端连续递减，而对耦合缝隙的倾斜渐变，有助于改善传输线中奇、耦模速度不相等的问题，从而加强该部分的定向性、降低回波损耗，也可以增加工作带宽。

进一步的是，所述多倍频程正交电桥中强耦合部分由两个完全相同的电桥串联形成，且每个用于串联的电桥设计成交叉耦合的形式，以实现在多倍频程的频带内实现90度相移、减小整体电路的尺寸、便于电桥向小型化、集成化的方向发展。

进一步的是，所述多倍频程正交电桥中强耦合部分由两个电桥串联形成，且每个用于串联的电桥以圆弧形状进行耦合，从而加强耦合程度、增加工作带宽、简化电路结构、使整个电路易于加工；整个电桥通过在各部分耦合线衔接过渡区通过倒角、倒圆角处理，减小整体电路的不连续性，使整个电路的损耗更小、匹配更好。

本发明的有益效果：一、整个电桥的弱耦合部分，采用渐变结构进行耦合，从而增加工作带宽，改善电桥的定向性、减少回波损耗；二、整个电桥的强耦合部分，将两个完全相等的电桥进行串联，并采用圆弧结构进行耦合，从而加强耦合程度、增加工作带宽、简化电路结构、减小整体电路体积，便于电桥的小型化和集成化；三、上述两个弱耦合结构和一个强耦合结构按照“弱耦合—强耦合—弱耦合”的顺序进行级联，最终电桥带宽可以做到多个倍频程，并且拥有良好的定向性和回波损耗。

附图说明

图1是本发明基于多倍频程3dB正交电桥中整体模型图；

图2是本发明基于多倍频程3dB正交电桥强耦合部分模型图；

图3是本发明基于多倍频程3dB正交电桥回波损耗及隔离度曲线图；

图4是本发明基于多倍频程3dB正交电桥输出信号幅度不平衡度曲线图；

图5是本发明基于多倍频程3dB正交电桥输出信号相位不平衡度曲线图；

图1中标记说明：电桥中四个端口位置101、102、103和104，弱耦合结构的四段耦合线201、202、203和204，其中201与202构成第一部分弱耦合结构，203与204构成第二部分弱耦合结构；强耦合结构与弱耦合结构的四处连接位置301、302、303和304；图2中标记说明：强耦合结构中八段圆弧形耦合线401、402、403、404、405、406、407和408。该模型以线AA'分为两个完全相等的电桥，每个电桥以交叉结构进行耦合。图3中标记说明：标有m3的一根曲线表示整个电桥的回波损耗，标有m4的一根曲线表示整个电桥的隔离度。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

首先说明该多倍频程3dB正交电桥中强耦合结构的原理。如图2所示，可以看出401、402、403和404构成第一段电桥，405、406、407和408构成第二段电桥，且404、405与407直接相连，401、403与406直接相连。由参考文献中强耦合串联原理进行分析可知，当信号从301进入时，一部分能量经由第一个电桥的401端进入，而后经过与之相连的第二个电桥，最终到达302端，此时302为直通端；而另一部分能量则经过耦合线进行耦合，最终在304端口输出，即304为耦合端；而303端口无能量输出，为隔离端。

接下来说明整个多倍频程3dB正交电桥的工作原理：如图1所示，当信号由101端口输入时，首先经过第一个弱耦合结构(由201和202两端耦合线构成)，在301和302端口分别为直通和耦合输出，这两个端口的信号接着通过中间部分强耦合结构(由401—408这八段耦合线构成)，以及第二个弱耦合结构(由203和204两端耦合线构成)以后，在103和104端口输出幅度相等且相位相差90度的两路信号。最终，由101端口输入的信号，在104端口直通输出、103端口耦合输出、102端口为隔离端口。

在上述实施方式中，弱耦合结构通过渐变耦合的方式进行耦合，从而拓展工作带宽、改善电桥的定向性；强耦合结构则以圆弧耦合线形式进行交叉耦合，并且整个强耦合部分设计成一个圆环状，大大简化了整体电路结构、减小整体电路体积、降低了加工成本。综上所述，该发明在微波的功率合成/分配电路中具有极大的应用价值。

实施例

在该实施例中，如图1所示的结构，电桥金属层的厚度为0.01mm，基板采用陶瓷基板，相对介电常数为9.8、基板厚度为0.254mm。电桥的工作频率范围为：6～18GHz，可以达到三个倍频程。当信号由101端口输入时，102端口为隔离端口，103端口为耦合端口，104端口为直通端口。该电桥的回波损耗与隔离度如图3所示，可以发现其回波损耗S11≤-14.90dB，隔离度S12≤-14.90dB。图4则表示了电桥两路输出信号幅度的不平衡度，可以发现这两路信号的幅度差小于0.73dB。在图5中，可以看出电桥两路输出信号，减去相差的90度相位，其相位不平衡度小于3.8度。因此，该发明在微波多倍频程功率合成/分配领域中具有极大的应用价值。

Claims (3)

1.基于多倍频程3dB正交电桥，所述多节级联形式的电桥，具体包括强耦合结构一个(由耦合线401～408组成)和弱耦合结构两个(由耦合线201～204组成)，且这三节电桥按照“弱耦合—强耦合—弱耦合”的顺序进行级联。信号若由(101)端口输入，经过上述三节耦合部分，最终(102)端口为隔离端口，信号在(104)端口直通输出、(103)端口耦合输出，且这两路输出信号幅度相等、相位相差90度。

2.如权利要求1所述的多倍频程3dB正交电桥，其特征在于：所述电桥的弱耦合部分通过倾斜渐变耦合线(201、202、203、204)进行耦合，并且耦合程度由中心向两端连续递减，从而增加工作带宽。通过这种耦合方式，可以改善电桥中由奇、偶模传输速度不相等所造成的定向性变差、回波损耗增加等问题。

3.如权利要求1所述的多倍频程3dB正交电桥，其特征在于：所述电桥的强耦合部分由两个完全相同的电桥串联形成，且每个用于串联的电桥设计成交叉耦合的形式，并且以圆弧耦合线形式进行耦合，而整个强耦合部分则设计成一个圆环的形状，用以加强耦合程度、增加工作带宽、增加电路结构的灵活性、减小整体电路的尺寸、便于电桥向小型化、集成化的方向发展。