CN1072807A - 宽带集总参数90°定向耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明属于阻抗网络技术领域。

本发明针对目前集总参数90°定向耦合器的频 带很窄的问题，利用奇偶模理论，提出了一种新型的 电路。优化设计此电路中的元件参数，可以制成具有 近倍频程带宽的集总参数90°定向耦合器。这种电 路仅由一个非理想变压器和六个电容器组成。其结 构简单而又紧凑，易于集成化和批量生产。可广泛用 于雷达、通讯、测量和电子侦察等技术领域。

Description

本发明属于阻抗网络技术领域。

定向耦合器是微波技术中应用最广泛的无源器件之一。在微波波段，90°（正交型）的定向耦合器一般采用单节或多节四分之一波长的平行耦合线结构的形式。通常称之为分布参数的定向耦合器。其中单节的定向耦合器一般有一个倍频程的带宽。多节的形式可以获得更宽的频带。但是分布参数的定向耦合器的尺寸与频率有关，当用于较低频率（例如几十兆到几百兆赫兹）耦合器的尺寸显得过大。

采用集总参数的元件可以大大缩小耦合器的尺寸并且易于制作成为集成电路模块。文献Chen    Y.Ho：“Design    of    Lumped    Quadrature    Couplers”，Microwave    J.，Sept.，1979.，pp.67-70中给出了一种由电感电容元件组成的90°定向耦合器。但这种电路只能提供很窄的频带宽度（小于10%），因而大大限制了它的应用。如何使集总参数的90°定向耦合器的频带展宽是非常有意义的。

本发明的目的是设计一种能够接近或具有倍频程带宽的集总参数90°（正交型）定向耦合器。

为了有利于说明本发明的实施，先给出附图说明：

图1    宽带集总参数90°定向耦合器电原理图

图2    图1的定向耦合器的奇模等效电路

图3    图1的定向耦合器的偶模等效电路

图4    图1的定向耦合器的装配图

本发明的实施方案如附图1所示。它是由6个电容与1个非理想变压器所组成的四端口器件。附图1中，元件（1），（2），（3），（4）为四个输入输出端子，它们分别与地构成定向耦合器的四个端口。任何一个端口都可以作为输入端口。在它对角上的端口为隔离端口。另外两个端口为耦合器的输出端口，其中一个称为直通端口，另一个称为耦合端口。例如，以端口1作为输入，则端口3为隔离端口，端口2为直通端口，端口4为耦合端口。

附图1中的（5）-（10）为电容元件，其中（5），（6）的容值为Co，它们分别跨接在端子（1）和（4），（2）和（3）之上。（7），（8），（9），（10）的容值为C1，分别跨接在四个端子与地之间。

附图1中元件（11）为一个非理想变压器。所谓非理想变压器是指一种双绕线圈，这里我们选择两个绕组的匝数相同，它具有自感L和互感M，且L＞M。附图1中黑点表示同名端。

电容Co与Cl，变压器自感L互感M将随中心频率、带宽以及耦合度的要求而确定。

这种网络在结构上有两个对称面。根据网络理论，如果网络全匹配，则此四端口网络一定具有定向性，且必为90°正交型定向耦合器。

又根据微波网络理论，单节的平行线形式的90°定向耦合器的带宽具有较宽的频带（约一个倍频程）。用奇偶模理论来分析得知它的奇模与偶模电路均为一段在中心频率上为四分之一波长的传输线段（相当于90°移相）这两个线段的特性阻抗分别称为奇模阻抗与偶模阻抗。那么用本实用新型的电路可以模仿这样的分布参数定向耦合器。附图1的电路可以由附图2和附图3分别表示它的奇模与偶模电路。它们均为一个集总元件的π形网络。选择好集总元件参数，此π形网络可以等效为具有一定特性阻抗的90°移相器。如果选择好元件参数，使得附图2和附图3的π形网络其特性阻抗分别与上述单节平行线耦合器奇模阻抗和偶模阻抗相同，这样，附图1的电路就可以近似看成分布参数的平行线定向耦合器，且具有类似的（稍小于）带宽。

采用对元件值优化的办法可以使频带更宽（到一个倍频程）。图2的奇模电路，其中（12）为非理想变压器（11）自感L和互感M之差，即Lo＝L-M，（13），（16）均等于2Co，（14），（15）均等于Cl。图3所示的偶模电路，其中（17）为非理想变压器（11）的自感L和互感M之和，即Le＝L+M，（18），（19）均等于Cl。

奇模与偶模电路的A参数矩阵分别为：

由此可以得到奇模与偶模电路的反射系数与传输系数：

Γo=( (A₁₁+A₁₂/Zo-A₂₁Zo-A₂₂)/(A₁₁+A₁₂/Zo+A₂₁Zo+A₂₂) ) odd

To=( 2/(A₁₁+A₁₂/Zo+A₁₂Zo+A₂₂) ) odd

Γe=( (A₁₁+A₁₂/Zo-A₂₁Zo-A₂₂)/(A₁₁+A₁₂/Zo+A₂₁Zo+A₂₂) ) even

Te=( 2/(A₁₁+A₁₂/Zo+A₂₁Zo+A₂₂) ) even

由网络理论可以得到定向耦合器的S参数

S₁₁＝（Γe+Γo）/2

S₂₁＝（Γe-Γo）/2

S₃₁＝（Τe-Τo）/2

S₄₁＝（Τe+Τo）/2

将元件Co，Cl和变压器的L，M（或Lo，Le）作为优化变量，对如下的目标值在给定的频带内进行优化设计：

S₁₁＝0

S₃₁＝0

S₂₁= $\sqrt{{\mathrm{1-k}}^2}$

S₄₁＝K

这种定向耦合器可以设计成具有一个倍频程或者更窄的频带。上式中K为耦合度，用分贝表示：

C（dB）＝20log    K

原则上讲，此定向耦合器可以设计成任意耦合度的。对于强耦合，例如3dB甚至3dB以内，也较容易实现。

本发明具有优良的效果。它采用了集总元件构成了具有倍频程带宽的90°定向耦合器，大大缩小了此类器件用在微波频率低端时的体积，且易于集成化生产。可广泛用于雷达、通讯、测量和电子侦察等技术领域。

实施例1

制作出100-200MHz的3dB    90°定向耦合器试验样品。元件参数选择为

L＝76mμH    M＝56mμH    Co＝5.6pF    Cl＝18pF

测量结果为：

直通：-3.5dB±1dB

耦合：-3.5dB±1dB

隔离：＞15dB

反射衰减：＞15dB

实施例2

制作出200-400MHz的3dB    90°定向耦合器试验样品。元件参数选择为

L＝38mμH    M＝28mμH    Co＝2.7pF    Cl＝9.6pF

测量结果为：

直通：-3.1dB±0.5dB

耦合：-3.1dB±0.5dB

隔离：＞15dB

反射衰减：＞15dB

Claims (3)

1、一种宽带集总参数90°定向耦合器，其特征在于它是由6个电容器和1个非理想变压器组成的四端口器件，端子(1)(2)(3)(4)分别与地构成其四个端口，电容器(7)(8)(9)(10)其一端分别与对应的端子(1)(2)(4)(3)相连，电容器(5)(6)分别跨接在端子(1)(4)和(2)(3)上。

2、根据权利要求1所述的装置中，其特征在于其电容器（5）（6）具有相同的电容值Co，电容器（7）（8）（9）（10）具有相同的电容值Cl，Co，Cl值由优化设计确定。

3、根据权利要求1所述的装置中，其特征在于其非理想变压器（11）的变化n＝1并具有自感L和互感M且L＞M，L与M值由优化设计确定。

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