CN107528112A - 宽带带状线耦合电桥 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宽带带状线耦合电桥，由两个结构特征完全相同的第一子电桥与第二子电桥级联形成，所述第一子电桥与第二子电桥均由两层三节带状线导体耦合形成，且在耦合后的各个导体末端还连接有端口，其中，在各层带状线导体的相邻两节导体的连接处分别设置有导体枝节。本发明的宽带带状线耦合电桥增加了相邻两节带状线导体连接处的线宽，进一步提高了整个电桥输出信号的平坦度。

Description

宽带带状线耦合电桥
技术领域
本发明涉及射频微波领域，更具体地涉及一种宽带带状线耦合电桥。
背景技术
典型的带状线耦合电桥如图1所示，上下两层导体分别位于三层介质(图未示)形成的两个交界面中，其中图1中实线所示即为上层导体，虚线所示即为下层导体，中间的耦合线长度L为中心频率对应波长的四分之一，因此也称之为λ/4的带状线耦合电桥。而单个λ/4的带状线耦合电桥实现带宽通常只有百分之几十，使得采用多节λ/4的带状线耦合电桥以拓展带宽是一种最为常见的做法，其结构如图2所示，采用图2的结构的电桥实现的带宽可达100％甚至更高。但是在强耦合度(如3dB)条件下，即使两层导体完全重叠也难以实现3dB耦合。目前较为通常的做法是将两个弱耦合度电桥级联，其结构如图3所示。
如图3所示的采用两个多节λ/4的弱耦合电桥级联实现3dB强耦合度的宽带电桥，因其设计的一般理论基于λ/4阶梯阻抗滤波器原型与定向耦合电桥的等效原理，多节λ/4的阶梯阻抗滤波器具有的切比雪夫响应，在很大程度上既能扩展频带的带宽，同时，两个级联的耦合电桥耦合端口能量实现叠加，又易于实现强耦合度。根据多节偏置带状线耦合电桥设计理论，各节耦合线导体不可避免地存在不同程度的偏移。在现有的电桥结构中，相邻两节带状线导体连接处的交界面，由于线宽变窄，导致相邻两节导体之间的电磁能量无法完全传输，部分能量会反射回去，传输的电磁能量减小，使得反射系数增大，继而传输系数减小，降低了电磁能量传输效率，增大了电桥的传输损耗(插损)。此外，在端口(P1、P2、P3、P4)与四分之一导体连接处，往往出现拐角。在带状线直角拐弯处，由于线宽变化也会导致寄生电抗的存在，采用直角切削方式进行补偿是一种通用的方法，因这种直角切削仍无法使拐角处导体线宽相等，寄生电抗依然存在，信号反射依然存在，故迄今为止该方法尚不是最佳补偿方案。
由于相邻两节导体交界面线宽变化存在不连续性，这种不连续性的影响在频段较高时尤为突出，严重时还会造成谐振，直接影响电桥的端口反射系数、影响输出端口与耦合端口输出信号的平坦度。
因此，有必要提供一种改善由于电桥各节导体之间不连续性所带来的不利影响的改进的宽带带状线耦合电桥来克服上述缺陷。
发明内容
本发明的目的是提供一种宽带带状线耦合电桥，本发明的宽带带状线耦合电桥增加了相邻两节带状线导体连接处的线宽，进一步提高了整个电桥输出信号的平坦度。
为实现上述目的，本发明提供一种宽带带状线耦合电桥，由两个结构特征完全相同的第一子电桥与第二子电桥级联形成，所述第一子电桥与第二子电桥均由两层三节带状线导体耦合形成，且在耦合后的各个导体末端还连接有端口，其中，在各层带状线导体的相邻两节导体的连接处分别设置有导体枝节。
较佳地，所述导体枝节包括第一导体枝节与第二导体枝节，且第一导体枝节、第二导体枝节设置于第二节带状线导体分别与第一节带状线导体、第三节带状线导体的连接处。
较佳地，各个所述第一导体枝节分别靠近于第一节带状线导体或第三节带状线导体，且各个所述第二导体枝节分别靠近于第二节带状线导体。
较佳地，在各节带状线导体与端口的连接处设置有导体枝节。
较佳地，所述导体枝节还包括第三导体枝节，所述第三导体枝节设置于端口分别与第一节带状线导体、第三节带状线导体的连接处，且各个所述第三导体枝节分别靠近于端口。
较佳地，所述第一导体枝节、第二导体枝节及第三导体枝节均为三角形导体枝节。
较佳地，各个所述导体枝节的中心至最近的导体与导体的连接处或导体与端口的连接处的距离、各个所述导体枝节的宽度及各个所述导体枝节的高度可通过仿真结果调整。
较佳地，所述第一导体枝节、第二导体枝节的中心至最近的导体与导体的连接处的距离均为0.1mm-1.2mm，第一导体枝节、第二导体枝节的宽度均为0.1mm-0.4mm，第一导体枝节、第二导体枝节的高度均为0.1mm-2mm。
较佳地，所述第三导体枝节的中心至最近的导体与端口的连接处的距离、高度及宽度均为0.2mm。
与现有技术相比，本发明的宽带带状线耦合电桥由于在各层带状线导体的相邻两节导体的连接处分别设置有导体枝节，从而增加了相邻两节带状线导体连接处的线宽，改善了相邻两节导体交界面导体线宽变化的不连续性，进一步提高了整个电桥输出信号的平坦度
通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。
附图说明
图1为现有的单节带状线耦合电桥的结构图。
图2为现有的三节带状线耦合电桥的结构图。
图3为现有的两个耦合电桥级联形成的宽带带状线耦合电桥的结构图。
图4为本发明的宽带带状线耦合电桥的结构图。
图5为图4所示A部分的放大图。
图6为图4所示B部分的放大图。
图7为图4所示电桥的一个子电桥的等效电路图。
图8为两种电桥的输入反射系数与隔离端口系数的仿真对比图。
图9为两种电桥的直通与耦合系数的仿真对比图。
图10为两种电桥的直通与耦合端隔离度的仿真对比图。
图11为两种电桥的输入输出端口驻波的仿真比对比图。
具体实施方式
现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。如上所述，本发明提供了一种宽带带状线耦合电桥，本发明的宽带带状线耦合电桥增加了相邻两节带状线导体连接处的线宽，进一步提高了整个电桥输出信号的平坦度。
请参考图4，图4为本发明的宽带带状线耦合电桥的结构图。如图所示，本发明的宽带带状线耦合电桥，由两个结构特征完全相同的第一子电桥与第二子电桥级联形成，所述第一子电桥与第二子电桥均由两层三节带状线导体耦合形成，且在耦合后的各个导体末端还连接有端口P1、P2、P3、P4；其中，端口P1为输入端口，端口P2为输出端口，端口P3耦合端口，端口P4为隔离端口；且第一子电桥的输出端口P2’与第二子电桥的输入端口P1’级联，从而不形成实质的端口结构，相应地，第一子电桥的耦合端口P3’与第二子电桥的隔离端口P4’级联，从而也不形成实质的端口结构；另外，在第一子电桥结构中，端口P1与端口P3’之间的导体形成一层导体，端口P2’与端口P4之间的导体形成一层导体，也即为所述第一子电桥由两层导体耦合而成，而所述第二子电桥的结构也一样，在此不再赘述。在本发明的宽带带状线耦合电桥中，在各层带状线导体的相邻两节导体的连接处分别设置有导体枝节。具体地，以第一子电桥进行说明，如图4所示，所述导体枝节包括第一导体枝节400与第二导体枝节500，且第一导体枝节400、第二导体枝节500设置于第二节带状线导体200分别与第一节带状线导体100、第三节带状线导体300的连接处，具体如图4所示。另外，如图4所示，宽带带状线耦合电桥存在三处由于线宽不同导致的不连续性交界面；如，第一节带状线导体100与第二节带状线导体200的连接处、第二节带状线导体200的中心位置(每个子电桥的对称中心)、及第二节带状线导体200与第三节带状线导体300的连接处；而由于各个子电桥的对称中心所在的不连续性交界面的导体尺寸变化对整个电桥的耦合度影响较大，不宜进行改变；然而在本发明的宽带带状线耦合电桥中，在相邻两节导体的连接处分别设置有导体枝节，从而改善了相邻两节导体之间交界面的不连续性，使得相邻两节导体的连接处的导体线宽变宽，相当于增加了开路枝节，使得整个电桥的输出信号的平坦度更好。
具体地，各个所述第一导体枝节400分别靠近于第一节带状线导体100或第三节带状线导体300，且各个所述第二导体枝节500分别靠近于第二节带状线导体200；从而使得各相邻两节带状线导体的交界面的两侧各设置有一个导体枝节，进一步加强了导体交界面线宽变化的连续性，使得相邻两节带状线导体的连接处的导体线宽得以增加，进一步提高了电桥输出信号的平坦度。
请再参考图4，作为本发明的一个优选实施方式，在各导体与端口的连接处还设置有导体枝节；具体地，所述导体枝节还包括第三导体枝节600，所述第三导体枝节600设置于端口分别与第一节带状线导体100、第三节带状线导体300的连接处，且各个所述第三导体枝节600分别靠近于端口一侧；例如，在所述端口P1、P2’、P1’、P2分别与所述第一节带状线导体100的连接处设置有第三导体枝节600，且所述第三导体枝节600相对来说更靠近于端口P1、P2’、P1’、P2；同时在端口P4、P3’、P4’、P3分别与第三节带状线导体300的连接处设置有第三导体枝节600，且，所述第三导体枝节600相对来说更靠近于端口P4、P3’、P4’、P3；从而各个所述第三导体枝节600减少了端口与导体连接处导体线宽的变化，减少了寄生电抗的作用，从而削弱了信号反射的强度。
作为本发明的一优选实施方式，请再结合参考图5与图6。如图4至6所示，各个所述导体枝节均为三角形，也即，所述第一导体枝节400、第二导体枝节500及第三导体枝节600均为三角形导体枝节。另外，各导体枝节的规格参数可通过仿真结果进行调整，以使得各节导体之间及各节导体与端口之间连接处导体线宽的变化的连续性达到最优；具体地，各个所述导体枝节的中心至最近的导体与导体的连接处或导体与端口的连接处的距离△X、各个所述导体枝节的宽度dx及各个所述导体枝节的高度dy可通过仿真结果调整；更进一步地，作为本发明的一具体实施方式，所述第一导体枝节400、第二导体枝节500的中心至最近的导体与导体的连接处的距离△X均为0.1mm-1.2mm,第一导体枝节400、第二导体枝节500的宽度dx均为0.1mm-0.4mm，第一导体枝节400、第二导体枝节500的高度dy均为0.1mm-2mm，所述第三导体枝节600的中心至最近的导体与端口的连接处的距离△X、高度dy及宽度dx均为0.2mm；当然在实际使得过程中，各个所述导体枝节的各规格参数并不限于此，可根据具体的导体规格参数通过仿真结果进行相应的调整。从而使用三角形导体枝节使得整个电桥在建模仿真中需要调整修改的参数更少(每个导体枝节只需调节三个参数)，减小在参数优化过程中操作的复杂度，使得更易于实现。
在本发明的宽带带状线耦合电桥中，如图4所示，在相邻两节导体的连接处设置有第一导体枝节400与第二导体枝节500，使得相邻两节导体的连接处的线宽增加，也即在原有电桥结构的导体基础上增加了开路枝节，其等效为在相邻两节带状线导体的交界面处并联一个等效电容C1，如图5所示。电容本身具有退耦、滤波、调谐等功能，而电容的值大小、位置与电桥的工作频段、相邻两节导体的偏移程度都有密切的关系；而且在同等条件下，随着△X的增加，导体枝节更加偏离于导体的不连续性端面，等效电容C1的滤波调谐功能减弱，对电桥性能的实际影响减弱；因此，在等效电路中电容值、位置均可以通过调节对应位置的导体枝节的规格参数而实现。在同等位置情况下，导体枝节的宽度dX越大，等效电路中的等效电容C1的电容值越大；导体枝节的高度dY越大，等效电路中的等效电容C1的电容值越小。
上面详细介绍了第一子电桥的结构特征及其等效电路结构，由于所述第二子电桥的结构特征及参数信息与第一子电桥完全相同，在此不再赘述。
请再结合参考图8至图11，图8至图11为现有技术的宽带带状线耦合电桥(未设置枝节导体)和本发明的宽带带状线耦合电桥(设置有枝节导体)的各仿真结果对比图。其中，在图8-图11中，Orig S11为现有技术的宽带带状线耦合电桥(后续简称为现有电桥)的输入反射系数波形图，New S11为本发明的宽带带状线耦合电桥(后续简称为本发明电桥)的输入反射系数波形图；Orig S21为现有电桥的隔离端口系数波形图，New S21为本发明电桥的隔离端口系数波形图；Orig S31为现有电桥的直通系数波形图，New S31为本发明电桥的直通系数波形图；Orig S41为现有电桥的耦合系数波形图，New S41为本发明电桥的耦合系数波形图；Orig S34为现有电桥的直通与耦合端的隔离度波形图，New S34为本发明电桥的直通与耦合端的隔离度波形图；Orig VSWR1为现有电桥的输入端口驻波的波形图，New VSWR1为本发明电桥的输入端口驻波的波形图；Orig VSWR3为现有电桥的输出端口驻波的波形图，New VSWR1为本发明电桥的输出端口驻波的波形图。
通过上述图8-图11对比两种结构电桥的仿真结果可知，采用本发明的宽带带状线耦合电桥实现的宽带3dB电桥，在2-6GHz的宽频段内，电桥隔离端口系数、直通与耦合端口隔离度、输入反射系数都达到了-20dB以下，输入输出驻波比小于1.2，直通与耦合两端口输出信号的平坦度在±0.3dB以内，因此具有良好的端口匹配性能。另外，通过仿真对比结果可知，本发明的宽带带状线耦合电桥的反射系数更好、隔离度更高、驻波比更小、直通耦合系数更加趋于平稳，在3dB附近出现微小的波动，克服了现有技术的宽带带状线耦合电桥在曲线部分频点出现谐振“尖峰”的状况。
以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。

Claims (9)

1.一种宽带带状线耦合电桥，由两个结构特征完全相同的第一子电桥与第二子电桥级联形成，所述第一子电桥与第二子电桥均由两层三节带状线导体耦合形成，且在耦合后的各个导体末端还连接有端口，其特征在于，在各层带状线导体的相邻两节导体的连接处分别设置有导体枝节。
2.如权利要求1所述的宽带带状线耦合电桥，其特征在于，所述导体枝节包括第一导体枝节与第二导体枝节，且第一导体枝节、第二导体枝节设置于第二节带状线导体分别与第一节带状线导体、第三节带状线导体的连接处。
3.如权利要求2所述的宽带带状线耦合电桥，其特征在于，各个所述第一导体枝节分别靠近于第一节带状线导体或第三节带状线导体，且各个所述第二导体枝节分别靠近于第二节带状线导体。
4.如权利要求3所述的宽带带状线耦合电桥，其特征在于，在各节带状线导体与端口的连接处设置有导体枝节。
5.如权利要求4所述的宽带带状线耦合电桥，其特征在于，所述导体枝节还包括第三导体枝节，所述第三导体枝节设置于端口分别与第一节带状线导体、第三节带状线导体的连接处，且各个所述第三导体枝节分别靠近于端口。
6.如权利要求5所述的宽带带状线耦合电桥，其特征在于，所述第一导体枝节、第二导体枝节及第三导体枝节均为三角形导体枝节。
7.如权利要求5所述的宽带带状线耦合电桥，其特征在于，各个所述导体枝节的中心至最近的导体与导体的连接处或导体与端口的连接处的距离、各个所述导体枝节的宽度及各个所述导体枝节的高度可通过仿真结果调整。
8.如权利要求7所述的宽带带状线耦合电桥，其特征在于，所述第一导体枝节、第二导体枝节的中心至最近的导体与导体的连接处的距离均为0.1mm-1.2mm，第一导体枝节、第二导体枝节的宽度均为0.1mm-0.4mm，第一导体枝节、第二导体枝节的高度均为0.1mm-2mm。
9.如权利要求7所述的宽带带状线耦合电桥，其特征在于，所述第三导体枝节的中心至最近的导体与端口的连接处的距离、高度及宽度均为0.2mm。
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