CN107819176B - 一种宽带的双频耦合器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双频耦合器和宽带的双频耦合器，属于多频耦合器领域。其中双频耦合器和宽带的双频耦合器是由一节或多节对称阶梯阻抗平行耦合线构成。所述对称阶梯阻抗平行耦合线是由三段平行耦合线级联而成的；其中首段和末段具有相同的电长度和奇偶模特性阻抗，中段具有不同的奇偶模特性阻抗，中段的电长度可以等于或不等于首段的电长度，并且三段总电长度在较低的工作频段处小于等于四分之一波长。基于对称阶梯阻抗平行耦合线的双频耦合器和宽带的双频耦合器实现了频率比可调，且易于获得较大的频率比；任意耦合系数，较小的体积，同时该结构易于级联和实现宽带特性并且在低频带中获得了多倍频带宽。

Description

一种宽带的双频耦合器
技术领域
本发明涉及多频耦合器领域。
背景技术
随着无线通讯系统迅猛发展，各种通信标准不断涌现，如GSM，DCS，TD-SCDMA，WCDMA，CDMA2000，TD-LTE等等。为了减小基站和移动终端的体积并改善射频性能，多频多模的射频系统的发展受到了关注。对应于这种趋势，多频微波元件的发展显得特别重要。
双频耦合器用于构造多种双频电路和系统，并且可以适用于两个不同的工作频段，具有结构简单、耦合度可以任意给定且尺寸较小的优点。
传统的耦合器分为分支线耦合器、混合环耦合器和平行线(即耦合线)耦合器，它们的两个输出端口之间分别有90度、180度和90度的相位差。在过去的十年中，双频分支线型和混合环型耦合器已经有大量的研究和实现方案。这些双频耦合器大多是通过使用双频阻抗变换器构建而成的。例如，通过在一段传输线的中间加载短截线可以实现T形双频阻抗变换器，在一段传输线两端分别加载短截线可以实现Pi型双频阻抗变换器，双频分支线型和混合环型耦合器可以由多个双频阻抗变换器构建而成。
尽管人们已经提出多种双频分支线耦合器和双频混合环耦合器，但是大多仅可以获得3dB的耦合度。耦合度为任意值的双频耦合器的解决方案比较少。
目前已有平行耦合线双频耦合器，其中使用三段平行耦合线级联，在两个级联处共引出双频平行耦合器的四个端口。这种双频耦合器可以实现任意的耦合度，但是适用于频率比不高(一般小于4)的情况。这种平行耦合器的奇模和偶模电路分别是一个Pi型阻抗变换器。由于端口的位置的限制，很难通过多节级联的方式实现工作带宽的拓宽。
本发明所述的双频耦合器和宽带双频耦合器使用对称阶梯阻抗耦合线和其级联结构实现，频率比在5以上，并且无理论上限。这种对称阶梯阻抗耦合线易于级联，通过多个对称阶梯阻抗平行耦合线级联，可以获得宽带双频耦合器，其低频段可以获得多倍频带宽，同时在高频段可获得与低频段相同的绝对带宽。本发明所述的双频耦合器和宽带双频耦合器电路结构简单，并且相比于传统的四分之一波长和多个四分之一波长级联的平行线耦合器，具有更短的电长度。
发明内容
本发明针对现有的双频耦合器技术存在的缺陷，而提出一种基于对称阶梯阻抗平行耦合线的双频耦合器和宽带双频耦合器，以解决耦合度不可控、频率比小、体积大、不易级联、带宽窄等问题。
双频耦合器是由一段对称阶梯阻抗平行耦合线构成；宽带双频耦合器是由多节对称阶梯阻抗平行耦合线级联而成。所述的对称阶梯阻抗平行耦合线是由三段阶梯阻抗平行线级联构成的；其中首段和末段具有相同的电长度和奇偶模特性阻抗，中段具有不同的奇偶模特性阻抗，并且中间段的电长度可以等于或不等于首段或末段的电长度。所述的对称阶梯阻抗平行耦合线的总电长度在f1(较低的工作频段)处小于等于四分之一波长。
技术效果：
1.本发明所述的双频耦合器采用了对称阶梯阻抗平行耦合线，实现了大频率比，并且频率比理论上无上限。
2.相比于双频分支线耦合器和双频混合环耦合器，本发明所述的双频耦合器实现了任意耦合系数，并且电路结构简单，有效的减小了体积。
3.本发明所述的双频耦合器，端口位置较方便，可实现多节级联，实现较宽的带宽。
4.本发明所述的宽带双频耦合器，其低频段的工作带宽可达到多倍频带宽，同时在高频段可获得与低频段相同的绝对带宽。
5.该双频耦合器及宽带双频耦合器具有相对短的电长度，且电路结构更简单。
附图说明：
图1为对称阶梯阻抗平行耦合线双频耦合器的电路拓扑图
图2为对称阶梯阻抗平行耦合线宽带双频耦合器的电路拓扑图
图3为带状线形式对称阶梯阻抗平行耦合线双频耦合器的电路版图
图4为带状线形式对称阶梯阻抗平行耦合线宽带双频耦合器的电路版图
图5为对称阶梯阻抗平行耦合线双频耦合器的幅度仿真与实测结果
图6为对称阶梯阻抗平行耦合线双频耦合器的相位仿真与实测结果
图7为对称阶梯阻抗平行耦合线宽带双频耦合器的仿真与实测结果
图8为对称阶梯阻抗平行耦合线宽带双频耦合器的仿真与实测结果
具体实施方式
下面对本发明的电路结构与原理作进一步的说明。
图1给出了对称阶梯阻抗平行线耦合器的电路拓扑图。该对称阶梯阻抗平行耦合线由三段平行耦合线级联而成，由左至右的电路呈现对称性。第一段和第三段平行耦合线的奇模和耦合特性阻抗、电长度分别为Z0o1、Z0e1、θ1，第二段平行耦合线的奇模和耦合特性阻抗、电长度分别为Z0o2、Z0e2、θ2。
为了实现频率比为m，电压耦合系数为k的双频耦合器，对称阶梯阻抗平行耦合线的奇偶模等效电路应该分别等效为频率比为m且k值为Zo和Ze的双频K变换器，其中：
Figure BSA0000134810050000031
Figure BSA0000134810050000032
由此可以确定各段耦合线的奇模和偶模特性阻抗的值。不同的频率比值m，可以给出不同的电长度θ1和θ2。
Figure BSA0000134810050000033
理论上，上述每种情况都不限定频率比m的上限，但是为了使得各段平行耦合线的阻抗值都可以实现，我们将m分成如上范围。以上所示的各种情况下总电长度为
θt＝2θ1+θ2 (4)
可以发现总电长度在低频段中心频率f1处总是小于或等于四分之一波长，而且每种情况下，当频率比m越增加，总电长度越小，从而减小了体积。当给定频率比，等效特性阻抗的值可由下列公式进行计算：
Figure BSA0000134810050000034
Figure BSA0000134810050000035
其中r是Z1和Z2的比值，Z1和Z2的值如下：
Figure BSA0000134810050000041
Z0为端口特性阻抗。对于奇模和偶模电路，ZT分别等于Zo和Ze，两种情况下求得的Z1和Z2分别Z0o1，Z0o2以及Z0e1和Z0e2。
图2给出了由多节对称阶梯阻抗平行耦合线级联而成的宽带双频耦合器的电路拓扑(仅以对称三阶设计为例)。本发明所述的宽带双频耦合器通过多节对称阶梯阻抗平行耦合线级联构成。设计的工作频率为f1和f2，对应的带宽为BW1和BW2，由于多节宽带双频耦合器会有两个相等的带宽，所以我们选择较大的带宽作为设计带宽BW，两个带宽的边频为f1L，f1H，f2L，f2H。同时我们可以得到较低宽带的带宽比
Rf＝f1H/f1L＝(f1+BW/2)(f1-BW/2) (8)
根据需要的耦合系数C，波纹δ和频率比Rf，我们可以查表确定确宽带双频耦合器的阶数N，以及每一节的归一化偶模阻特性抗值，
Figure BSA0000134810050000042
每一节的等效奇模和偶模的阻抗值为
Figure BSA0000134810050000043
为实现宽带双频耦合器，每一节都使用对称阶梯阻抗平行耦合线，通过对各段选择合适的奇、偶模特性阻抗和电长度，获得等效奇偶模特征阻抗为Zei和Zoi的双频四分之一波长耦合线。
如图2所示，第i节对称阶梯阻抗平行耦合线的各段耦合线的参数为Z0ei1，Z0oi1，θ1，Z0ei2，Z0oi2，θ2。这些参数可以通过公示(1-9)计算得到。其中每段对称阶梯阻抗平行耦合线的电长度只由频率比决定，因此不同的对称阶梯阻抗平行耦合线的电长度都是相同的。
根据图2的参数，结合材料和介质基板的厚度可以分析得出最后的物理参数。
对于设计一个宽带双频耦合器的步骤如下：
1.根据较低宽带的带宽比和波纹值来确定N。
2.得到每一节归一化的偶模特征阻抗值，然后根据公式计算相应奇模和偶模的特征阻抗值。
3.根据每节的奇偶模阻抗值，计算相对应的对称阶梯阻抗平行耦合线的参数Z0ei1，Z0oi1，θ1，Z0ei2，Z0oi2，θ2。
4.基于介质基板的介电常数和厚度，计算出最终的物理参数值。
下面介绍本发明的两个实施例
A.频率比为7.5的基于对称阶梯阻抗平行耦合线的双频耦合器
一个耦合度为20dB的耦合器，其耦合系数C＝0.1，对应的双频K变换器的等效奇偶模阻抗值为：
Z0e＝55.28Ω和Z0o＝45.23Ω
当m＝7.5时，我们选择了θ1＝θ2/2，对称阶梯阻抗平行耦合线如图1所示的参数值：
表1
Z<sub>0e1</sub>(Ω) Z<sub>0o1</sub>(Ω) θ<sub>1</sub>(Deg) Z<sub>0e2</sub>(Ω) Z<sub>0o2</sub>(Ω) θ<sub>2</sub>(Deg)
84.63 69.24 21.24 45.93 37.58 42.48
为了提高耦合器的隔离度，我们采用介质填充的薄的带状线实现该耦合器，带状线上下盖板的距离为2mm，相对介电常数εr＝2.65。相对应的对称阶梯阻抗平行耦合线的物理参数如表2所示。
表2(单位：mm)
W<sub>1</sub> S<sub>1</sub> L<sub>1</sub> W<sub>2</sub> S<sub>2</sub> L<sub>2</sub>
0.6 0.9 10.9 1.9 0.6 21.7
该设计实例的电路版图如图3所示。
图5所示的是双频耦合器的幅度仿真与实测的响应。其中1dB波纹带宽为489MHz和683MHz，回波损耗分别大于30/22dB，隔离度大于45/40dB。该双频耦合器的总电长度在1GHz处小于四分之一波长。图6给出了双频耦合的相位响应曲线(仿真和实测)。
B.宽带双频耦合器
我们选择频率比m＝5.2、阶数N＝3、波纹为0.2dB的参数来设计宽带双频耦合器。每一节的归一化偶模阻抗值如下：
Figure BSA0000134810050000051
由此计算出三节的奇偶模阻抗值：
Z0e1＝Z0e3＝51Ω；Z0e2＝57.5Ω
Z0o1＝Z0o3＝49Ω；Z0o2＝43.5Ω
表3所示对称阶梯阻抗平行耦合线对应的每节的奇偶模阻抗值
表3(单位：Ω)
Z<sub>0e11</sub> Z<sub>0o11</sub> Z<sub>0e12</sub> Z<sub>0o12</sub> Z<sub>0e21</sub> Z<sub>0o21</sub> Z<sub>0e22</sub> Z<sub>0o22</sub>
65.22 62.65 39.87 38.29 73.53 55.63 44.94 34
依旧采用带状线，其物理参数如表4所示。
表.4(单位：mm)
W<sub>11</sub> W<sub>12</sub> S<sub>11</sub> S<sub>12</sub> W<sub>21</sub> W<sub>22</sub>
1 2.1 1.8 1.2 0.9 2
S<sub>21</sub> S<sub>22</sub> L<sub>11</sub> L<sub>12</sub> L<sub>21</sub> L<sub>22</sub>
0.6 0.4 15.1 15.1 15.1 15.1
图4给出了宽带双频耦合设计实例的电路版图。
图7给出了宽带双频耦合器的幅度的仿真与实测结果，可以看出2dB波纹工作频率范围分别为334MHz-1544MHz和4848MHz-6073MHz，对应带宽1210MHz和1225MHz。
在两个带宽内，耦合系数为21.27±1dB和20.9±1dB，并且回波损耗都小于20dB。隔离度在334MHz～1381MHz频段大于40dB，在1381MHz～1544MHz频段大于32dB，在4848MHz～6073MHz之间的隔离度为32dB～40dB。图8给出了宽带双频耦合器的相位的仿真与实测结果。

Claims (3)

1.一种宽带的双频耦合器，其特征在于，该宽带的双频耦合器是由多节双频耦合器级联而成，调节每一节双频耦合器中各段阶梯阻抗平行线的奇偶模特性阻抗以及电长度以使各节双频耦合器等效为双频四份之一波长耦合线，每一节双频耦合器的奇偶模特征阻抗根据端口特性阻抗及各节的归一化偶模特性阻抗确定，级联的节数以及各节的归一化偶模特性阻抗根据耦合系数、波纹以及频率比确定；
所述双频耦合器，包括一段对称阶梯阻抗平行耦合线，所述对称阶梯阻抗平行耦合线由三段阶梯阻抗平行线级联而成，首段阶梯阻抗平行线和末段阶梯阻抗平行线具有相同的电长度和奇偶模特性阻抗，中间段阶梯阻抗平行线的电长度大于或等于首段阶梯阻抗平行线的电长度，中间段阶梯阻抗平行线的奇偶模特性阻抗与首段阶梯阻抗平行线的奇偶模特性阻抗不同；
所述频率比对应的带宽比根据表达式：Rf＝f1H/f1L＝(f1+BW/2)(f1-BW/2)计算，Rf为带宽比，f1为低工作频段中心频率，f1H、f1L为低工作频段的上边频、下边频，BW为高低工作频段带宽中的最大值。
2.根据权利要求1所述一种宽带的双频耦合器，其特征在于，所述三段阶梯阻抗平行线的电长度比例为1:1:1或1:2:1或1:3:1或1:4:1或2:1:2。
3.根据权利要求1所述一种宽带的双频耦合器，其特征在于，三段阶梯阻抗平行线在低工作频段中心频率处的总电长度小于或等于四分之一波长。
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