CN107959479B - 一种微波平面180度混合网络 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种微波平面180度混合网络，包含相位补偿单元、第一渐变线耦合单元、阻抗渐变单元、第二渐变线耦合单元；相位补偿单元用于对第一输入端口的微波信号进行移相，产生移相微波信号；第一渐变线耦合单元用于对所述移相微波信号、第二输入端口微波信号进行和、差处理；阻抗渐变单元用于连接第一渐变线耦合单元和第二渐变耦合单元，实现阻抗渐变；第二渐变线耦合单元对所述阻抗渐变线传递的信号进行和、差处理，产生第二和运算信号、第二差运算信号。本申请具有小型化、低剖面、易于集成的优点。

Description

一种微波平面180度混合网络

技术领域

本申请涉及微波技术领域，尤其涉及一种微波平面耦合器电路。

背景技术

一般的平面混合网络采用环形混合网络制作，该类混合网络的物理尺寸由于和电长度密切相关，无法实现超宽带特性。通过采用渐变匹配线和耦合线制作的混合网络可以很好的降低器件对电长度的敏感度，从而实现超宽带特性，但耦合度不高。

发明内容

本发明提出一种微波平面180度混合网络，旨在解决要在宽带频率范围内实现微波信号和差运算、同时具有较高耦合度的技术问题。

本申请实施例提供一种微波平面180度混合网络，包含相位补偿单元、第一渐变线耦合单元、阻抗渐变单元、第二渐变线耦合单元；所述相位补偿单元，用于对第一输入端口的微波信号进行移相，产生移相微波信号；所述第一渐变线耦合单元，用于对所述移相微波信号、第二输入端口微波信号进行和、差处理，在输出端口产生第一和运算信号、第一差运算信号；所述阻抗渐变单元，用于连接所述第一渐变线耦合单元的输出端口和所述第二渐变线耦合单元的输入端口，实现阻抗渐变；所述第二渐变线耦合单元，用于对所述阻抗渐变单元传递的信号进行和、差处理，产生第二和运算信号、第二差运算信号。所述第一渐变线耦合单元、第二渐变线耦合单元包含渐变耦合线，耦合因数为：

优选地，所述微波平面180度混合网络中，所述相位补偿单元的电长度与第一渐变线耦合单元的电长度相同。

进一步优选地，所述微波平面180度混合网络中，所述第一渐变线耦合单元和所述第二渐变线耦合单元的结构和功能相同。

作为本发明进一步优化的实施例，所述第一渐变线耦合单元和/或第二渐变线耦合单元采用KLOPFENSTEIN渐变线、或采用指数渐变线。

最佳地，本申请任意一项实施例所述微波平面180度混合网络中，所述相位补偿单元、第一渐变线耦合单元、阻抗渐变单元、第二渐变线耦合单元为带状传输线制成。

本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：本发明采用带状传输线实现了超宽带180度混合网络、并具有小型化、低剖面、易于集成的优点。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为平面180度混合网络原理框图；

图2为180度混合网络耦合因数计算示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

180度混合网络是一种在两个输出端口之间有180度相移的四端口微波网络，本申请文件中，又称其为一种“魔T”。在微波毫米波电路与系统中，180度混合网络作为相关接收机、鉴频器、平衡混频器等功能电路的重要组成部分被广泛应用。平面180度混合网络是指用微带线、带状传输线、共面波导等平面传输线制作的180度混合网络。该类混合网络具有体积小，易于同其他微波电路集成的优点。

以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。

图1为平面180度混合网络原理框图。如图1所示，一种超宽带180度混合网络包括：两渐变耦合单元(第一渐变线耦合单元2、第二渐变线耦合单元4)、阻抗渐变单元3、相位补偿单元1。

第一、第二渐变线耦合单元的功能是将两路输入信号按一定比例进行和差运算，分别从和输出端口和差输出端口输出。第一、第二渐变线耦合单元由渐变耦合线构成，包含端口1～4。其中，端口2、3用于输入微波信号；端口1用于输出和信号；端口4用于输出差信号。

最佳地，通常选取结构及电路参数相同的两个渐变线耦合单元，作为第一、第二渐变线耦合单元。

阻抗渐变单元的主要作用是在两个渐变线耦合单元间提供信号传输路径，同时对端口阻抗进行渐变，以减小阻抗突变带来的附加寄生效应。

两输入端口(第一输入端口、第二输入端口)输入等幅同相微波信号，由第一输入端口输入的一路微波信号先经过相位补偿单元进行移相处理，以补偿后续电路单元造成的信号间相位差。相位补偿单元为一根指定长度的传输线，其电长度同第一渐变线耦合单元或第二渐变线耦合单元的电长度相同。然后两路输入信号进入第一渐变线耦合单元2，进行第一次和差处理。输出的两路信号(第一和运算信号、第一差运算信号)经过阻抗渐变单元后输入第二渐变线耦合单元4。微波信号在第二渐变线耦合单元进行第二次和差运算，最终输出2路信号(第二和运算信号、第二差运算信号)，实现输入信号的求和运算和求差运算。

本发明采用双级宽带渐变耦合线级联的方式，通过合理计算渐变耦合线耦合因子，实现宽带范围的理想和差运算。计算渐变线耦合因子的方法如下。

结合图2，运用微波网络理论对耦合器进行分析计算。通常选取两个结构及电路参数相同的渐变线耦合单元。假设两信号输入端口输入等幅同相微波信号，其余端口接匹配负载，对输入信号的幅度和相位进行归一化处理，则四端口网络的输入向量：

3号端口的信号首先经过相位补偿单元进行移相处理，以补偿后续电路单元造成的信号间相位差。相位补偿单元为一根指定长度的传输线，其电长度同后续渐变耦合线的电长度相同。经过相位补偿后的输入向量变为：

其中θ＝βL为相位补偿单元的电长度，L为补偿线的物理长度，β＝2π/λ，λ为信号在传输线中的波长。L的取值应在所期望的工作带宽内提供良好阻抗匹配，为此，L应大于工作频带低频处的半波长，即L＞λmax/2，或者有βL＞π。其中，λmax为器件工作频带低频处的传输线波长。

随后两路输入信号进入渐变线耦合单元1，进行第一次和差处理。此单元采用非对称的渐变耦合线设计，实现宽带频响。渐变线耦合单元的功能是将两路输入信号按一定比例进行和差运算，再分别从和输出端口和差输出端口输出。渐变耦合单元具有的微波网络S参数矩阵如下：

其中

为端口2到端口4的电压耦合因数，

为端口3到端口4的电压耦合因数。k为渐变耦合线的耦合因数，0＜k＜1。设计时需要合理选取k的值，使得最终的输出结果满足理想的和差运算法则。理论上，如果一个渐变线耦合单元可实现3dB耦合的话，只需一个耦合单元即可，此时有

但此耦合因数在工程上实现困难。为此，增加一个渐变线耦合单元，并设法使级联后的电路整体上具有魔T的S参数矩阵特性。经过渐变线耦合单元1后的输出向量为：

输出的两路信号经过阻抗渐变单元后输入渐变线耦合单元2。阻抗渐变单元在两个渐变耦合单元间提供信号传输路径，同时对端口阻抗进行渐变，以减小阻抗突变带来的附加寄生效应。经过阻抗渐变单元后，渐变线耦合单元2的输入向量为：

其中

为阻抗渐变单元的电长度。

信号在渐变线耦合单元2进行第二次和差运算，最终输出2路信号，输出向量为：

为实现输入信号的求和运算和求差运算，差路信号相消，幅值为0，同时依据能量守恒定律，于是有：

求解上述方程组，得：

又因为

于是有：

通过公式(3)(8)(9)，可确定单个渐变耦合单元的S参数矩阵。从而得到渐变耦合线的设计输入。

宽带渐变耦合线选取Klopfenstein渐变线，可保证在两个倍频程的范围内实现较理想的宽带渐变耦合。另一方案是采用指数渐变线或三角渐变线。

传输线形式选用带状传输线，电路结构紧凑，屏蔽性好，可较好实现需要的耦合因数。

超宽带微波器件通常指的是器件工作频带宽度接近或大于一个倍频程的微波器件，相关实现技术被称为超宽带技术。本发明通过采用两级宽带渐变耦合单元级联的方式，最终输出的两路信号在宽带范围内实现较为理想的和差运算。通过采用Klopfenstein宽带渐变线作为耦合渐变线，以及阻抗渐变线，拓展整个器件的工作带宽，实现超宽带工作。本发明可实现的工作频带：4GHz-18GHz，在工作频带内四个端口驻波≤2.0，通道不平衡度≤3dB，通道插损≤6dB,通道隔离≥10dB。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (3)

1.一种微波平面180度混合网络，其特征在于，包含相位补偿单元、第一渐变线耦合单元、阻抗渐变单元、第二渐变线耦合单元；

所述相位补偿单元、第一渐变线耦合单元、阻抗渐变单元、第二渐变线耦合单元为带状传输线制成；

所述相位补偿单元，用于对第一输入端口的微波信号进行移相，产生移相微波信号；

所述第一渐变线耦合单元，用于对所述移相微波信号、第二输入端口微波信号进行和、差处理，在输出端口产生第一和运算信号、第一差运算信号；

所述阻抗渐变单元，用于连接所述第一渐变线耦合单元的输出端口和所述第二渐变线耦合单元的输入端口，实现阻抗渐变；

所述第二渐变线耦合单元，用于对所述阻抗渐变单元传递的信号进行和、差处理，产生第二和运算信号、第二差运算信号；

所述相位补偿单元的电长度与第一渐变线耦合单元的电长度相同；

所述第一渐变线耦合单元和所述第二渐变线耦合单元的结构和功能相同；

所述第一渐变线耦合单元、第二渐变线耦合单元包含渐变耦合线，耦合因数为：

其中，β＝2π/λ，λ为信号在传输线中的波长；

λmax为器件工作频带低频处的传输线波长；

θ＝βL为相位补偿单元的电长度，L为补偿线的物理长度，所述补偿线的物理长度满足：L＞λmax/2，或者βL＞π。

2.如权利要求1所述微波平面180度混合网络，其特征在于，所述第一渐变线耦合单元和/或第二渐变线耦合单元采用Klopfenstein渐变线。

3.如权利要求1所述微波平面180度混合网络，其特征在于，所述第一渐变线耦合单元和/或第二渐变线耦合单元采用指数渐变线。

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