CN108428991A - 一种小型化高带宽转向耦合器 - Google Patents

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张赟
金杰
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    • H01P5/00—Coupling devices of the waveguide type
    • H01P5/12—Coupling devices having more than two ports
    • H01P5/16—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port
    • H01P5/18—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port consisting of two coupled guides, e.g. directional couplers
    • H01P5/184—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port consisting of two coupled guides, e.g. directional couplers the guides being strip lines or microstrips

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Abstract

本发明公开了一种小型化高带宽转向耦合器，包括介质基板和金属接地板，所述介质基板上相对称地设有U形的耦合微带线，所述耦合微带线之间负载有电容，所述介质基板的相对介电常数为4.4，损耗正切值为0.02，厚度为1.2‑2mm，所述金属接地板为矩形结构且设置于介质基板的背面。本发明通过微波网络理论研究转向耦合器信号传输的实现条件，利用奇偶模分析，计算得出耦合线尺寸，并进行仿真优化，完成转向耦合器的小型化设计。实现了37.1％的相对带宽，并将耦合线尺寸缩小至19.2mm*15mm，实现了小型化，更利于集成。

Description

一种小型化高带宽转向耦合器
技术领域
本发明涉及集成电路中的微固体器件领域，具体涉及一种小型化高带宽转向耦合器。
背景技术
定向耦合器是一种具有方向性的功率分配器件，在微波通信领域具有广泛的应用。传统耦合微带线定向耦合器难以实现强耦合且在某些应用中会增加电路复杂性，产生寄生效应。转向耦合器是近些年提出的新型定向耦合器，该器件能够通过加载其他元件实现强耦合，并有效避免某些应用中传统耦合微带线定向耦合器的线路交叉问题，减小寄生效应，在有源电路里可实现DC阻塞，从而比传统耦合微带线定向耦合器具有更优越性能，因此对定向跨耦合器性能的研究也越来越热门。
2009年，Ching-Ian Shie等人提出了利用周期性加载电容的传输线满足转向耦合器耦合条件的方案，通过调节加载周期和并联的电纳，转向耦合器信号传输所需的奇偶模阻抗条件和相位条件能够同时得到满足，从而实现跨耦合器的设计。这也是近几年人们设计定向跨耦合器时普遍使用的方法。但现有的转向耦合器存在带宽较窄、隔离度较低等缺点，需要进一步提高其工作性能。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种小型化高带宽转向耦合器，本发明通过微波网络理论研究转向耦合器信号传输的实现条件，利用奇偶模分析，计算得出耦合线尺寸，并进行仿真优化，完成转向耦合器的小型化设计。实现了37.1％的相对带宽，并将耦合线尺寸缩小至19.2mm*15mm，实现了小型化，更利于集成。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种小型化高带宽转向耦合器，包括介质基板和金属接地板，所述介质基板上相对称地设有U形的耦合微带线，所述耦合微带线之间负载有电容，所述介质基板的相对介电常数为4.4，损耗正切值为0.02，厚度为1.2-2mm，所述金属接地板为矩形结构且设置于介质基板的背面。
进一步的，所述耦合微带线之间的间距为1mm。
进一步的，所述电容宽度为0.5mm，电容值为1pF。
进一步的，所述介质基板由长和宽分别为33.5mm和15mm的环氧树脂板构成。
进一步的，所述耦合微带线的顶角设有倒角。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
本发明转向耦合器实现了‐3dB耦合，工作频率在3.1GHz；此外，转向耦合器的回波损耗达到‐40dB至‐45dB，插入损耗达到‐45dB至‐50dB，具有良好的隔离度，能很好的抑制隔离端口功率输出，从而提高了该转向耦合器的实用性。通过建立仿真模型并进行优化，结果表明：在3.1GHz时，耦合线耦合器的隔离度高于‐45dB，相对带宽达到37.1％，并实现了耦合器的小型化，尺寸缩减至19.2mm*15mm，满足微波系统对耦合器设计的要求。
附图说明
图1是本发明的结构尺寸示意图。
图2(a)、图2(b)和图2(c)分别是本发明回波损耗S11、插入损耗S12、耦合端口的S参数S13和直通端口的S参数S14仿真结果图。
图3是转向耦合器四端口S参数S11、S12、S13、S14仿真结果图。
附图标记：1-介质基板，2-耦合微带线，3-电容
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
如图1所示，一种小型化高带宽转向耦合器，包括介质基板1和设置在介质基板背面的矩形金属接地板，介质基板1上相对称地设有U形的耦合微带线2，耦合微带线2之间周期负载有电容3，该耦合器采用典型的平面耦合微带线结构，介质基板由常用的FR4(环氧树脂)板材料做成，相对介电常数为4.4，损耗正切值为0.02，介质基板厚度为1.6mm，采用周期负载电容方式，各端口输入阻抗为50Ω。
本实施例中耦合器经过优化设计后的具体的尺寸参数如下：L＝33.5mm,W＝15mm,L1＝3mm，W1＝5.25mm，L2＝13.2mm，W2＝0.65mm，W3＝6.28mm，介质基板1厚度h＝1.6mm，介质基板背面为金属接地板。两耦合微带线间距S＝1mm，周期性加载电容与间距等长，宽Lc＝0.5mm，电容值为1pF。
为了研究转向耦合器的耦合特性，运用全波三维电磁仿真，对本发明加载端电容的耦合器进行仿真优化。仿真所得结果如图2所示。
经过仿真分析，可知本发明转向耦合器实现了‐3dB耦合，工作频率在3.1GHz。从图2(a)中可以看出，转向耦合器的回波损耗达到‐40dB至‐45dB，从图2(b)中可以看出，插入损耗达到‐45dB至‐50dB，具有良好的隔离度，能很好的抑制隔离端口功率输出，从而提高了该转向耦合器的实用性。
此外，从图2(c)中可以看出，在中心频率3.1GHz处，耦合端口的S参数S13和直通端口的S参数S14曲线重合，达到‐3dB，即耦合输出功率约为输入功率的一半，符合设计要求。从图3中可以看出，在2.7‐3.85GHz频段内，耦合器回波损耗S11与插入损耗S12均小于‐10dB，即耦合器的相对带宽达到37.1％，远高于现有宽带转向耦合器22％的相对带宽。
本实施例采用周期负载，基于对称耦合线耦合器典型结构提出了一种新颖的、小型化的、具有高隔离度以及高相对带宽的转向耦合器。建立耦合器的仿真模型并进行优化。研究结果表明：在3.1GHz时，耦合线耦合器的隔离度高于‐45dB，相对带宽达到37.1％，并实现了耦合器的小型化，尺寸缩减至19.2mm*15mm，满足微波系统对耦合器设计的要求。相对带宽公式如下：
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种小型化高带宽转向耦合器，包括介质基板和金属接地板，其特征在于，所述介质基板上相对称地设有U形的耦合微带线，所述耦合微带线之间负载有电容，所述介质基板的相对介电常数为4.4，损耗正切值为0.02，厚度为1.2‐2mm，所述金属接地板为矩形结构且设置于介质基板的背面。
2.根据权利要求1所述一种小型化高带宽转向耦合器，其特征在于，所述耦合微带线之间的间距为1mm。
3.根据权利要求1所述一种小型化高带宽转向耦合器，其特征在于，所述电容宽度为0.5mm，电容值为1pF。
4.根据权利要求1所述一种小型化高带宽转向耦合器，其特征在于，所述介质基板由长和宽分别为33.5mm和15mm的环氧树脂板构成。
5.根据权利要求1所述一种小型化高带宽转向耦合器，其特征在于，所述耦合微带线的顶角设有倒角。
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