CN108470968B - 一种端接等复阻抗横跨定向耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了种端接等复阻抗的横跨定向耦合器，具体方案为：包括平行耦合线、并联短路线、跨接电容和四个等复阻抗输入/输出端口；所述平行耦合线包括第一耦合线和第二耦合线；所述并联短路线包括第一段并联短路线、第二段并联短路线、第三段并联短路线、第四段并联短路线、第五段并联短路线和第六段并联短路线。本装置可以实现任意复数输入/输出阻抗，同时可实现任意的功分比。由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种端接等复阻抗的横跨定向耦合器，具有易加工、体积小和低成本的特点，适于广泛推广。

Description

一种端接等复阻抗横跨定向耦合器

技术领域

本发明属于电子技术领域，涉及一种微波器件，具体为一种端接等复阻抗横跨定向耦合器。

背景技术

定向耦合器是一种用来分配或合成微波信号功率并具有定向耦合特性的微波/毫米波器件，被应用于信号的提取、功率的监测、源输出功率稳幅、传输和反射的扫频测试等。微带定向耦合器是一种平面结构的定向耦合器，可由印制电路板技术实现，具有体积小、易集成等特点。按照隔离端口相对于输入端口的位置，微带定向耦合器可分为同向、反向和横跨三种定向耦合器，具体为：如果输入端与直通端在同一条传输线上，耦合端与隔离端在另一条传输线上，且输入端与隔离端在同一侧，则构成同向耦合器；如果输入端与直通端在同一条传输线上，耦合端与隔离端在另一条传输线上，且输入端与耦合端在同一侧，则构成反向耦合器；如果输入端与隔离端在同一条传输线上，耦合端与直通端在另一条传输线上，且输入端与隔离端在同一侧，则构成横跨定向耦合器。

微带横跨定向耦合器具有低成本、易加工、体积小的特点，同时由于其耦合端和直通端在一条传输线上，故当微带横跨定向耦合器应用于微波电路时，能够避免电路交叉，并简化了电路布局，因此，随着Butler矩阵和平衡放大器的广泛研究与应用，微带横跨定向耦合器的研究受到了关注。但微带横跨定向耦合器与微波系统中的其他元件连接时，需要阻抗匹配电路(例如，低噪声放大器中三极管或场效应管的输入/输出阻抗为复阻抗，与横跨定向耦合器连接时，需要插入匹配电路)，增加了电路的复杂度，增大了体积和损耗。

发明内容

根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种端接等复阻抗的横跨定向耦合器，具体方案为：包括平行耦合线、并联短路线、跨接电容和四个等复阻抗输入/输出端口；

所述平行耦合线包括第一耦合线和第二耦合线；所述并联短路线包括第一段并联短路线、第二段并联短路线、第三段并联短路线、第四段并联短路线、第五段并联短路线和第六段并联短路线；

所述第一段并联短路线与第一耦合线的一端连接，第二段并联短路线与第一耦合线的中部连接，第三段并联短路线与第一耦合线的另一端连接，所述第四段并联短路线与第一耦合线的一端连接，第五段并联短路线与第一耦合线的中部连接，第六段并联短路线与第一耦合线的另一端连接；所述并联短路线所包含的每个并联短路线的特性阻抗相同，其中第一、三、四、六段并联短路线的电长度相同，第二、五段并联短路线的电长度相同。

进一步的，该横跨定向耦合器的四个等复阻抗输入/输出端口接任意复数阻抗。

进一步的，所述并联短路线的特性阻抗与第一耦合线、第二耦合线的偶模特性阻抗相同。

进一步的，该横跨定向耦合器的端口复阻抗由并联短路线和跨接电容决定。

一种端接等复阻抗横跨定向耦合器的设计方法，包括以下步骤：

步骤1：将偶模激励下的传输矩阵代入功分比表达式

中，以并联短路线(21、23、24、25)的电长度θ₂和并联短路线(22、25)的电长度θ₃作为自由变量，得到平行耦合线(1)的偶模特性阻抗Z_1e的表达式为：

步骤2：根据横跨定向耦合器各端口理想匹配与隔离端口理想隔离的实现条件，以跨接电容(31、33)的容值C₁为自变量，得到平行耦合线(1)的奇模特性阻抗Z_1o的表达式：

其中

步骤3：跨接电容(32)的容值C₂由平行耦合线(1)的奇模Z_1o和偶模Z_1e特性阻抗、跨接电容(31、33)的容值C₁、并联短路线(22、25)的电长度θ₃表示：

其中，R_L为输入输出端口复数阻抗的实部；X_L为输入输出端口复数阻抗的虚部；C₁为跨接电容(31、33)的容值；C₂为跨接电容(32)的容值；θ₂为并联短路线(21、23、24、25)的电长度；θ₃为并联短路线(22、25)的电长度；Z_1o为平行耦合线(1)的奇模特性阻抗；Z_1e为平行耦合线(1)的偶模特性阻抗。

本发明公开的一种端接等复阻抗横跨定向耦合器，可以实现任意复数输入/输出阻抗，同时可实现任意的功分比。由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种端接等复阻抗的横跨定向耦合器，具有易加工、体积小和低成本的特点，适于广泛推广。

附图说明

图1是本发明所述端接等复阻抗横跨定向耦合器的结构示意图；

图2是本发明所述端接等复阻抗横跨定向耦合器的偶模等效电路图；

图3是本发明所述端接等复阻抗横跨定向耦合器的奇模等效电路图；

图4是本发明所述端接等复阻抗横跨定向耦合器的S参数曲线；

图5是本发明所述端接等复阻抗横跨定向耦合器输出端口间相位曲线。

图中：1、平行耦合线，11、第一耦合线，12、第二耦合线，并联短路线包括：21、第一段并联短路线，22、第二段并联短路线，23、第三段并联短路线，24、第四段并联短路线，25、第五段并联短路线，26、第六段并联短路线，31、第一跨接电容，32、第二跨接电容，33、第三跨接电容。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

图1为本发明端接等复阻抗横跨定向耦合器结构示意图，本实例的横跨定向耦合器，可以包括；

平行耦合线1、并联短路线21、22、23、24、25、26、跨接电容31、32、33和四个等复阻抗输入/输出端口。

其中平行耦合线1包括第一耦合线11和第二耦合线12；并联短路线21、22、23、24、25、26包括第一段并联短路线21、第二段并联短路线22、第三段并联短路线23、第四段并联短路线24、第五段并联短路线25和第六段并联短路线26；

进一步地，第一段并联短路线21与第一耦合线11的一端连接，第二段并联短路线22与第一耦合线11的中间连接，第三段并联短路线23与第一耦合线11的另一端连接，所述第四段并联短路线24与第一耦合线12的一端连接，第五段并联短路线25与第一耦合线12的中间连接，第六段并联短路线26与第一耦合线12的另一端连接；所述第一至六段并联短路线21、22、23、24、25、26的特性阻抗相同，所述第一、三、四、六段并联短路线21、23、24、26的电长度相同，所述第二、五段并联短路线22、25的电长度相同；

进一步地，跨接电容31的两端分别与第一耦合线11和第二耦合线12的一端连接，所述跨接电容32的两端分别与第一耦合线11和第二耦合线12的中间部连接，所述跨接电容33的两端分别与第一耦合线11和第二耦合线12的另一端连接；所述跨接电容31、33的容值相同，与跨接电容32的容值不同。

进一步地，并联短路线21、22、23、24、25、26的特性阻抗与第一耦合线11、第二耦合线12的偶模特性阻抗相同。

进一步地，第一耦合线11和第二耦合线12的电长度均为90°。

具体来说，本实施例中输入输出端口的阻抗均为复阻抗R_L+jX_L，其功分比为

可以实现两输出端口间的不同功分比。利用奇偶模分析法把耦合器的四端口网络转化为两个二端口网络进行分析，计算电路参量。

偶模激励下，横跨定向耦合器对称面上的电流为零，等效为开路。图2给出了本发明横跨定向耦合器的偶模等效电路。Z_1e为平行耦合线1的偶模特性阻抗，Z₁为并联短路线21、22、23、24、25、26的特性阻抗，θ₂为第一并联短路线21、第三并联短路线23、第四并联短路线24、第六并联短路线26的电长度，θ₃为第二并联短路线22、第五并联短路线25的电长度。

奇模激励下，横跨定向耦合器对称面上的电压为零，等效为短路。图3给出了本发明横跨定向耦合器的奇模等效电路。Z_1o为平行耦合线1的奇模特性阻抗，Z₁为并联短路线21、22、23、24、25、26的特性阻抗，θ₂为第一并联短路线21、第三并联短路线23、第四并联短路线24、第六并联短路线26的电长度，θ₃为第二并联短路线22、第五并联短路线25的电长度，C₁为跨接电容31、33的容值，C₂为跨接电容32的容值。

由图2和图3的二端口网络可以得到两个传输矩阵，根据横跨定向耦合器的特性对两个传输矩阵求解，可以得到本发明横跨定向耦合器的设计公式，求解步骤如下：

步骤1：将偶模激励下的传输矩阵代入功分比表达式

中，以并联短路线21、23、24、25的电长度θ₂和并联短路线22、25的电长度θ₃作为自由变量，得到平行耦合线1的偶模特性阻抗Z_1e的表达式为：

步骤2：根据横跨定向耦合器各端口理想匹配与隔离端口理想隔离的实现条件，以跨接电容31、33的容值C₁为自变量，可以得到平行耦合线1的奇模特性阻抗Z1o的表达式：

其中

步骤3：跨接电容32的容值C₂可由平行耦合线1的奇模Z_1o和偶模Z_1e特性阻抗、跨接电容31、33的容值C₁、并联短路线22、25的电长度θ₃表示：

在本发明的具体实施例中，该横跨定向耦合器的中心频率为1.6GHz，耦合度为3dB(功分比k＝1)，输入和输出端口复阻抗Z_L＝60-j20。根据上述公式，选取θ₂＝45°、θ₃＝60°、C₁＝2pF，可以得到电路的其他参数为：Z_1e＝109.3Ω、Z_1o＝52.2Ω，C₂＝2.44pF。根据所得的特性阻抗与电长度设计本发明的端接等复阻抗横跨定向耦合器。如图4和5所示，本实施例的端接等复阻抗横跨定向耦合器的工作频段为1.47GHz～1.82GHz。在该频段范围内，回波损耗和隔离度均大于20dB，耦合度为4±0.65dB，输出端口间相位差为90°±0.9°。

本实施例采用的技术指标如下：

频率范围：1.47GHz～1.82GHz

输入输出端口阻抗：Z_L＝60-j20Ω；

功分比：k＝1；

耦合度：4±0.65dB；

回波损耗：>20dB；

隔离度：>20dB；

输出端口相位差：90°±0.9°。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种端接等复阻抗横跨定向耦合器，其特征在于：包括平行耦合线(1)、总并联短路线(21、22、23、24、25、26)、总跨接电容(31、32、33)和四个等复阻抗输入/输出端口，所述总跨接电容(31、32、33)包括第一跨接电容(31)、第二跨接电容(32)和第三跨接电容(33)；

所述平行耦合线(1)包括第一耦合线(11)和第二耦合线(12)；所述总并联短路线(21、22、23、24、25、26)包括第一段并联短路线(21)、第二段并联短路线(22)、第三段并联短路线(23)、第四段并联短路线(24)、第五段并联短路线(25)和第六段并联短路线(26)；

所述第一段并联短路线(21)与第一耦合线(11)的一端连接，第二段并联短路线(22)与第一耦合线(11)的中部连接，第三段并联短路线(23)与第一耦合线(11)的另一端连接，所述第四段并联短路线(24)与第二耦合线(12)的一端连接，第五段并联短路线(25)与第二耦合线(12)的中部连接，第六段并联短路线(26)与第二耦合线(12)的另一端连接；所述总并联短路线(21、22、23、24、25、26)所包含的每个并联短路线的特性阻抗相同，其中第一、三、四、六段并联短路线的电长度相同，第二、五段并联短路线的电长度相同；

该耦合器采用如下方式设计：

步骤1：将偶模激励下的传输矩阵代入功分比表达式

中，以第一段并联短路线(21)、第三段并联短路线(23)、第四段并联短路线(24)、第六段并联短路线(26)的电长度θ₂以及第二段并联短路线(22)和第五段并联短路线(25)的电长度θ₃作为自由变量，得到平行耦合线(1)的偶模特性阻抗Z_1e的表达式为：

其中，R_L为输入输出端口复数阻抗的实部；k为公分比，X_L为输入输出端口复数阻抗的虚部；

步骤2：根据横跨定向耦合器各端口理想匹配与隔离端口理想隔离的实现条件，以第一跨接电容(31)和第三跨接电容(33)的容值C₁为自变量、得到平行耦合线(1)的奇模特性阻抗Z_1o的表达式：

其中

其中A_e、B_e和C_e为中间变量，ω为角频率，Z_1o为平行耦合线(1)的奇模特性阻抗，Z_1e为平行耦合线(1)的偶模特性阻抗；

步骤3：第二跨接电容(32)的容值C₂由平行耦合线(1)的奇模Z_1o和偶模Z_1e特性阻抗、第一跨接电容(31)和第三跨接电容(33)的容值为C₁、第二段并联短路线(22)和第五段并联短路线(25)的电长度θ₃表示：

2.根据权利要求1所述的一种端接等复阻抗横跨定向耦合器，其特征还在于：该横跨定向耦合器的四个等复阻抗输入/输出端口接任意复数阻抗。

3.根据权利要求1所述的一种端接等复阻抗横跨定向耦合器，其特征在于所述总并联短路线(21、22、23、24、25、26)的特性阻抗与第一耦合线(11)、第二耦合线(12)的偶模特性阻抗相同。

4.根据权利要求1所述的一种端接等复阻抗横跨定向耦合器，其特征在于该横跨定向耦合器的端口复阻抗由总并联短路线(21、22、23、24、25、26)和总跨接电容(31、32、33)决定。

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