CN109428143B - 基于180°理想反相器的三频平衡式耦合器 - Google Patents

基于180°理想反相器的三频平衡式耦合器 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于180°理想反相器的三频平衡式耦合器,其特征在于,包括上层传输线结构、下层传输线结构、介质基板以及四个反相器,所述上层传输线结构、介质基板以及下层传输线结构由上至下依次分布,所述反相器用于连接上层传输线结构与下层传输线结构。本发明提出的基于180°理想反相器的三频平衡式耦合器实现了三个频段下差模等功分输出、共模信号有效抑制的特性,并且三个频段差模通带之间具有高隔离度,四个180度宽带反相器能够大幅度展宽共模信号抑制的带宽。该平衡式耦合器结构紧凑、设计简单、电性能良好,易于实现电路集成与系统封装。

Description

基于180°理想反相器的三频平衡式耦合器
技术领域
本发明涉及射频通信技术领域,特别是一种基于180°理想反相器的三频平衡式耦合器。
背景技术
耦合器作为微波系统中最基本的无源器件之一,它能提供正交、同向或者反向的信号输出,并且各输出端相互隔离。常用的分支线耦合器是一种3dB耦合器,其直通口和耦合口的输出幅度相等,输出相位相差90度。然而目前对分支线耦合器的研究大多停留在单端输入输出器件的设计。平衡电路具有差模信号传输、共模信号抑制的特性,可以有效降低外部环境噪声、电磁干扰等对电路的影响,较多应用于平衡滤波器、平衡功分/合成网络、平衡放大器和平衡天线等,但在平衡式耦合器方面的研究还较少。并且,随着现代无线通信技术的迅速发展,各种通信业务在不同频段应运而生,于是多频技术变得日益重要,从而可以使用一种器件支持多个频段的通信频谱。因此,本专利提出了一种新型的三频工作的平衡式3dB耦合器,通过在八个端口分别加载平行耦合线实现三个频段的差模等功分,并采用180°理想反相器实现宽带的共模抑制特性。
以往平衡多端口耦合器的设计方案并不多,且一般仅工作于单个频段下。通常采用半波长传输线来实现180°移相作用,满足平衡耦合器差分输入输出的需求,如文献1(“J.Shi,J.Qiang,K.Xu,and J.X.Chen,“A balanced branch-line coupler witharbitrary power division ratio,”IE EE Trans.Microw.Theory Techn.,vol.65,no.1,pp.78-85,2017.”)中比较详细地介绍了现有的八端口平衡式耦合器,这种平衡耦合器的主要缺点有:(1)难以拓展到多频段的应用;(2)差模传输的功分带宽小;(3)不具有宽带的180°移相作用,导致共模抑制带宽窄。
发明内容
本发明提出了一种基于180°理想反相器的三频平衡式耦合器。
实现本发明的技术解决方案为:
一种基于180°理想反相器的三频平衡式耦合器,包括上层传输线结构、下层传输线结构、介质基板以及四个反相器,上层传输线结构、介质基板以及下层传输线结构由上至下依次分布,反相器用于连接上层传输线结构与下层传输线结构,其中:
上层传输线结构与下层传输线结构相同,均包括两条第一传输线、两条第二传输线、八对平行耦合线、八条端口馈线以及八个网络端口,其中,第一传输线与第二传输线通过反相器依次间隔连接构成圆环,八条端口馈线的一端分别与反相器的两侧端部一一对应连接,八条端口馈线的另一端与八个网络端口与一一对应连接,八对平行耦合线的一端分别并联在网络端口馈线与反相器的连接处,平行耦合线的另一端设有金属化过孔,上层传输线结构与下层传输线结构通过金属化过孔连接。
进一步地,反相器包括两个金属通孔以及四条短枝节传输线,两个金属通孔分别为第一金属通孔和第二金属通孔,四条短枝节传输线分别为第一短枝节传输线、第二短枝节传输线、第三短枝节传输线和第四短枝节传输线;第一短枝节传输线与第二短枝节传输线位于介质板上层并关于反相器上层的中心点中心对称,且第一短枝节传输线与第二短枝节传输线分别与上层传输线结构连接,第三短枝节传输线和第四短枝节传输线位于介质板下层并关于反相器下层的中心点中心对称,且第三短枝节传输线和第四短枝节传输线分别与下层传输线结构连接;第一短枝节传输线与第四短枝节传输线关于反相器的中心点中心对称,第二短枝节传输线与第四短枝节传输线之间通过第一金属通孔连接;第二短枝节传输线与第三短枝节传输线关于反相器的中心点中心对称,第一短枝节传输线与第三短枝节传输线之间通过第二金属通孔连接。
进一步地,第一传输线与第二传输线长度相同,均为四分之一波长,第一传输线的宽度为2.35mm,第二传输线的宽度为3.65mm。
进一步地,平行耦合线的长度为四分之一波长,耦合间距为0.2mm。
进一步地,端口馈线的阻抗值为50Ω。
进一步地,介质基板的介电常数为2~16,厚度为0.1~4mm。
本发明与现有技术相比,其显著优点为:1)利用双面平行带线反相器结构,实现宽频带的180°移相作用,达到了宽带的共模抑制效果;2)实现了三个频段下差模功分特性;3)差模传输各个通带之间的特定隔离度高,总体电性能更好。
下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。
附图说明
图1为本发明基于180°理想反相器的三频平衡式耦合器的上层结构示意图。
图2为本发明基于180°理想反相器的三频平衡式耦合器的反相器结构示意图。
图3为本发明基于180°理想反相器的三频平衡式耦合器的3D结构示意图。
图4为本发明基于180°理想反相器的三频平衡式耦合器的奇偶模等效电路,其中,图4-a为基于180°理想反相器的三频平衡式耦合器的奇模等效电路,图4-b为基于180°理想反相器的三频平衡式耦合器的偶模等效电路。
图5为本发明基于180°理想反相器的三频平衡式耦合器的差模信号传输的结果图。
图6为本发明基于180°理想反相器的三频平衡式耦合器的共模信号抑制的结果图。
图7为本发明基于180°理想反相器的三频平衡式耦合器的差模信号和共模信号转换抑制的结果图。
图8为本发明基于180°理想反相器的三频平衡式耦合器的直通口和耦合口相位差的结果图。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容,特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
一种基于180°理想反相器的三频平衡式耦合器,包括上层传输线结构、下层传输线结构、介质基板以及四个反相器4,所述上层传输线结构、介质基板以及下层传输线结构由上至下依次分布,所述反相器4用于连接上层传输线结构与下层传输线结构,其中:
所述上层传输线结构与下层传输线结构相同,均包括两条第一传输线2、两条第二传输线3、八对平行耦合线5、八条端口馈线1以及八个网络端口,其中,第一传输线2与第二传输线3通过反相器4依次间隔连接构成圆环,所述八条端口馈线的一端分别与反相器4的两侧端部一一对应连接,所述八条端口馈线的另一端与八个网络端口与一一对应连接,所述八对平行耦合线5的一端分别并联在网络端口馈线1与反相器4的连接处,所述平行耦合线5的另一端设有金属化过孔6,上层传输线结构与下层传输线结构通过金属化过孔6连接。
进一步地,所述反相器4包括两个金属通孔7以及四条短枝节传输线8,所述两个金属通孔7分别为第一金属通孔7-1和第二金属通孔7-2,所述四条短枝节传输线8分别为第一短枝节传输线8-1、第二短枝节传输线8-2、第三短枝节传输线8-3和第四短枝节传输线8-4;所述第一短枝节传输线8-1与第二短枝节传输线8-2位于介质板上层并关于反相器上层的中心点中心对称,且第一短枝节传输线8-1与第二短枝节传输线8-2分别与上层传输线结构连接,所述第三短枝节传输线8-3和第四短枝节传输线8-4位于介质板下层并关于反相器下层的中心点中心对称,且第三短枝节传输线8-3和第四短枝节传输线8-4分别与下层传输线结构连接;第一短枝节传输线8-1与第四短枝节传输线8-4关于反相器的中心点中心对称,第二短枝节传输线8-2与第四短枝节传输线8-4之间通过第一金属通孔7-1连接;第二短枝节传输线8-2与第三短枝节传输线8-3关于反相器的中心点中心对称,第一短枝节传输线8-1与第三短枝节传输线8-3之间通过第二金属通孔7-2连接。
进一步地,所述第一传输线2与第二传输线3长度相同,均为四分之一波长,所述第一传输线2的宽度为2.35mm,所述第二传输线3的宽度为3.65mm。
进一步地,所述平行耦合线5的长度为四分之一波长,耦合间距为0.2mm。
进一步地,所述端口馈线1的阻抗值为50Ω。
进一步地,所述介质基板的介电常数为2~16,厚度为0.1~4mm。
从而,本发明公开的基于180°理想反相器的三频平衡式耦合器,实现了三个频段下差模等功分输出的特性,共模信号有效抑制的带宽有了大幅度提高,并且由于加载耦合线引入了通带间的零点,差模三个频段的通带之间具有高的隔离度。该平衡式耦合器结构紧凑、设计简单、电性能良好,易于实现电路集成与系统封装。
下面结合实施例进行更详细的描述。
实施例1
本发明基于180°理想反相器的三频平衡式耦合器,采用双面平行带线实现,介质板上下均覆有传输线金属贴片。上层传输线结构、下层传输线结构、介质基板以及四个反相器4,所述上层传输线结构、介质基板以及下层传输线结构由上至下依次分布,所述反相器4用于连接上层传输线结构与下层传输线结构。
本实施例中介质基板的尺寸为90mm*90mm*0.635mm(0.45λg×0.45λg),介质基板的介电常数为10.2。上层传输线结构与下层传输线结构相同,均包括两条第一传输线2、两条第二传输线3、八对平行耦合线5、八条端口馈线1以及八个网络端口P1~P8。本实施例中,八个网络端口P1~P8分别为第一网络端口P1、第二网络端口P2、第三网络端口P3、第四网络端口P4、第五网络端口P5、第六网络端口P6、第七网络端口P7和第八网络端口P8,其中第一网络端口P1和第二网络端口P2位于介质基板的左侧,第三网络端口P3和第四网络端口P4位于介质基板的上侧,第五网络端口P5和第六网络端口P6位于介质基板的右侧,第七网络端口P7和第八网络端口P8位于介质基板的上侧。
端口馈线(1)的阻抗值为50Ω,宽度为1.0mm;八对平行耦合线(5)的宽度均为0.25mm,长度均为28mm,耦合线之间的间距为0.2mm,连接上下层耦合线的金属化过孔6的直径为1.3mm;第一传输线2的宽度为2.35mm,长度为19.8mm;第二传输线3的宽度为3.65mm,长度为18.2mm;反相器4总长度为6.6mm,所包含的金属通孔7的直径为1.0mm,中间的缝宽为0.25mm。
图4-a和图4-b是所述平衡耦合器奇偶模分析的等效电路图,奇偶模的ABCD矩阵可表示为:
Figure BDA0001388171280000051
Figure BDA0001388171280000052
其中MT为180°反相器的ABCD矩阵,M0为端口阻抗Z0的ABCD矩阵,M1-short为奇模状态下短路枝节Z1的ABCD矩阵,M1-open为偶模状态下开路枝节Z1的ABCD矩阵,M2为传输线Z2的ABCD矩阵,Mc-short为加载的短路平行耦合线的ABCD矩阵,具体表达式如下所示:
Figure BDA0001388171280000053
Figure BDA0001388171280000054
其中,Z0是端口馈线1的特性阻抗(50欧姆),Z1是耦合器第一传输线2的特性阻抗(25欧姆),Z2是耦合器第二传输线3的特性阻抗(17.68欧姆),θ是耦合器微带线的电长度,Ze/Zo为平行耦合线的奇偶模阻抗。根据八端口平衡式耦合器的S参数特性、ABCD矩阵与S参数散射矩阵之间的关系,经过分析推导,可以计算出三个通带的中心频率与两对传输线特性阻抗以及平行耦合线的奇偶模阻抗之间的关系。
图5~图8给出了利用所述参数设计的耦合器的仿真结果,三频耦合器分别工作在0.66/1.0/1.36GHz。图5为本发明基于180°理想反相器的三频平衡式耦合器的差模信号传输的结果图,差模信号三个通带的插损分别为-4.11/-3.28dB,-3.89/-3.66dB,-3.53/-4.30dB,回波损耗高于15dB的带宽分别为13.5%/6.0%/4.4%13.513.5%/6.0%/4.4%,端口隔离高于15dB的带宽分别为13.5%/6.0%/4.4%。图6为本发明基于180°理想反相器的三频平衡式耦合器的共模信号抑制的结果图,在较宽频段内共模信号的抑制都达到了预期的效果。图7为本发明基于180°理想反相器的三频平衡式耦合器的差模信号和共模信号转换抑制的结果图,可以看到差模与共模信号的转换在全频段内均得到了较好的抑制。图8为本发明基于180°理想反相器的三频平衡式耦合器的直通口和耦合口相位差的结果图,直通口和耦合口之间的相位差在三个通带的中心频率处均近似为-90°,相位差在-85°和-95°之间的相对带宽分别为18.1%/8.9%/2.9%。
本发明基于180°理想反相器的三频平衡式耦合器实现了三个频段下差模等功分输出的特性,共模信号有效抑制的带宽有了大幅度提高,并且由于加载耦合线引入了通带间的零点,差模三个频段的通带之间具有高的隔离度。

Claims (5)

1.一种基于180°理想反相器的三频平衡式耦合器,其特征在于,包括上层传输线结构、下层传输线结构、介质基板以及四个反相器(4),所述上层传输线结构、介质基板以及下层传输线结构由上至下依次分布,所述反相器(4)用于连接上层传输线结构与下层传输线结构,其中:
所述上层传输线结构与下层传输线结构相同,均包括两条第一传输线(2)、两条第二传输线(3)、四对平行耦合线(5)、八条端口馈线(1)以及八个网络端口,其中,第一传输线(2)与第二传输线(3)通过对应的反相器(4)依次间隔连接构成圆环,所述八条端口馈线的一端分别与对应反相器(4)两侧端部一一连接,所述八条端口馈线的另一端与八个网络端口一一对应连接,所述四对平行耦合线(5)的一端分别并联在网络端口馈线(1)与反相器(4)的连接处,所述平行耦合线(5)的另一端设有金属化过孔(6),上层平行耦合线与下层平行耦合线通过金属化过孔(6)连接;
所述反相器(4)包括两个金属通孔(7)以及四条短枝节传输线(8),所述两个金属通孔(7)分别为第一金属通孔(7-1)和第二金属通孔(7-2),所述四条短枝节传输线(8)分别为第一短枝节传输线(8-1)、第二短枝节传输线(8-2)、第三短枝节传输线(8-3)和第四短枝节传输线(8-4);所述第一短枝节传输线(8-1)与第二短枝节传输线(8-2)位于介质板上层并关于反相器上层的中心点中心对称,且第一短枝节传输线(8-1)和第二短枝节传输线(8-2)分别与上层传输线结构连接,所述第三短枝节传输线(8-3)和第四短枝节传输线(8-4)位于介质板下层并关于反相器下层的中心点中心对称,且第三短枝节传输线(8-3)和第四短枝节传输线(8-4)分别与下层传输线结构连接;第一短枝节传输线(8-1)与第四短枝节传输线(8-4)关于反相器沿传输线方向的中心轴线旋转对称,第二短枝节传输线(8-2)与第四短枝节传输线(8-4)之间通过第一金属通孔(7-1)连接;第二短枝节传输线(8-2)与第三短枝节传输线(8-3)关于反相器沿传输线方向的中心轴线旋转对称,第一短枝节传输线(8-1)与第三短枝节传输线(8-3)之间通过第二金属通孔(7-2)连接。
2.根据权利要求1所述的基于180°理想反相器的三频平衡式耦合器,其特征在于,所述第一传输线(2)与第二传输线(3)长度相同,均为四分之一波长,所述第一传输线(2)的宽度为2.35mm,所述第二传输线(3)的宽度为3.65mm。
3.根据权利要求1所述的基于180°理想反相器的三频平衡式耦合器,其特征在于,所述平行耦合线(5)的长度为四分之一波长,耦合间距为0.2mm。
4.根据权利要求1所述的基于180°理想反相器的三频平衡式耦合器,其特征在于,所述端口馈线(1)的阻抗值为50
Figure DEST_PATH_IMAGE002
5.根据权利要求1所述的基于180°理想反相器的三频平衡式耦合器,其特征在于,所述介质基板的介电常数为2 ~ 16,厚度为0.1 ~ 4mm。
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