CN110581334A - 一种基于电感和电容的小型化传输线结构 - Google Patents

一种基于电感和电容的小型化传输线结构 Download PDF

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周沫
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Abstract

本发明公开了一种基于电感和电容的小型化传输线结构，包括：电感组件和电容组件；所述电感组件包括第一电感和第二电感，所述电容组件包括第一电容；所述电感组件为串联连接，第一电感的输入端为传输线的输入端，第二电感的输出端为传输线的输出端，第一电感的输出端连接第二电感的输入端，第一电容的输入端连接第一电感的输出端；所述第一电容的输出端接地。本发明两两之间存在互感耦合的串联电感和并联电容构成的基于集总参数的新型传输线结构；并联电容可以通过外加可变电容改变大小从而控制频率及相位的移动。

Description

一种基于电感和电容的小型化传输线结构
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种基于电感和电容的小型化传输线结构。
背景技术
近年来，传输线已广泛应用于微波电路、无线通信系统等领域，是实现多种电路元件及设备的重要手段之一，极大地提高了电路系统的性能、集成度及选择多样性。一般说来，传输线的设计分为分布参数系统和集总参数系统两大类。其中，分布系统是目前最为常见的传输线，例如微带线、带状线、波导等；而集总系统由电感和电容两部分组成。
目前针对传输线的研究趋向于小型化和高性能。参见图1，是C.Chen在AnalyticalDerivation of T-Shaped Structures for Synthesis of Quarter-WavelengthTransmission Lines研究中提出的技术方案图，其通过3段传输线构成一个T型结构，用于合成四分之一波长传输线，减小了传输线面积，插入损耗接近0.9dB；图2是AshmiChakraborty Das,L.Murmu and S.Dwari在Acompactbranch-line coupler using foldedmicrostrip lines中提出的技术方案图，其通过将微带线折叠达到小型化的目的，基于此设计了一个紧凑型分支线耦合器，面积为传统结构的55.9％；图3是T.Lim,S.Lee andY.Lee在Improved method of reactive loading for miniaturisation oftransmission lines with minimal degradation inperformance中提出的技术方案图，其设计了两个对称电抗负载型传输线，其中一个是基于串联电感负载，一个是基于并联电容负载，此结构能够实现传输线的小型化并且可以通过改变负载的个数以及传输线的电子学长度以改变传输线的特性阻抗。
但是，在现有的人工传输线中，一般都是采用新型排列结构或折叠结构，尽管它们可以节省一定的面积，但是在毫米波波段这些结构依然很大且插入损耗也较大，且现有结构大都无法调节传输线的参数。
发明内容
针对上述现有技术存在不足，本发明提供一种基于电感和电容的小型化传输线结构，以克服现有技术中传输线面积大以及无法进行参数调节的缺陷。
本发明采用的技术方案为：
一种基于电感和电容的小型化传输线结构，其特征在于，包括：
电感组件和电容组件；
所述电感组件包括第一电感和第二电感，所述电容组件包括第一电容；
所述第一电感和第二电感串联，第一电感与第二电感之间为互感耦合设置，第一电感的输入端为传输线的输入端，第二电感的输出端为传输线的输出端，第一电感的输出端连接第二电感的输入端，第一电容的输入端连接第一电感的输出端；所述第一电容的输出端接地。
作为本发明的进一步技术方案为：还包括前置电容；所述前置电容的输入端连接第一电感的输入端，所述前置电容的输出端接地。
作为本发明的进一步技术方案为：还包括后置电容；所述后置电容的输入端连接第二电感的输出端，所述后置电容的输出端接地。
作为本发明的进一步技术方案为：还包括前置电容和后置电容；所述前置电容的输入端连接第一电感的输入端，所述前置电容的输出端接地；所述后置电容的输入端连接第二电感的输出端，所述后置电容的输出端接地。
作为本发明的进一步技术方案为：所述电感组件还包括中间电感，电容组件还包括中间电容；所述中间电感的输入端连接第一电感的输出端，所述中间电感的输出端连接第二电感的输入端，所述中间电容的输入端与中间电感的输出端连接，所述中间电容的输出端接地，所述中间电感与第一电感和第二电感互为电感耦合设置。
作为本发明的进一步技术方案为：所述中间电感和中间电容采用N组，其中N为大于1的正整数，所述中间电感两两之间为互感耦合设置。
作为本发明的进一步技术方案为：所述第一电容、第二电容、中间电容均采用可变电容。
本发明还提供一种基于电感和电容的小型化传输线结构，具体为由上述方案中提供的一种基于电感和电容的小型化传输线结构串联而成。
作为本发明的进一步技术方案为：所述基于电感和电容的小型化传输线结构串联等效为不同长度的传输线，应用于混合耦合器、威尔金森功率分配器、滤波器和SPDT开关。
本发明的有益效果为：
1、两两之间存在互感耦合的串联电感和并联电容构成的基于集总参数的新型传输线结构；
2、并联电容可以通过外加可变电容改变大小从而控制等效特性阻抗的变化及相位的移动。
3、版图结构通过相互重叠的电感构造产生互感耦合以减小版图面积。
附图说明
图1为本发明的现有技术结构图；
图2为本发明的另一现有技术结构图；
图3为本发明的另一现有技术结构图；
图4为本发明提出的一种基于电感和电容的小型化传输线结构结构图；
图5为本发明提出的一具体实施例结构图；
图6为图5的版图布局示意图；
图7为本发明提出的一具体实施例结构图；
图8a为k＝0.625时不同电容值的插入损耗图；
图8b为k＝0.625时不同电容值的回波损耗图；
图8c为L＝74pH，C＝100fF时不同耦合系数的插入损耗图；
图8d为L＝74pH，C＝100fF时不同耦合系数的回波损耗图；
图9为耦合系数k＝0.625的情况下不同并联电容值和串联电感值对50Ω传输线相移的影响图；
图10a为本发明中不同电容下传输线的插入损耗图；
图10b为本发明中不同电容下传输线的相移图；
图11为本发明的一具体实施例结构图；
图12为本发明的一具体实施例结构图；
图13a为本发明增加前置电容的具体实施例图；
图13b为本发明增加后置电容的具体实施例图；
图14a为本发明的一具体实施例结构图；
图14b为本发明的一具体实施例结构图；
图15为本发明提出的一具体实施例结构图；
图16为本发明构成的分支线耦合器结构图；
图17a为分支线耦合器的插入损耗图；
图17b为分支线耦合器的相位图；
图18为混合环耦合器结构图；
图19a为混合环耦合器的插入损耗图；
图19b为混合环耦合器的相位图；
图20a为功率分配器功分比1:1的插入损耗图；
图20b为功率分配器功分比1:1的回波损耗图；
图21a为功率合成器功分比1:1时的三个端口的功率情况图；
图21b为功率分配器功分比1:1的三个端口的功率情况图；
图22a为功率分配器功分比1:4的插入损耗图；
图22b为功率分配器功分比1:4的回波损耗图；
图23a为功率合成器功分比1:4时的三个端口的功率情况图；
图23b为功率分配器功分比1:4时的三个端口的功率情况图；
图24为本发明应用于可调频滤波器结构图；
图25为开关电容不同状态下滤波器的插入损耗和回波损耗图；
图26为本发明构成的小型化SPDT开关电路图；
图27a为SPDT开关接到P2端口时的插入损耗图；
图27b为SPDT开关接到P2端口时的隔离度和回波损耗图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明进行详细描述。
本发明提出一种基于电感和电容的小型化传输线结构，本发明可以简单的通过调节并联电容改变传输线参数，此外，本设计结构所需面积很小，同时能够保持较低的插入损耗。
以上是本申请的核心思想，为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面结合附图对本申请作进一步的详细说明。应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
实施例一
如图4所示，为本发明提出的一种基于电感和电容的小型化传输线结构结构图。
参照图4，本发明提出的一种基于电感和电容的小型化传输线结构，其特征在于，包括：
电感组件和电容组件；
所述电感组件包括第一电感Lc1和第二电感Lc2，所述电容组件包括第一电容Cc1；
所述电感组件为串联连接，第一电感Lc1的输入端为传输线的输入端，第二电感Lc2的输出端为传输线的输出端，第一电感Lc1的输出端连接第二电感Lc2的输入端，第一电容Cc1的输入端连接第一电感Lc1的输出端；所述第一电容Cc1的输出端接地。第一电感Lc1和第二电感Lc2采用互感耦合方式设置。
本发明中，第一电感和第二电感之间的互感为Mc1，通过两个互感耦合的串联电感和一个并联电容实现本发明，其中第一电感和第二电感的电感值可以相同也可以不同，具体以设计要求为准。
实施例二
本发明提供另一种基于电感和电容的小型化传输线结构，如图5所示包括：二个并联电容元件和三个串联电感元件，电感之间存在互感以使得此结构具有宽带范围内的传输线特性。其中，第一电感Lc1和第二电感Lc2串联连接，二者之间的互感为Mc1，两电感之间并联了一个第一电容Cc1；第二电感Lc2与第三电感Lc3串联连接，二者之间的互感为Mc2，两电感之间并联了一个第二电容Cc2；三电感相互之间都存在着互感耦合，第一电感Lc1和第三电感Lc3之间的互感为Mc3。本发明的版图如图6所示，三个电感相互重叠形成互感，三个电感之间的两个抽头分别连接到两个MIM电容器。
本发明实施例的一种情况是三个电感的感值相等、二个电容的容值相等。此时用L表示串联电感的感值，C表示串联电容的容值，M表示电感之间的互感值。则当P2端口的阻抗为Z0时，P1端口的阻抗Z可以表达为：
当传输线两端口阻抗匹配即Z＝Z0时，由(1)式可以得到：
C2s4(L3-3LM2+2M3)+s2[4C(L2+LM-2M2)-C2Z2L]+(3L+6M-2CZ2)＝0； (2)
令M＝kL，则(2)式在宽频范围内满足可以推出：
8k2-k-2.5＝0； (3)
解得互感耦合系数k＝0.625，端口阻抗
当本发明等效为一个四分之一波长传输线时，令Z0＝0，则Z＝∞，可得：
C2s4(L2-M2)+Cs2(3L+2M)+1＝0； (4)
在k＝0.625的条件下，解得
实施例三
由本发明等效为一个四分之一波长传输线的中心频率可知，C越大，ω越小，因此如图7所示，在本发明的并联电容旁添加可变电容结构，通过调节并联电容C的大小来改变中心频率ω的值。
在图5这种情况下，P1端口的相位可以表达为：
图8a为k＝0.625时不同电容值的插入损耗；图8b为k＝0.625时不同电容值的回波损耗；图8c为L＝74pH，C＝100fF时不同耦合系数的插入损耗；图8d为L＝74pH，C＝100fF时不同耦合系数的回波损耗。
图8a、图8b、图8c、图8d为不同并联电容值和耦合系数对50Ω传输线性能的影响。其反映了串联电感感值L＝74pH，并联电容容值C＝100fF以及耦合系数k＝0.625的情况下，传输线具有宽带范围内最小的插入损耗和最好的隔离度。
图9为耦合系数k＝0.625的情况下，不同并联电容值和串联电感值对50Ω传输线相移的影响，其反映了相同电感、电容比值即相同特性阻抗下，电感、电容不同的取值使得传输线的相移发生变化即等效传输线的长度发生变化。
图10a为不同电容下传输线的插入损耗，图10b为不同电容下传输线的相移。当可变电容值变大50fF时，频率将减小3GHz，相位也发生移动。
本发明不仅局限于以上所述三个感值相等相互耦合的串联电感、二个容值相等的并联电容的传输线结构，本发明适用情况还包括：不同感值的相互耦合的电感与不同容值的电容构成的传输线结构；n个互感耦合的串联电感和(n+1)个并联电容构成的传输线结构；n个互感耦合的串联电感和n个并联电容构成的传输线结构。
实施例四
如图11所示，两个互感耦合的串联电感和三个并联电容也可能实现本发明。即在实施例一的基础上增加前置电容和后置电容。
实施例五
如图12所示，本实施例是在实施例四所述的两个互感耦合的串联电感和三个并联电容的传输线结构，将其扩展为n个互感耦合的串联电感和(n+1)个并联电容的传输线结构也可能实现本发明。每两个电感之间存在耦合电感M，n个电感之间一共有个耦合电感存在。当n为奇数时，电路结构关于中心电感Lc(n+1)/2对称；当n为偶数时，电路结构关于中心电容Cc(n+2)/2对称。
实施例六
两个互感耦合的串联电感和两个并联电容也可能实现本发明。该实施例包括两种方案：
如图13a所示，在实施例一的基础上增加前置电容，其中前置电容的输入端连接第一电感的输入端，前置电容的输出端接地。
如图13b所示，在实施例一的基础上增加后置电容，其中后置电容的输入端连接第二电感的输出端，后置电容的输出端接地。
上述两种方案均形成有两个串联电感和两个并联电容组成的传输线结构。
实施例七
根据实施例六所述的两个互感耦合的串联电感和两个并联电容的传输线结构，将其扩展为n个互感耦合的串联电感和n个并联电容的传输线结构也可能实现本发明。每两个电感之间存在耦合电感M，n个电感之间一共有个耦合电感存在。并联电容的排列有图14a、图14b两种形式。
本发明中，四分之一波长传输线的实现是通过使用相同的串联电感和相同的并联电容。但是，在各个实施例中使用不同大小的电感或不同大小的电容也可能实现本发明。
本发明通过两两之间存在互感耦合的串联电感和并联电容构成的基于集总参数的新型传输线结构；并联电容可以通过外加可变电容改变大小从而控制频率及相位的移动；版图结构通过相互重叠的电感构造产生互感耦合以减小版图面积。
实施例八
本实施例是在实施例一提出的对两个互感耦合的串联电感和一个并联电容的传输线结构进行扩展，即增加n个中间电感和n个中间电容，将其扩展为n个互感耦合的串联电感和(n-1)个并联电容的传输线结构也可能实现本发明。如图15所示，每两个电感之间存在耦合电感M，n个电感之间一共有个耦合电感存在。当n为奇数时，电路结构关于中心电感Lc(n+1)/2对称；当n为偶数时，电路结构关于中心电容Cc(n/2)对称。
本发明能够替代传统结构的传输线，实现传输线的小型化和低插损。并且，通过对并联电容的大小的控制，可以调节传输线的中心频率及相位；本发明能够实现更低的插入损耗与更好的隔离度。
实施例九
将多个本发明传输线结构串联可以等效为不同长度的传输线。本发明在混合耦合器、威尔金森功率分配器、滤波器和SPDT开关等微波元件上都能得到小型化和高性能的应用。
参见图16，构成的分支线耦合器用本发明的传输线替代了传统结构四分之一波长传输线，而面积仅为传统结构的3/50。图17a为分支线耦合器的插入损耗图，图17b为分支线耦合器的相位图，输出二端口的相位差在90.02°，4端口隔离度也达到了40dB以下，性能优良。
参见图18，构成的混合环耦合器用本发明的传输线替代了传统结构四分之一波长和四分之三波长传输线，面积仅为传统结构的1/10。图19a为混合环耦合器的插入损耗图，图19b为混合环耦合器的相位图，输出二端口的相位差在180.049°，4端口隔离度也达到了将近60dB，性能优良。
运用本发明可构成小型化威尔金森功率分配器。构成的分配器用本发明的传输线替代了传统结构四分之一波长传输线，2、3端口添加电阻以增加隔离度，面积仅为传统结构的约1/10。并且此结构可以通过改变串联电感和并联电容的值达到输出端口不同的功分比，最终能够实现宽带范围内的功率分配及合成功能。
图20a为功率分配器功分比1:1的插入损耗图，图20b为功率分配器功分比1:1的回波损耗图；图21a为功率合成器功分比1:1时的三个端口的功率情况图，图21b为功率分配器功分比1:1的三个端口的功率情况图；图22a为功率分配器功分比1:4的插入损耗图，图22b为功率分配器功分比1:4的回波损耗图；图23a为功率合成器功分比1:4时的三个端口的功率情况图，图23b为功率分配器功分比1:4的三个端口的功率情况图；它们都可以实现宽带范围内的精确的功率分配值。事实上，选择合适的串联电感和并联电容值可以实现任意功分比的功率分配器。
参见图24，为本发明应用于可调频滤波器结构图，运用本发明可构成小型化可调频带通滤波器。通过与本发明中的并联电容增加并联电容NMOS开关结构，使得并联电容的容值可以改变。由于已经推导出频率ω与电容C成反比，从而改变C的大小可以实现频率的改变。最终，如图25所示的开关电容不同状态下滤波器的插入损耗和回波损耗图，50fF的开关电容从关到开的变化在所提出的滤波器结构中可实现2GHz的调频。
参见图26，为本发明构成的小型化SPDT开关电路图。
如图26所示，其大小仅为传统结构的1/10，在宽带范围内最小插入损耗为1.3dB，并且可以通过调节并联电容的大小改善中心频率。
通过调节两个NMOS管Ms1和Ms2的开关状态，可以分别控制P2与P3两个端口的导通和关断。当Ms1栅极偏置电压为0V，Ms1关断，等效为一个电容，从P1端口输入的信号会直接经过传输线由P2输出。此时，Ms2栅极偏置电压为1.2V，Ms2打开，等效为一个小电阻，从P1端口输入的信号经过传输线绝大部分会由Ms2等效开启电阻输出，因此P3端口形成隔离。此时的状态相当于单刀双掷开关接到P2端口。反之，当Ms1打开，Ms2关断时，相当于单刀双掷开关接到P3端口。
图27a为SPDT开关接到P2端口时的插入损耗图，图27b为SPDT开关接到P2端口时的隔离度和回波损耗图。可以看出，在15GHz的宽带范围内本开关具有较低的插入损耗以及25dB左右的隔离度。
上述实施例为本发明的经典案例，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制。其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化等，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于电感和电容的小型化传输线结构，其特征在于，包括：
电感组件和电容组件；
所述电感组件包括第一电感和第二电感，所述电容组件包括第一电容；
所述第一电感和第二电感串联，第一电感与第二电感之间为互感耦合设置，第一电感的输入端为传输线的输入端，第二电感的输出端为传输线的输出端，第一电感的输出端连接第二电感的输入端，第一电容的输入端连接第一电感的输出端；所述第一电容的输出端接地。
2.根据权利要求1所述的一种基于电感和电容的小型化传输线结构，其特征在于，还包括前置电容；所述前置电容的输入端连接第一电感的输入端，所述前置电容的输出端接地。
3.根据权利要求1所述的一种基于电感和电容的小型化传输线结构，其特征在于，还包括后置电容；所述后置电容的输入端连接第二电感的输出端，所述后置电容的输出端接地。
4.根据权利要求1所述的一种基于电感和电容的小型化传输线结构，其特征在于，还包括前置电容和后置电容；所述前置电容的输入端连接第一电感的输入端，所述前置电容的输出端接地；所述后置电容的输入端连接第二电感的输出端，所述后置电容的输出端接地。
5.根据权利要求1-4所述的一种基于电感和电容的小型化传输线结构，其特征在于，所述电感组件还包括中间电感，电容组件还包括中间电容；所述中间电感的输入端连接第一电感的输出端，所述中间电感的输出端连接第二电感的输入端，所述中间电容的输入端与中间电感的输出端连接，所述中间电容的输出端接地，所述中间电感与第一电感和第二电感互为电感耦合设置。
6.根据权利要求5所述的一种基于电感和电容的小型化传输线结构，其特征在于，所述中间电感和中间电容采用N组，其中N为大于1的正整数，所述中间电感两两之间为互感耦合设置。
7.根据权利要求6所述的一种基于电感和电容的小型化传输线结构，其特征在于，所述第一电容、第二电容、中间电容均采用可变电容。
8.一种基于电感和电容的小型化传输线结构，其特征在于，将权利要求6所述的基于电感和电容的小型化传输线结构串联而成。
9.根据权利要求8所述的一种基于电感和电容的小型化传输线结构，其特征在于，所述基于电感和电容的小型化传输线结构串联等效为不同长度的传输线，应用于混合耦合器、威尔金森功率分配器、滤波器和SPDT开关。
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