CN111029703A - 一种小型化混合环耦合器及其设计方法 - Google Patents

一种小型化混合环耦合器及其设计方法 Download PDF

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CN111029703A CN201911267846.0A CN201911267846A CN111029703A CN 111029703 A CN111029703 A CN 111029703A CN 201911267846 A CN201911267846 A CN 201911267846A CN 111029703 A CN111029703 A CN 111029703A
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Abstract

本发明公开了一种小型化混合环耦合器及其设计方法，第一端口经第一T型传输线连接第二端口，第三端口经两端短路的TRD耦合线连接第四端口，第一端口和第三端口之间跨接第二T型传输线，第二端口和第四端口之间跨接第三T型传输线。本发明的小型化混合环耦合器及其设计方法采用两端短路的λ/4 TRD耦合线代替3λ/4的均匀传输线以实现小型化的混合环耦合器，为进一步减小混合环的尺寸且实现谐波抑制功能，还将每段λ/4的均匀传输线用一个T型传输线等效电路代替。本发明所提出的混合环耦合器不仅有效实现了小型化，同时还具有谐波抑制功能，并且具有较大的工作带宽和较低的设计复杂度。

Description

一种小型化混合环耦合器及其设计方法
技术领域
本发明属于射频微波电路的技术领域，尤其涉及一种小型化混合环耦合器及其设计方法。
背景技术
混合环耦合器是一个具有理想匹配和隔离特性的四端口网络，不仅可以实现同相、反相输出，还可以实现信号相加、相减功能。混合环耦合器已广泛应用于微波和毫米波电路中，例如，平衡式放大器、平衡式混频器和天线馈电网络。但是传统混合环耦合器包含一段3λ/4和三段λ/4的均匀传输线，使得电路尺寸较大。
传统结构的混合环其环线的周长为3λ/2，占用较大的电路尺寸，如图1所示。为减小混合环的尺寸，S.March首先提出采用两端短路的λ/4平行耦合线代替传统混合环中的3λ/4传输线，并采用宽边耦合带状线加以实现。如图2所示。
H.-R.Ahn和B.Kim合作推导了短路平行耦合线的设计公式，其设计结果表明两端短路的λ/4平行耦合微带线只适合在高功率分配比的微带混合环耦合器中替换3λ/4高阻抗传输线(特性阻抗为200～350Ω)，但是在最广泛应用的3dB微带混合环耦合器中需要替换缩短的则是3λ/4低阻抗传输线，其特性阻抗只有70.71Ω。当一段3λ/4特性阻抗为70.71Ω的微带线被λ/4短路平行耦合微带线替换时，所需平行耦合微带线的奇偶模特性阻抗如表1所示。由表可知，随着平行耦合微带线耦合系数C的降低，其奇偶模特性阻抗也同时降低，这使得平行耦合微带线导体带条的宽度W可选择为一个合适的宽度，但是微带线之间的间隔S却始终小于0.03mm，很难采用普通印刷电路板加工工艺实现。为了解决这个问题，只能采用宽边耦合、垂直耦合、Lang耦合等结构实现，但是宽边耦合结构的信号线需过孔才能引到同一平面，与垂直耦合结构一样加工复杂，而Lang耦合结构则需要多段平行耦合线，在一定程度上退化了小型化的作用。
表1短路λ/4耦合微带线实现特性阻抗为70.71Ω的3λ/4微带线的设计参量
Figure BDA0002313369060000021
与S.March提出的小型化方法类似，混合环中的3λ/4传输线也可替换为左手传输线或一段λ/4传输线加一个180度倒相器。最常用的结构有共面波导(Coplanar Waveguide，CPW)倒相器、CPW—平行带线转换器、CPW—槽线转换器、微带—槽线转换器、共面带线扭曲、非对称共面带线倒相等结构。然而这些倒相器结构不适合用于微带混合环耦合器中。
对于混合环耦合器，不仅仅只有上述3λ/4传输线的缩短小型化方法，还有将混合环中λ/4和3λ/4传输线同时小型化的方法。例如，传输线弯折法、任意电长度传输线法和传输线等效电路法。对于传输线弯折法，混合环尺寸的减小量主要由弯折传输线的密度与节数决定，但是紧密的传输线将产生较强的寄生耦合作用，进而恶化混合环耦合器的匹配和隔离特性。对于任意电长度传输线法，可将传统混合环中的λ/4传输线调整为λ/8、λ/6或5λ/36传输线，最终整个环周长分别为5λ/4、7λ/6和19λ/18，但是该方法目前只能用于设计3dB混合环耦合器。对于传输线等效电路法，包括Π型、T型和阶跃阻抗传输线等效替换电路结构。Π型和T型等效电路不仅可以实现小型化，还可以利用等效电路中的并联开路支节实现谐波抑制功能。
发明内容
基于以上现有技术的不足，本发明所解决的技术问题在于提供一种小型化混合环耦合器及其设计方法，不仅有效实现了小型化，同时还具有谐波抑制功能，并且具有较大的工作带宽和较低的设计复杂度。
为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案来实现：本发明提供一种小型化混合环耦合器，包括第一端口、第二端口、第三端口和第四端口，第一端口经第一T型传输线连接第二端口，第三端口经两端短路的TRD耦合线连接第四端口，第一端口和第三端口之间跨接第二T型传输线，第二端口和第四端口之间跨接第三T型传输线；
所述第一T型传输线、第二T型传输线和第三T型传输线的结构为：在两个特性阻抗均为Z1、电长度均为θ1的传输线之间并联特性阻抗为Z2、电长度为θ2的开路枝节；
所述TRD耦合线的结构为在传统平行耦合微带线上周期性加载电容元件；TRD耦合线的奇、偶模特性阻抗分别为Ze、Zo，加载电容参数为Cs。
本发明还提供一种上述的小型化混合环耦合器的设计方法，包括以下步骤：
S10：在直通端和耦合端之间接短路负载，根据微波网络分析理论，其ABCD矩阵参量分别为：
Figure BDA0002313369060000031
Figure BDA0002313369060000041
Figure BDA0002313369060000042
式中，Z0e和Z0o分别为TRD耦合线的偶模和奇模等效特性阻抗，j表示复数的虚部，将TRD耦合线的偶模电长度θe＝π/2和奇模电长度θo＝3π/2代入式(1)～(3)可得，短路TRD耦合线的ABCD矩阵为
Figure BDA0002313369060000043
S20：将短路TRD耦合线等效为一段3λ/4均匀传输线，短路TRD耦合线的ABCD矩阵与3λ/4均匀传输线的ABCD矩阵相等；根据微波网络理论可知，一段特性阻抗为Zt的3λ/4均匀传输线的ABCD矩阵为
Figure BDA0002313369060000044
令式(4)与(5)相等可得，短路TRD耦合线与3λ/4均匀传输线的等效关系为
Figure BDA0002313369060000045
TRD耦合线的耦合系数定义为
Figure BDA0002313369060000046
S30：短路TRD耦合线等效为3λ/4均匀传输线的公式为：
Figure BDA0002313369060000047
Figure BDA0002313369060000048
式中，k为TRD耦合线的耦合系数，根据奇偶模分析方法，当耦合线的电长度θ＝π/2时，负载电容Ce为0，则TRD耦合线的偶模、奇模特性阻抗Ze和Zo及加载电容Cs分别为：
Figure BDA0002313369060000051
Figure BDA0002313369060000052
Figure BDA0002313369060000053
Figure BDA0002313369060000054
Figure BDA0002313369060000055
式中，N为电容加载个数，ω为传输信号的角频率；
S40：T型传输线的ABCD矩阵参量分别为：
Figure BDA0002313369060000056
Figure BDA0002313369060000057
Figure BDA0002313369060000058
式中，Z1和Z2为T型传输线的特性阻抗，θ1和θ2为T型传输线的电长度，j表示复数的虚部，根据微波网络理论，一段特性阻抗为Zt的λ/4均匀传输线的ABCD矩阵为
Figure BDA0002313369060000059
令T型传输线的ABCD矩阵与λ/4均匀传输线的ABCD矩阵相等，所得等效关系式为
Z1＝Ztcotθ1 (19)
Figure BDA0002313369060000061
由上，本发明的小型化混合环耦合器及其设计方法采用两端短路的λ/4TRD耦合线代替3λ/4的均匀传输线以实现小型化的混合环耦合器，为进一步减小混合环的尺寸且实现谐波抑制功能，还将每段λ/4的均匀传输线用一个T型传输线等效电路代替。本发明所提出的混合环耦合器不仅有效实现了小型化，同时还具有谐波抑制功能，并且具有较大的工作带宽和较低的设计复杂度。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下结合优选实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。
图1为传统混合环结构图；
图2为S.March提出的混合环结构图；
图3为TRD耦合器结构图，其中，(a)为TRD耦合器原理图；(b)为电容加载耦合线单元图；
图4为本发明的具有谐波抑制功能的TRD耦合线混合环耦合器的原理图；
图5为耦合线奇偶模特性阻抗随k的变化曲线图；
图6为所需加载电容Cs随k的变化曲线图；
图7为谐波抑制混合环耦合器的S参数随k的变化图；
图8为谐波抑制混合环耦合器的相位差随k的变化图；
图9为谐波抑制混合环耦合器的S参数随N的变化图；
图10为谐波抑制混合环耦合器的相位差随N的变化图；
图11为本发明的谐波抑制混合环耦合器的实物图；
图12为谐波抑制混合环耦合器的宽带S参数图；
图13为谐波抑制混合环耦合器的窄带S参数图；
图14为谐波抑制混合环耦合器的输出相位差图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式，其作为本说明书的一部分，通过实施例来说明本发明的原理，本发明的其他方面、特征及其优点通过该详细说明将会变得一目了然。在所参照的附图中，不同的图中相同或相似的部件使用相同的附图标号来表示。
2009年台湾长庚大学C.I.Shie等人为解决传统单节平行耦合微带线难以实现强耦合等问题，提出了Trans-directional(TRD)平行耦合线定向耦合器，如图3所示。该耦合器采用周期性电容加载平行耦合线实现强耦合。
TRD耦合线的一个显著优点是可以通过电容加载的方式，用传统弱耦合微带线实现强耦合；此外，TRD耦合线的直通端、耦合端位于同一导体条上，这是不同于传统耦合微带线的。当直通端和耦合端接短路负载时，λ/4TRD耦合线的输入端和输出端也位于同一导体条上，由此引起的插入损耗较小，并能够产生270°的相移，因此可用以替换传统混合环中的3λ/4微带传输线。
图4为本发明的结构原理图，图中短路TRD耦合线用于替换传统混合环中的3λ/4传输线，以实现小型化。为了进一步减小尺寸，将混合环耦合器中每段λ/4均匀传输线等效替换为一个T型传输线。并利用T型传输线中开路枝节所产生的传输零点实现混合环的谐波抑制功能。
本发明的混合环耦合器为四端口微波电路，第一端口1经第一T型传输线接第二端口2，第三端口3经两端(耦合端b3、直通端b4)短路的TRD耦合线接第四端口4。第一端口1和第三端口3之间跨接第二T型传输线，第二端口2和第四端口4之间跨接第三T型传输线，所述T型传输线结构为：在两个特性阻抗均为Z1，电长度均为θ1的传输线之间并联特性阻抗为Z2，电长度为θ2的开路枝节。所述TRD耦合线结构为在传统平行耦合微带线上周期性加载电容元件。TRD耦合线的奇、偶模特性阻抗分别为Ze、Zo，加载电容参数为Cs。
设计过程：
根据奇偶模分析理论，TRD耦合线的偶模和奇模电长度分别为θe＝π/2，θo＝3π/2。当直通端和耦合端接短路负载时，图3(a)所示的四端口网络变为二端口网络。根据微波网络分析理论，其ABCD矩阵参量分别为：
Figure BDA0002313369060000081
Figure BDA0002313369060000082
Figure BDA0002313369060000083
式中，Z0e和Z0o分别为TRD耦合线的偶模和奇模等效特性阻抗，j表示复数的虚部。将TRD耦合线的偶模电长度(θe＝π/2)和奇模电长度(θo＝3π/2)代入式(1)～(3)可得，短路TRD耦合线的ABCD矩阵为
Figure BDA0002313369060000084
如果将短路TRD耦合线等效为一段3λ/4均匀传输线，只需短路TRD耦合线的ABCD矩阵与3λ/4均匀传输线的ABCD矩阵相等即可。根据微波网络理论可知，一段特性阻抗为Zt的3λ/4均匀传输线的ABCD矩阵为
Figure BDA0002313369060000091
令式(4)与(5)相等可得，短路TRD耦合线与3λ/4均匀传输线的等效关系为
Figure BDA0002313369060000092
通常，TRD耦合线的耦合系数定义为
Figure BDA0002313369060000093
将式(6)与(7)联立推导可得，短路TRD耦合线等效为3λ/4均匀传输线的设计公式为：
Figure BDA0002313369060000094
Figure BDA0002313369060000095
式中，k为短路TRD耦合线的耦合系数。当Zt和k确定后，采用式(8)和(9)可计算出TRD耦合线的奇偶模等效特性阻抗(Z0e和Z0o)。耦合系数k确定后，再根据奇偶模分析方法确定平行耦合线的奇偶模特性阻抗(Ze和Zo)及加载电容Cs(如图4所示)的设计值。
根据奇偶模分析方法，当耦合线的电长度θ＝π/2时，负载电容Ce(如图3b所示)为0。则平行耦合线的偶模、奇模特性阻抗Ze和Zo及加载电容Cs(如图4所示)分别为：
Figure BDA0002313369060000096
Figure BDA0002313369060000101
Figure BDA0002313369060000102
Figure BDA0002313369060000103
Figure BDA0002313369060000104
式中，N为电容加载个数，ω为传输信号的角频率。
进一步用T型传输线代替传统混合环中的每一段λ/4均匀传输线。三个T型传输线的结构参数完全相同。为了提高设计的灵活性，T型传输线的开路枝节电长度θ2不同于另外两条传输线节的电长度θ1，从而能够灵活控制传输零点的频率范围。
T型传输线的ABCD矩阵参量分别为：
Figure BDA0002313369060000105
Figure BDA0002313369060000106
Figure BDA0002313369060000107
式中，Z1和Z2为T型传输线的特性阻抗，θ1和θ2为T型传输线的电长度。
根据微波网络理论可知，一段特性阻抗为Zt的λ/4均匀传输线的ABCD矩阵为
Figure BDA0002313369060000108
令T型传输线的ABCD矩阵与λ/4均匀传输线的ABCD矩阵相等，所得等效关系式为
Z1＝Ztcotθ1 (19)
Figure BDA0002313369060000111
式(19)和(20)表明，λ/4均匀传输线等效为T型传输线的解并不是唯一的。可根据需要选择合适的传输线电长度以确定传输线的特性阻抗，不仅可以实现小型化，还可以提高设计的灵活性。
根据上述理论分析，由式(10)-(14)及(19)、(20)可以很容易的计算出所述新型混合环耦合器的电参数。下面借助Advanced Design System(ADS)仿真软件对该混合环耦合器进行参数化分析。
当混合环中3λ/4特性阻抗为70.71Ω的微带线被λ/4短路TRD耦合线等效替换时，所需短路TRD耦合线中平行耦合微带线的奇偶模特性阻抗如图5所示，图中N为加载电容的个数。由图可知，当N＝3、k＜0.577时，所需平行耦合微带线的偶模特性阻抗Ze1小于奇模特性阻抗Zo1，这是物理不可实现的，因此当加载电容的个数N＝4、3或2时，λ/4短路TRD耦合线的耦合系数k的取值应分别大于0.541、0.577、0.707。此外，当耦合系数k增大时，所需平行耦合微带线的奇偶模特性阻抗都增大，但Ze比Zo增长速度大很多，这意味着k越大所需平行耦合微带线的耦合越强。
当前述λ/4短路TRD耦合线等效实现一段工作在1.0GHz、特性阻抗为70.71Ω的3λ/4微带线时，所需加载电容Cs随k和N的变化曲线如图6所示。由图可知，N不变的情况下，k越大所需加载电容Cs越小。当N＝3，k从0.577增大到0.800时，Cs的取值从2.86pF减小到2.35pF(由于实际可用的电容器的电容值是离散的，在此范围内只有2.4pF、2.5pF和2.7pF的电容在电子市场常被销售)，因此实际上只有(0.631，2.7pF)、(0.717，2.5pF)和(0.770，2.4pF)三个工作状态点可用于N＝3的设计。类似地，N＝4的可用工作状态点为(0.610，2.5pF)、(0.653，2.4pF)和(0.757，2.4pF)。表2给出了各工作状态点所对应的平行耦合微带线的设计参量。由表可知，当N＝3或4时，所需平行耦合微带线在普通印刷电路板加工工艺条件下就能非常容易地实现。
表2工作在1.0GHz的λ/4短路TRD耦合线的设计参量(Zt＝70.71Ω)
Figure BDA0002313369060000121
图7和8分别给出了谐波抑制混合环耦合器S参数的幅度和相位特性随TRD耦合线耦合系数k的变化曲线(不变参量有N＝3，θ＝90°，θ1＝24.5°，θ2＝25.4°，Z1＝154.7Ω，Z2＝42.5Ω)。由图可知，无论k取何值，中心频率处(1.0GHz)都实现了理想匹配和隔离特性。此外，随着k的增加，该耦合器|S11|＜-10dB的阻抗带宽和相位偏差为±10°的工作带宽都并无显著的提高，因此在设计短路TRD耦合线时，主要根据已有可用电容和平行耦合微带线易实现为基础，选择合适的工作点(即选择一个合适的k)。
图9和10分别给出了谐波抑制混合环耦合器S参数的幅度和相位特性随加载电容的个数N的变化曲线(不变参量有θ＝90°，θ1＝24.5°，θ2＝25.4°，Z1＝154.7Ω，Z2＝42.5Ω)。由图可知，加载电容越多(N越大)，该耦合器的工作带宽越宽，但是当N≥3时，其|S11|＜-10dB的阻抗带宽和相位偏差为±10°的工作带宽随N的增大只有缓慢的提高。因此，在工作带宽和电路复杂度之间进行折中后，加载3个电容的三单元结构是TRD耦合线设计的最合适选择。
实施例：
为了验证前述谐波抑制混合环耦合器的设计方案，设计了一个小型化3dB微带混合环耦合器，其加工实物如图11所示。其中心工作频率为1.0GHz、端口特性阻抗Zo等于50Ω。
为了便于实现本实施例将短路TRD耦合线的耦合系数k选择为0.717，平行耦合微带线的电长度θ选择为90°，加载电容的单元数N选择为3，从而计算所得平行耦合微带线的偶模特性阻抗为Ze＝179.2Ω、奇模特性阻抗为Zo＝110.2Ω及其加载电容为Cs＝2.5pF。利用ADS中的传输线综合软件，计算得到平行耦合微带线的导体带条宽度W为0.36mm及其间隔S为1.08mm。为了减少谐波抑制混合环耦合器中的不连续性结构，将T型传输线中的左右臂传输线的特性阻抗Z1选择为154.7Ω，使该传输线的导体带条宽度与平行耦合微带线的导体带条宽度相同(仍为0.36mm)，从而根据式(19)和(20)计算所得T型传输线各传输线的其他特性参量为：θ1＝24.5°，θ2＝25.4°，Z2＝42.5Ω。类似地，根据T型传输线各传输线的特性参量，利用ADS中的传输线综合软件可得各传输线的物理尺寸。为考虑微带开路支节的边缘电容效应和短路过孔的电感效应，在电磁仿真软件HFSS中建模仿真与分析。最终，电路的物理尺寸为：W＝0.3mm，W1＝0.3mm，W2＝5.2mm，S＝1.1mm，L＝51.0mm，L1＝29.4mm，L2＝14.0mm及Cs＝2.4pF。
图12和13分别给出了谐波抑制混合环耦合器S参数的宽带和窄带曲线。由图12可知，|S21|和|S31|在4.3GHz附近存在传输零点，这是由T型传输线中开路支节产生的，其结果是高频段阻带从2GHz扩展到了6GHz且衰减大于10dB，对2～6次谐波具有抑制作用。由图13测试曲线可知，该耦合器回波损耗大于10dB的频率范围为0.825～1.289GHz(相对带宽为43.9％)，隔离度大于15dB的频率范围为0.809～1.120GHz(相对带宽为32.2％)，隔离度大于20dB的频率范围为0.883～1.065GHz(相对带宽为18.7％)，并且在0.983GHz处隔离度达40.6dB，|S21|＝-2.9dB，|S31|＝-3.6dB。图14给出了谐波抑制混合环耦合器的相位差曲线。根据测试结果可知：在0.967GHz具有同相输出(∠S21＝∠S31)和反相输出(∠S34–∠S24＝180°)特性，仿真与测试结果之间存在3.3％的频率偏移，这是由于实际电容器的电容值都存在一定的偏差所致。
本发明技术方案带来的有益效果：
根据设计参量：中心工作频率为1.0GHz、端口特性阻抗Zo等于50Ω，在这种情况下，传统微带混合环耦合器的环状导体带条的宽带是2.28mm(即特性阻抗Zt为70.71Ω)，整个环的周长为221.2mm(即3λ/2)，所占电路尺寸约41.5cm2。根据本发明所设计的混合环耦合器，其有效电路面积约16cm2，比传统微带混合环面积减小80％。同时，本发明所提出的混合环，在小型化的同时，实现了谐波抑制功能。表3给出了本发明所提出的谐波抑制混合环与已有的微带混合环耦合器的比较。现有技术([1]H.Okabe，C.Caloz，T.Itoh.A compactenhanced-bandwidth hybrid ring using an artificial lumped-element left-handedtransmission-line section[J].IEEE Transactions on Microwave Theory andTechniques，2004，52(3):798-804、[2]M.K.Mandal，X.S.Sanyal.Reduced-length rat-race coupler[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2007，55(12):2593-2598、[3]H.R.Ahn，S.Nam.Compact microstrip 3-dB coupled-line ring andbranch-line hybrids with new symmetric equivalent circuits[J].IEEETransactions on Microwave Theory and Techniques，2013，61(3):1067-1078)虽然实现了小型化，但是无谐波抑制功能；本发明与现有技术([4]J.T.Kuo，J.S.Wu，Y.C.Chiou.Miniaturized rat race coupler with suppression of spurious passband[J].IEEE Microwave and Wireless Components Letters，2007，17(1):46-48、[5]P.Mondal，A.Chakrabarty.Design of miniaturised branch-line and rat-race hybridcouplers with harmonics suppression[J].IET Microwaves，Antennas andPropagation，2009，3(1):109-116、[6]C.H.Lai，T.G.Ma.Miniaturised rat-race couplerwith second and third harmonic suppression using synthesised transmissionlines[J].Electronics Letters，2013，49(22):1394-1396、[7]W.Nie，S.Luo，Y.X.Guo，etal.Miniaturized rat-race coupler with harmonic suppression[J].IEEE Microwaveand Wireless Components Letters，2014，24(11):754-756.)相比，既实现了小型化，还具有谐波抑制功能；现有技术([6]C.H.Lai，T.G.Ma.Miniaturised rat-race coupler withsecond and third harmonic suppression using synthesised transmission lines[J].Electronics Letters，2013，49(22):1394-1396)虽然尺寸最小，但是其带宽最窄、设计复杂度最高；除(([6]C.H.Lai，T.G.Ma.Miniaturised rat-race coupler with secondand third harmonic suppression using synthesised transmission lines[J].Electronics Letters，2013，49(22):1394-1396)外，本发明所提出的谐波抑制混合环是最小的，且具有较大的工作带宽和较低的设计复杂度。
表3微带混合环耦合器的比较
Figure BDA0002313369060000151
以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种小型化混合环耦合器，包括第一端口(1)、第二端口(2)、第三端口(3)和第四端口(4)，其特征在于：第一端口(1)经第一T型传输线连接第二端口(2)，第三端口(3)经两端短路的TRD耦合线连接第四端口(4)，第一端口(1)和第三端口(3)之间跨接第二T型传输线，第二端口(2)和第四端口(4)之间跨接第三T型传输线；
所述第一T型传输线、第二T型传输线和第三T型传输线的结构为：在两个特性阻抗均为Z1、电长度均为θ1的传输线之间并联特性阻抗为Z2、电长度为θ2的开路枝节；
所述TRD耦合线的结构为在传统平行耦合微带线上周期性加载电容元件；TRD耦合线的奇、偶模特性阻抗分别为Ze、Zo，加载电容参数为Cs。
2.一种如权利要求1所述的小型化混合环耦合器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S10：在直通端和耦合端之间接短路负载，根据微波网络分析理论，其ABCD矩阵参量分别为：
Figure FDA0002313369050000011
Figure FDA0002313369050000012
Figure FDA0002313369050000013
式中，Z0e和Z0o分别为TRD耦合线的偶模和奇模等效特性阻抗，j表示复数的虚部，将TRD耦合线的偶模电长度θe＝π/2和奇模电长度θo＝3π/2代入式(1)～(3)可得，短路TRD耦合线的ABCD矩阵为
Figure FDA0002313369050000021
S20：将短路TRD耦合线等效为一段3λ/4均匀传输线，短路TRD耦合线的ABCD矩阵与3λ/4均匀传输线的ABCD矩阵相等；根据微波网络理论可知，一段特性阻抗为Zt的3λ/4均匀传输线的ABCD矩阵为
Figure FDA0002313369050000022
令式(4)与(5)相等可得，短路TRD耦合线与3λ/4均匀传输线的等效关系为
Figure FDA0002313369050000023
TRD耦合线的耦合系数定义为
Figure FDA0002313369050000024
S30：短路TRD耦合线等效为3λ/4均匀传输线的公式为：
Figure FDA0002313369050000025
Figure FDA0002313369050000026
式中，k为TRD耦合线的耦合系数，根据奇偶模分析方法，当耦合线的电长度θ＝π/2时，负载电容Ce为0，则TRD耦合线的偶模、奇模特性阻抗Ze和Zo及加载电容Cs分别为：
Figure FDA0002313369050000027
Figure FDA0002313369050000028
Figure FDA0002313369050000031
Figure FDA0002313369050000032
Figure FDA0002313369050000033
式中，N为电容加载个数，ω为传输信号的角频率；
S40：T型传输线的ABCD矩阵参量分别为：
Figure FDA0002313369050000034
Figure FDA0002313369050000035
Figure FDA0002313369050000036
式中，Z1和Z2为T型传输线的特性阻抗，θ1和θ2为T型传输线的电长度，j表示复数的虚部，根据微波网络理论，一段特性阻抗为Zt的λ/4均匀传输线的ABCD矩阵为
Figure FDA0002313369050000037
令T型传输线的ABCD矩阵与λ/4均匀传输线的ABCD矩阵相等，所得等效关系式为
Z1＝Ztcotθ1 (19)
Figure FDA0002313369050000038
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111710950A (zh) * 2020-06-15 2020-09-25 北京邮电大学 平滑同相与反相特性的耦合线混合环Rat-Race
CN113258243A (zh) * 2021-04-28 2021-08-13 大连海事大学 一种具有平稳输出相位的宽带小型化混合环
CN118231989A (zh) * 2024-05-24 2024-06-21 成都玖锦科技有限公司 一种具有谐波抑制和相位补偿的小型化环形耦合器
CN118508989A (zh) * 2024-05-09 2024-08-16 成都玖锦科技有限公司 一种具有前级谐波抑制功能的小型化平衡式检波器

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102364874A (zh) * 2011-11-02 2012-02-29 山东安派通信技术有限公司 双频带功率放大器的偏置电路
CN103384022A (zh) * 2013-06-17 2013-11-06 西安电子工程研究所 一种平面微带线型高分配比不等功率分配器实现方法
RU2013133835A (ru) * 2010-12-21 2015-01-27 Серавижн Лимитед Электромагнитно-волновой плазменный источник света на основе проницаемого для излучения волновода

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2013133835A (ru) * 2010-12-21 2015-01-27 Серавижн Лимитед Электромагнитно-волновой плазменный источник света на основе проницаемого для излучения волновода
CN102364874A (zh) * 2011-11-02 2012-02-29 山东安派通信技术有限公司 双频带功率放大器的偏置电路
CN103384022A (zh) * 2013-06-17 2013-11-06 西安电子工程研究所 一种平面微带线型高分配比不等功率分配器实现方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
YUAN CAO等: "A miniaturized 3-db microstrip rat-race coupler using shorted trans-directional coupled lines", 《2017 SIXTH ASIA-PACIFIC CONFERENCE ON ANTENNAS AND PROPAGATION (APCAP)》 *

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111710950A (zh) * 2020-06-15 2020-09-25 北京邮电大学 平滑同相与反相特性的耦合线混合环Rat-Race
CN111710950B (zh) * 2020-06-15 2021-04-23 北京邮电大学 平滑同相与反相特性的耦合线混合环Rat-Race
US11901603B2 (en) 2020-06-15 2024-02-13 Beijing University Of Posts And Telecommunications Coupled-line rat-race coupler with smooth in-phase and out-of-phase performances
CN113258243A (zh) * 2021-04-28 2021-08-13 大连海事大学 一种具有平稳输出相位的宽带小型化混合环
CN113258243B (zh) * 2021-04-28 2022-02-11 大连海事大学 一种具有平稳输出相位的宽带小型化混合环
CN118508989A (zh) * 2024-05-09 2024-08-16 成都玖锦科技有限公司 一种具有前级谐波抑制功能的小型化平衡式检波器
CN118231989A (zh) * 2024-05-24 2024-06-21 成都玖锦科技有限公司 一种具有谐波抑制和相位补偿的小型化环形耦合器
CN118231989B (zh) * 2024-05-24 2024-08-02 成都玖锦科技有限公司 一种具有谐波抑制和相位补偿的小型化环形耦合器

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