CN111355009A - 带状线耦合器 - Google Patents

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    • 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
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Abstract

本发明公开了一种带状线耦合器，其应用于射频发射系统，其包括位于不同平面的第一导体与第二导体，所述第一导体呈直线形，所述第二导体包括第一节导体、第二节导体与第三节导体，所述第一节导体与第二节导体均呈直线形且分别位于所述第三节导体的两侧，所述第三节导体由分别与之连接的第一节导体的一端、第二节导体的一端下凹形成，所述第二导体为一体成型结构；所述第一节导体与所述第一导体的一部分耦合形成第一耦合器，所述第二节导体与所述第一导体的另一部分耦合形成第二耦合器，所述第三节导体形成第三耦合器；且各个所述耦合器的长度均为λ/16。本发明的带状线耦合器结构紧凑，实现了产品在强耦合条件下的小型化，大大节省了芯片面积。

Description

带状线耦合器
技术领域
本发明涉及射频微波领域，更具体地涉及一种带状线耦合器。
背景技术
典型的带状线耦合器如图1所示，上下两层导体分别位于三层介质形成的两个交界面中，中间的耦合线长度L为中心频率对应波长的四分之一。但对于四分之一波长耦合线而言，其尺寸往往很大，在现今的一些应用中，无法实现产品的小型化紧凑化布局。同时，图1所示的带状线耦合器很难实现强耦合度(如7dB的耦合度)，有时即使上下两层导体完全重叠也难以实现7dB的耦合度，因为在上下两层导体完全重叠时，一般采用上下导体为均匀宽度的耦合线设计，导致设计难度加大；而在上下两个导体线宽不一样的情况下，可以设计出7dB耦合器，但这又增加新的设计变量，使得设计变困难。
目前可以采用的一种方案是通过选择两个合适耦合度的耦合器(通常两个耦合器均为弱耦合度的耦合器)采用级联结构的形式实现强耦合，其结构如图2所示，由于级联结构是由两个耦合器耦合，每个耦合器都是四分之一波长传输线，甚至对于宽带的级联耦合器而言，需要两个多节耦合器，每节耦合器都是四分之一波长耦合器，这在一定程度上加大了版图面积，使得产品尺寸变大，不利于小型化实现要求。
上述，如图1所示的传统的带状线耦合器，由于耦合器的上下两层导体的偏移量不全相同，故在可以实现强耦合(如在实现3dB耦合器)中，会导致幅度不平衡度偏大，在实际应用中影响产品如功放合路性能，同时该单节四分之一波长带状线耦合器的尺寸较大，无法得到紧凑型的小型化产品。另外，如图2所示带状线耦合器的采用两个多节λ/4的弱耦合器级联实现强耦合度的宽带耦合器，但是在一些需要小型化的产品中，由于该耦合器所占面积太大，无法实现小型化。
因此，有必要提供一种在改进的小型化且可实现强耦合的带状线耦合器。
发明内容
本发明的目的是提供一种带状线耦合器，本发明的带状线耦合器结构紧凑，实现了产品在强耦合条件下的小型化，大大节省了芯片面积。
为实现上述目的，本发明提供了一种带状线耦合器，其应用于射频发射系统，其包括位于不同平面的第一导体与第二导体，所述第一导体呈直线形，所述第二导体包括第一节导体、第二节导体与第三节导体，所述第一节导体与第二节导体均呈直线形且分别位于所述第三节导体的两侧，所述第三节导体由分别与之连接的第一节导体的一端、第二节导体的一端下凹形成，所述第二导体为一体成型结构；所述第一节导体与所述第一导体的一部分耦合形成第一耦合器，所述第二节导体与所述第一导体的另一部分耦合形成第二耦合器，所述第三节导体形成第三耦合器；所述第一导体的两端分别连接有输入端口与输出端口，所述第一节导体的另一端连接耦合端口，所述第二节导体的另一端连接有隔离端口；且各个所述耦合器的长度均为λ/16。
较佳地，所述第三耦合器为平面型带状耦合器。
较佳地，所述第三耦合器为上端开口下端闭合的结构。
较佳地，所述第三耦合器为U形结构。
较佳地，所述第一耦合器与第二耦合器具有相同的结构特征和耦合强度。
较佳地，通过仿真调节设置所述第一耦合器和第二耦合器各自导体的长度、宽度及上下导体之间的错位距离可使所述第一耦合器和第二耦合器为强耦合器。
与现有技术相比，本发明的带状线耦合器，由于所述带状线耦合器由三个耦合器构成，因此更易于实现强耦合度；另外每个耦合器的长度均为λ/16，可实现产品的小型化，节省了芯片面积。
通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。
附图说明
图1为现有技术的带状线耦合器的结构图。
图2为现有技术另一带状线耦合器的结构图。
图3为本发明带状线耦合器的结构图。
图4为现有技术的带状线耦合器与本发明的带状线耦合器的插损对比图。
图5为现有技术的带状线耦合器与本发明的带状线耦合器的耦合系数的对比图。
图6为现有技术的带状线耦合器与本发明的带状线耦合器的方向性的对比图。
具体实施方式
现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。如上所述，本发明提供了一种带状线耦合器，本发明的带状线耦合器结构紧凑，实现了产品在强耦合条件下的小型化，大大节省了芯片面积。
请参考图3，图3为本发明带状线耦合器的结构图。本发明的带状线耦合器主要应用于射频发射系统；如图3所示，本发明的带状线耦合器包括位于不同平面的第一导体100与第二导体200，且所述第一导体100呈直线形。所述第二导体200包括第一节导体210、第二节导体220与第三节导体230，所述第一节导体210与第二节导体220均呈直线形且分别位于所述第三节导体230的两侧，所述第三节导体230由分别与之连接的第一节导体210的一端、第二节导体220的一端下凹形成，所述第二导体200为一体成型结构(具体如图3所示)。所述第一节导体210与所述第一导体100的一部分110耦合形成第一耦合器，所述第二节导体220与所述第一导体100的另一部分120耦合形成第二耦合器，所述第三节导体230形成第三耦合器；其中，所述第一耦合器与第二耦合器分别由第一导体100的部分与第二导体200的部分交叠而形成，使得所述第一耦合器与第二耦合器均为不同平面的耦合器。在本发明中，所述带状线耦合虽然由三个耦合器构成(第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器)，但仍是通过两个导体耦合而成，因此结构上更为紧凑。第一导体100的两端分别连接有输入端口P1与输出端口P2，所述第一节导体210的另一端连接耦合端口P3，所述第二节导体220的另一端连接有隔离端口P4；且各个所述耦合器的长度均为λ/16。由上述可知，本发明的带状线耦合器，由于第一耦合器与第二耦合器分别由两个导体交叠耦合而形成，而第三耦合器由另一个导体的一部分形成，因此使得整个耦合器经过对其参数的合理设置即能实现强耦合；而且各个耦合器的长度仅为λ/16，实现了产品的小型化，大大节省了芯片面积。
作为本发明的优选实施方式，所述第三耦合器为平面型带状耦合器，且所述第三耦合器为上端开口下端闭合的结构；更一步地，所述第三耦合器为U形结构。在本发明中，所述第一耦合器与第二耦合器均为不同平面的耦合器，而所述第三耦合器为平面型带状耦合器，使得由该三个耦合器构成的带状线耦合器整体更易于实现强耦合度；另外，所述第三耦合器为上端开口结构，在本实施方式中具体为U形结构，U形结构简单，易于成型与实现，当然在实际应用中并不限于此种结构。
作为本发明的另一优选实施方式，所述第一耦合器与第二耦合器具有相同的结构特征和耦合强度；在本发明中，由于所述第一耦合器与第二耦合器的结构特征相同，使得其组成的导体结构也相同，从而使得整个设计更简洁，且更易于实现；而所述第一耦合器与第二耦合器具有相同的结耦合强度，则使得整个带状线耦合器更易于实现强耦合度。
再有，在本发明中，通过调节设置所述第一耦合器和第二耦合器各自导体的长度、宽度及上下导体之间的错位距离可使所述第一耦合器和第二耦合器为强耦合器；具体地，上述各个尺寸参数通过HFSS软件仿真优化实现，在此不在细述。
由上述可知，本发明的带状线耦合器由三个耦合器构成，实际上应该按照三个耦合器进行设计，然后进行级联构成，其中第一耦合器、第二耦合器一般选取一样的设计方式，也即两者的结构特征相同，这样使得设计难度降低，降低工作量。而且，关于第一耦合器与第二耦合器，如果是上下对称则可以采用奇偶模分析的方式进行分析设计，如果是不对称结构，则使用C模和π模分析的方式进行；一般对于强耦合方式而言，如3Db耦合器,第一耦合器与第二耦合器的耦合度为7-9dB之间。另外，位于同一平面的第三耦合器，其下凹形成一个U型结构，该耦合器一般采用对称结构，可以采用奇偶模的方式进行分析设计一个λ/16的耦合器，然后将直通端与隔离端相连即可。当三个耦合器初值设计完成之后使用ABCD矩阵理论进行级联，达到该强耦合器的系统初值，导入三维电磁仿真软件中进行优化细调，即可得到一个满足设计要求的小型化的强耦合器。
请再结合参考图4至图6，描述本发明的带状线耦合器与现有技术的带状线耦合器的仿真对比情况。图4为现有技术的带状线耦合器与本发明的带状线耦合器的插损对比图，其中，New S21为本发明带状线耦合器的插损曲线，Orig S21为现有技术的带状线耦合器的插损曲线；图5为现有技术的带状线耦合器与本发明的带状线耦合器的耦合系数的对比图；其中，New S41为本发明带状线耦合器的耦合系数曲线，Orig S41为现有技术的带状线耦合器的耦合系数曲线；图6为现有技术的带状线耦合器与本发明的带状线耦合器的方向性的对比图；其中，New S41-S31为本发明带状线耦合器的方向性曲线，Orig S41-S31为现有技术的带状线耦合器的方向性曲线。
通过上述对比两种带状线耦合器的仿真结果可知，本发明的带状线耦合器在实现强耦合7dB耦合器，在5-6GHz的宽频段内，方向性指标在工作频段内优于现有技术的带状线耦合器，同时耦合度等相关指标在设计频段内本发明的方案与现有技术方案相当，耦合系数的平坦度在工作频率范围内为0.2dB以内。特别的是在上述指标条件下，现有技术的带状线耦合器的耦合尺寸为9.2mm，而本发明的带状线耦合器的耦合尺寸为5.1mm,仅为现有技术的55.43％，因此实现了产品的小型化，节省了芯片面积。
以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。

Claims (6)

1.一种带状线耦合器，其应用于射频发射系统，其特征在于，包括位于不同平面的第一导体与第二导体，所述第一导体呈直线形，所述第二导体包括第一节导体、第二节导体与第三节导体，所述第一节导体与第二节导体均呈直线形且分别位于所述第三节导体的两侧，所述第三节导体由分别与之连接的第一节导体的一端、第二节导体的一端下凹形成，所述第二导体为一体成型结构；所述第一节导体与所述第一导体的一部分耦合形成第一耦合器，所述第二节导体与所述第一导体的另一部分耦合形成第二耦合器，所述第三节导体形成第三耦合器；所述第一导体的两端分别连接有输入端口与输出端口，所述第一节导体的另一端连接耦合端口，所述第二节导体的另一端连接有隔离端口；且各个所述耦合器的长度均为λ/16。
2.如权利要求1所述的带状线耦合器，其特征在于，所述第三耦合器为平面型带状耦合器。
3.如权利要求1所述的带状线耦合器，其特征在于，所述第三耦合器为上端开口下端闭合的结构。
4.如权利要求3所述的带状线耦合器，其特征在于，所述第三耦合器为U形结构。
5.如权利要求1所述的带状线耦合器，其特征在于，所述第一耦合器与第二耦合器具有相同的结构特征和耦合强度。
6.如权利要求1所述的带状线耦合器，其特征在于，通过仿真调节设置所述第一耦合器和第二耦合器各自导体的长度、宽度及上下导体之间的错位距离可使所述第一耦合器和第二耦合器为强耦合器。
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