CN111478007A - 一种低频横跨和高频反向多功能复用的双频定向耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种低频横跨和高频反向多功能复用的双频定向耦合器，该双频定向耦合器包括多个耦合线组、多个电容器及四个端口；各耦合线组包括两条耦合线，多个耦合线组两两之间首尾串联，且位于两端的两个耦合线组中的耦合线分别连接至各端口；各电容器包括两个接头；相连的两个耦合线组之间设置一个电容器，且该电容器的两个接头分别连接至连接处的两个耦合线；两端的耦合线组和端口之间设置一个电容器，且该电容器的两个接头分别连接至一端耦合线组中的两条耦合线。本发明实施例提供的双频定向耦合器可以实现电路结构复用，在低频时为横跨定向耦合器，在高频时为反向定向耦合器，由此可以实现耦合器端口功能的扩展。

Description

一种低频横跨和高频反向多功能复用的双频定向耦合器

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别是涉及一种低频横跨和高频反向多功能复用的双频定向耦合器。

背景技术

微波器件是一种工作在微波波段的器件。随着移动通信技术的飞速发展，对微波器件的需求由单一向多样化转变，比如为了满足5G通信高速率、大容量的需求，需要具有多个端口的微波器件能够同时支持多个频段的使用或者使用时覆盖尽可能宽的频带范围。定向耦合器是一种应用广泛的具有方向性的四端口功率分配微波器件，具有分配和组合输入信号的作用，并可以对输入信号的相位进行转换。当一个通信系统需要利用定向耦合器实现对多个频段、多种标准的兼容时，传统的单频段定向耦合器已经不能满足需求，因而目前研究集中于双频或者多频段的定向耦合器。

其中，双频定向耦合器可以利用同一耦合器结构在两个不同频率点下使用，这两个频率点分别属于不同的频段。目前主要通过级联多节耦合线的方式实现耦合器的双频性能，但是可实现的双频定向耦合器均为反向耦合器，反向耦合器的直通端口和耦合端口不在同一条线上。如何扩展双频定向耦合器的功能，满足通信系统对多功能器件的要求，是需要解决的问题。

发明内容

本发明提供一种低频横跨和高频反向多功能复用的双频定向耦合器，以实现耦合器的功能扩展。具体技术方案如下：

一种低频横跨和高频反向多功能复用的双频定向耦合器，所述双频定向耦合器包括多个耦合线组、多个并联的电容器及四个端口；

各耦合线组包括两条耦合线，所述多个耦合线组两两之间首尾串联，且位于两端的两个耦合线组中的四条耦合线分别连接至各端口；

各电容器包括两个接头；相连的两个耦合线组之间设置一个电容器，且该电容器的两个接头分别连接至连接处的两个耦合线；两端的耦合线组和端口之间设置一个电容器，且该电容器的两个接头分别连接至一端耦合线组中的两条耦合线。

特别的，所述各电容器的容值相等。

特别的，所述各电容器均为贴片电容器。

特别的，所述耦合线组为三个，所述电容器为四个。

特别的，两端的耦合线组具有相同的物理属性，且中间的耦合线组与所述两端的耦合线组具有不同的物理属性。

特别的，所述物理属性包括：耦合线组中耦合线的线宽、耦合线组中两条耦合线之间的距离以及耦合线组中耦合线的线长。

特别的，所述四个端口均为微波高频连接端口。

特别的，所述双频定向耦合器构建在单层电路板上，所述单层电路板的上表面为由所述多个电容器、所述多个耦合线组及所述四个端口组成的耦合器电路，所述单层电路板的下表面为金属面。

特别的，所述双频定向耦合器的电路参数为：根据端口约束条件、两个特定频率，基于双频定向耦合器设计原理计算得到的，所述两个特定频率的比值满足预设范围，所述电路参数包括所述耦合线的参数和所述电容器的参数。

特别的，当所述双频定向耦合器的工作频率为所述两个特定频率中的最小值时，所述双频定向耦合器为横跨耦合器；

当所述双频定向耦合器的工作频率为所述两个特定频率中的最大值时，所述双频定向耦合器为反向耦合器。

本发明实施例提供了一种低频横跨和高频反向多功能复用的双频定向耦合器，该双频定向耦合器包括多个耦合线组、多个并联的电容器及四个端口；各耦合线组包括两条耦合线，多个耦合线组两两之间首尾串联，且位于两端的两个耦合线组中的四条耦合线分别连接至各端口；各电容器包括两个接头；相连的两个耦合线组之间设置一个电容器，且该电容器的两个接头分别连接至连接处的两个耦合线；两端的耦合线组和端口之间设置一个电容器，且该电容器的两个接头分别连接至一端耦合线组中的两条耦合线。

本发明实施例中，耦合器电路由多个耦合线组枝节串联，并在端口与耦合线组连接的位置、相邻两个耦合线组连接的位置引入电容器，电容器的容抗随频率变化而变化，因而在耦合器的工作频率发生变化时，电容器的容抗发生变化，耦合线的电特性参数发生变化，使得耦合器在高频和低频时分别满足横跨耦合器和反向耦合器的约束条件，从而耦合器可以实现不同的功能。当然，实施本发明的任一产品或方法必不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种低频横跨和高频反向多功能复用的双频定向耦合器电路结构示意图。

图2为本发明实施例提供的双频定向耦合器局部细节结构示意图。

图3为本发明实施例提供的双频定向耦合器电路平面结构详细示意图。

图4(a)为本发明实施例提供的双频定向耦合器低频下的结构复用示意图。

图4(b)为本发明实施例提供的双频定向耦合器高频下的结构复用示意图。

图5为本发明提供的第一个具体实施例的S参数仿真结果示意图。

图6为本发明提供的第一个具体实施例的输出相位差的仿真结果示意图。

图7为本发明提供的第二个具体实施例的S参数仿真结果示意图。

图8为本发明提供的第二个具体实施例的输出相位差的仿真结果示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

目前，随着通信技术的飞速发展以及人们对通信功能需求的日益多样化，对于能够适用于多种通信标准的多频带和多功能的微波器件的需求日益增加。随着5G(5thgeneration mobile networks，第五代移动通信网络)的发展，整个移动通信行业都开始探索全新的频段。在目前全球多个国家已经开始将Sub-6GHz(6GHz以下频段)的频谱资源用于5G通信，为此，科研人员需要将射频器件设计到2.2GHz、3.5GHz附近。除此之外，为了满足5G通信高速率、大容量的需求，在频带支持上，要求多端口器件能够同时支持多个频段或者覆盖尽可能宽的频带范围。此外，随着现代通信系统朝着集成化和小型化方向的发展，集成多种功能的电路与器件将受到越来越多的青睐。

定向耦合器是一种应用广泛的具有方向性的四端口功率分配微波器件，具有分配和组合输入信号的作用，并可以对信号相位进行转换。在微波信号发生器、平衡放大器、相控阵的雷达系统的馈电网络中定向耦合器可以实现对无线信号的隔离、叠加以及分配。随着对定向耦合器研究的进一步深入以及制作工艺的极大发展，定向耦合器的性能有了极大的提高，并且随着射频电路向着小型化、平面化以及集成化的方向发展，具有宽频带、多频化、小型化和低成本平面结构的定向耦合器成为研究的重点。随着通信系统需要实现多频和多标准兼容，传统的单频段定向耦合器已经不能满足需求，对双频和多频段的定向耦合器的研究愈发重要。

目前对于双频定向耦合器的研究多集中于传统的分支线耦合器，通过引入双频阻抗变换器实现耦合器的双频性能，但是分支线耦合器具有尺寸大、带宽窄的缺点，不满足小型化和宽频带的要求。与分支线耦合器相比，耦合线耦合器具有尺寸小，带宽较宽的优势，目前主要通过级联多节耦合线的方式实现耦合器的双频性能，但是可实现的双频耦合线耦合器的尺寸仍相对较大，且均为反向耦合器。反向耦合器的直通端口和耦合端口不在同一条线上，所以在与交流电路连接过程中会造成电路交叉影响，并影响系统的性能。还存在另外一种横跨耦合器，通过在耦合线枝节的中间或者两端添加电容或者电感实现。与反向耦合器相比，横跨耦合器的直通端口和耦合端口位于同一条线上，所以与交流电路进行连接时，可以通过电容提供直流阻塞功能。已经提出的双频定向耦合器的隔离端口固定，限制了耦合器的端口功能，即三个端口分别为输入、直通输出和耦合输出，另一个端口为隔离端口。如何能够扩展四端口耦合器端口的功能进而实现耦合器的功能扩展是值得研究的问题。另外，实现同一电路结构的功能复用也具有重要的意义，同一电路结构的复用可以充分发挥电路的功能，满足微波系统对多功能器件的要求。如何通过一个耦合器结构在不同频段分别实现横跨耦合器和反向耦合器，实现电路结构复用和耦合器端口功能的扩展是本发明的研究重点。

针对上述问题，本发明实施例提出了一种低频横跨和高频反向多功能复用的双频定向耦合器，在级联的耦合线枝节中间和两端引用贴片电容，可以实现电路结构的复用，即在两个不同频率分别实现两种不同类型的耦合器，工作在低频时该耦合器为横跨耦合器，工作在高频时该耦合器为反向耦合器，通过此可以实现传统耦合器端口功能扩展。除此之外，该耦合器具有尺寸小、紧耦合、的优势，且工作在两个频率时耦合器的功分比不同，可以满足不同的功率分配需求，并可以提供直流阻塞功能。以下具体说明：

本发明实施例公开了一种低频横跨和高频反向多功能复用的双频定向耦合器，如图1所示，该双频定向耦合器包括多个耦合线组101、多个并联的电容器102、四个端口103；

各耦合线组包括两条耦合线，多个耦合线组两两之间首尾串联，且位于两端的两个耦合线组中的四条耦合线分别连接至各端口；

各电容器包括两个接头；相连的两个耦合线组之间设置一个电容器，且该电容器的两个接头分别连接至连接处的两个耦合线；两端的耦合线组和端口之间设置一个电容器，且该电容器的两个接头分别连接至一端耦合线组中的两条耦合线。

本发明实施例中，耦合器电路由多个耦合线组枝节串联，并在端口与耦合线组连接的位置、相邻两个耦合线组连接的位置引入电容器，电容器的容抗随频率变化而变化，因而在耦合器的工作频率发生变化时，电容器的容抗发生变化，耦合线的电特性参数发生变化，使得耦合器在高频和低频时分别满足横跨耦合器和反向耦合器的约束条件，从而耦合器可以实现不同的功能。

为了方便理解，图1仅示出耦合线组为三个、电容器为四个时双频定向耦合器的电路结构，在此基础上可以增加耦合线组、电容器进行扩展，对于扩展的情况在此不再赘述。本发明实施例中，耦合线组包括两条耦合线，分别为a线和b线，耦合线可以是任何可以实现耦合功能的线，比如带状线、微带线等。多个耦合线组两两之间首尾串联具体为：各耦合线组的a线首尾连接，且各耦合线组的b线首尾连接。当a线和b线间间距很小的时候，由于两条线间电磁场的相互作用，两条线发生电磁耦合，能量可以从一条线耦合到另一条线，控制相应参数，从而实现信号的定向传输。本发明实施例所提供的双频定向耦合器包括四个端口，分别为第一端口、第二端口、第三端口、第四端口。位于两端的两个耦合线组中的耦合线分别连接至各端口具体为：串联线路最左端的耦合线组的a线的左端连接第一端口，串联线路最左端的耦合线组的b线的左端连接第四端口，串联线路最右端的耦合线组的a线的右端连接第二端口，串联线路最右端的耦合线组的b线的右端连接第三端口。本发明实施例所提供的双频定向耦合器还包括多个电容器，电容器包括两个接头，两个接头分别连接一耦合线组的a线和b线，且连接在同一端，多个电容器分别位于相邻两个耦合线组相连接的位置、端口与耦合线组相连接的位置，例如第一耦合线组的a线与第二耦合线组的a线连接的位置接第一电容器的一个接头，第一耦合线组的b线与第二耦合线组的b线连接的位置接第一电容器的另一个接头；串联线路最左端的耦合线组的a线的左端与第一端口连接的位置接第二电容器的一个接头，串联线路最左端的耦合线组的b线的左端与第四端口连接的位置接第二电容器的另一个接头。

特别的，各电容器的容值相等。

特别的，各电容器为贴片电容器。

贴片电容器具有体积小的优点。

特别的，耦合线组为三个，电容器为四个。

本发明实施例利用三个耦合线组枝节串联，在级联的耦合线枝节中间和两端引用贴片电容，形成一种低频横跨和高频反向多功能复用的双频定向耦合器。

特别的，两端的耦合线组具有相同的物理属性，且中间的耦合线组与所述两端的耦合线组具有不同的物理属性。

特别的，物理属性包括：耦合线组中耦合线的线宽、耦合线组中两条耦合线之间的距离以及耦合线组中耦合线的线长。

基于图1所示实施例，图2为耦合线和电容连接部分局部细节图，其中耦合线的线宽为W，线长为L，间隔(耦合线组中两条耦合线之间的距离)为S，两端的耦合线组分别为第一耦合线组和第三耦合线组，中间的耦合线组为第二耦合线组，第一耦合线组和第三耦合线组对应的线宽、线长和间隔分别为W₁、L₁、S₁，第二耦合线组对应的线宽、线长和间隔分别为W₂、L₂、S₂。耦合线枝节中间和两端引用贴片电容，带斜纹的长方形表示贴片电容。

特别的，四个端口均为微波高频连接端口。

SMA(Small A Type)连接头，即为微波高频连接器，将SMA连接头作为端口用于输入和输出信号。

特别的，双频定向耦合器构建在单层电路板上，单层电路板上表面为由多个电容器、多个耦合线组及四个端口组成的耦合器电路，单层电路板下表面为金属面。

本发明中介质基板选择RO4350B，介电常数为3.66，厚度为1.524mm，介质损耗为0.0037，介质损耗为电路板在电场作用下在单位时间内因发热而消耗的能量。本发明利用单层印刷电路板的设计方法来实现，整体结构简单，易于加工和集成。

特别的，双频定向耦合器的电路参数为：根据端口约束条件、两个特定频率，基于双频定向耦合器设计原理计算得到的，两个特定频率的比值满足预设范围，电路参数包括耦合线的参数和电容器的参数。

双频定向耦合器可以利用同一耦合器结构在两个不同频率点下使用，这两个不频率点的比值为频率比，本发明实施例提供的双频定向耦合器在一定的频率比范围内均可以实现双频耦合器性能。双频定向耦合器整体具有四个端口，在设计耦合器的参数时，根据需要实现的耦合器功能确定各端口之间的关系，假设第一端口为输入端口，第四端口为耦合(输出)端口，当双频定向耦合器为横跨耦合器时，第二端口为隔离端口，第三端口为直通(输出)端口，此时耦合(输出)端口与直通(输出)端口都连接在耦合线组的b线上。当双频定向耦合器为反向耦合器时，第二端口为直通(输出)端口，第三端口为隔离端口，此时耦合(输出)端口连接在耦合线组的b线上，直通(输出)端口连接在耦合线组的a线上。输入端口用于输入信号，耦合器对输入信号的分配可以用散射参数(S参数)表示，散射参数S_ij代表的意思是能量从j端口注入时在i端口测得的能量。S₁₁为输入反射系数，即回波损耗，表示有多少能量被反射回源端。当双频定向耦合器为横跨耦合器时，第二端口为隔离端口，有|S₂₁|＝0。当双频定向耦合器为反向耦合器时，第三端口为隔离端口，有|S₃₁|＝0。

本发明实施例中，双频定向耦合器为四个端口。给定两个频率时，约束条件为：低频时匹配|S₁₁|＝0，隔离|S₂₁|＝0，高频时匹配|S₁₁|＝0，隔离|S₃₁|＝0，根据S参数表示的能量关系，利用微波技术基础原理、双频定向耦合器设计原理，求解耦合器的电路参数，电路参数包括：电容器的容值和耦合线的奇模特征阻抗、偶模特征阻抗、电长度。阻抗为对交流电所起的阻碍作用。在信号传输过程中，传输线会等效成一个电阻，称这个等效的电阻为传输线的特性阻抗。电长度为传输线的物理长度与所传输电磁波波长之比。

特别的，当双频定向耦合器的工作频率为两个特定频率中的最小值时，双频定向耦合器为横跨耦合器；

当双频定向耦合器的工作频率为两个特定频率中的最大值时，双频定向耦合器为反向耦合器。

两个特定频率中的最小值称为低频，两个特定频率中的最大值称为高频。横跨耦合器的的直通端口和耦合端口位于同一条线上，比如都连接在a线上，反向耦合器的的直通端口和耦合端口不在同一条线上，比如直通端口连接在a线上，耦合端口连接在b线上。由此得到的双频定向耦合器，工作在低频时为横跨定向耦合器，第一端口作输入端口，第三端口为直通端口，第四端口为耦合端口，第二端口为隔离端口。高频时为反向定向耦合器，第一端口作输入端口，第二端口为直通端口，第四端口为耦合端口，第三端口为隔离端口。在本发明实施例中，隔离端口不是固定的，能够扩展四端口耦合器端口的功能进而实现耦合器的功能扩展。并且该耦合器在耦合线之间并联电容器，所以与交流电路进行连接时，可以通过电容为输出端口提供直流阻塞功能。

总之，在本发明中，低频横跨和高频反向多功能复用的双频定向耦合器通过在级联的耦合线枝节中间和两端引用贴片电容，实现了耦合器电路结构的复用和端口功能扩展。该耦合器在低频和高频可以分别实现两种不同类型的耦合器，在低频时该耦合器是横跨耦合器，在高频时该耦合器是反向耦合器。同时，该耦合器工作在低频和高频时，具有不同的功分比，可以满足不同功率分配应用场景。通过端口功能的扩展，该耦合器可以增加连接的电路数，分别为工作在不同频段的电路提供功率分配。另外，该耦合器的尺寸小，带宽宽、符合通信系统的小型化趋势和对带宽的需求。该耦合器整体是一个简单的平面结构，具有易实现性，由于该结构实现了结构复用，大大节约了特定场景下对耦合器的需求个数，可以极大地减小微波系统的复杂性。

下面结合具体实施例和附图，对本发明的方案做详细、清楚的描述。

在本发明实施例中，双频定向耦合器构建在单层电路板上，电路板顶层为利用三节耦合线组枝节串联设计的平面宽带混合环耦合器电路，在级联的耦合线枝节中间和两端引用贴片电容，共4个贴片电容，底层为金属接地面，电路平面结构图如图3所示。

顶层耦合器电路结构中，三节耦合线组分别为耦合线组3011、耦合线组3012、耦合线组3013，每个耦合线组由a、b两条带状线组成。双频定向耦合器整体具有四个端口，分别为端口3021、端口3022、端口3023、端口3024，四个端口均为SMA连接头。端口3021连接耦合线组3011的a线左端，端口3024连接耦合线组3011的b线左端。端口3022连接耦合线组3013的a线右端，端口3023连接耦合线组3013的b线右端。耦合线组3011中耦合线的偶模阻抗、奇模阻抗分别为Z_e1、Z_o1，耦合线组3013中耦合线的偶模阻抗、奇模阻抗分别为Z_e1、Z_o1，耦合线组3012中耦合线的偶模阻抗、奇模阻抗分别为Z_e2、Z_o2，耦合线的电长度均为工作频率f_H(高频)处的30°。双频定向耦合器整体具有四个电容器，电容器的一个接头连接a线，另一个接头连接b线，四个电容器分别位于耦合线组3011与端口相连的位置、耦合线组3013与端口相连的位置、耦合线组3011与耦合线组3012相连的位置、耦合线组3013与耦合线组3012相连的位置。且四个电容的容值相等，均为C。端口馈入耦合线的端口线的转角处切去直角三角形，直角三角形纵向长度W₀，横向长度L₀。耦合线组3011和耦合线组3013中耦合线的奇模阻抗、偶模阻抗和电长度相同，故具有相同的线宽、间隔和线长，耦合线组3012与耦合线组3011、耦合线组3013对应的线宽、间隔和线长不同。

四个端口按功能分为输入端口、直通端口、耦合端口以及隔离端口，特征阻抗均为50欧姆。介质基板为RO4350B，介电常数为3.66，厚度为1.524mm，介质损耗为0.0037。介质基板下表面覆盖金属，作为地面。介质基板横向宽度为31.2mm，纵向宽度为14.1mm。端口宽度W_p为3.5mm，长度可以任意选取，在本发明实施例中将L_p设为6.5mm。

本发明实施例提供的双频定向耦合器为一种低频横跨和高频反向多功能复用的双频定向耦合器，图4(a)为本发明实施例提供的双频定向耦合器低频下的结构复用示意图，图4(b)为本发明实施例提供的双频定向耦合器高频下的结构复用示意图，双频定向耦合器在f_L(低频)工作时为横跨耦合器，如图4(a)，端口401为输入端口，端口403为直通端口，端口404为耦合端口，直通端口和耦合端口均为输出端口，端口402为隔离端口，功率分配比为k_L，功率分配比为直通端口与耦合端口的输出功率的比值，简称功分比。双频定向耦合器在f_H(高频)工作时为反向耦合器，如图4(b)，端口401为输入端口，端口402为直通端口，端口404为耦合端口，端口403为隔离端口，功分比k_H。

目前全球多个国家已经开始将Sub-6GHz的频谱资源用于5G通信，为了满足当前通信频段需求，在图3所示实施例的基础上具体展示两个实施例数据，并将耦合线组3011、耦合线组3012、耦合线组3013简化为耦合线1、耦合线2、耦合线3，端口3021、端口3022、端口3023、端口3024简化为端口1、端口2、端口3、端口4。

在这两个实施例中将-15dB带宽作为两个实施例的通带，在通带内回波损耗很小，而在更低或更高的频率处则有很大的回波损耗，以下数据表明了两个实施例具有很好的带通特性。

第一个具体实施例中，低频f_L为2.02GHz、高频f_H为3.45GHz。耦合线1(耦合线3)对应的宽度W₁为0.3mm，长度L₁为4.6mm，间隔S₁为0.5mm，耦合线2对应的宽度W₂为0.5mm，长度L₂为4.5mm，间隔S₁为0.4mm。端口1馈入耦合线1的端口线的转角处切去直角三角形，直角三角形纵向长度W₀为0.3mm，横向长度L₀为3.25mm。整个电路的尺寸大小为13.70mm×1.40mm。

图5为本实施例的匹配、隔离、耦合以及传输系数的仿真结果示意图，即S参数仿真结果示意图。散射参数S_ij代表的意思是能量从j端口注入时在i端口测得的能量。

在低频2.02GHz，回波损耗(匹配)|S₁₁|为-35.61dB，回波损耗|S₁₁|小于-15dB的范围是1.657GHz至2.32GHz，隔离|S₂₁|为-34.24dB，隔离|S₂₁|小于-15dB的范围是1.65GHz至2.31GHz。耦合|S₄₁|为-2.12dB，传输|S₃₁|为-4.49dB，功分比k_L(|S₃₁|/|S₄₁|)为0.76。

在高频3.45GHz，回波损耗|S₁₁|为-30.29dB，回波损耗|S₁₁|小于-15dB的范围是3.06GHz至3.48GHz，隔离|S₃₁|为-29.74dB，隔离|S₃₁|小于-15dB的范围是2.72GHz至3.48GHz。耦合|S₄₁|为-1.56dB，传输|S₂₁|为-6.285dB，功分比k_H(|S₂₁|/|S₄₁|)为0.60。

以上数据反映了本发明实施例所提供的双频耦合器在低频和高频两个频段内都具有较好的回波损耗和隔离性能，且在低频和高频的功分比不同，均可实现较高的耦合度，带宽性能良好，功能强大，性能优良。

图6为第一个具体实施例的输出相位差的仿真结果示意图。在低频2.02GHz，端口2为隔离端口，端口4为耦合端口，端口3为直通端口，端口4与端口3的输出相位差∠S₄₁-∠S₃₁为90.98°。在1.657GHz至2.32GHz的通带范围内，相位差在87.10°至93.74°的范围内，波段内相位差在90°左右波动，且波动范围极小。

在高频3.45GHz，端口3为隔离端口，端口4为耦合端口，端口2为直通端口，端口4与端口2的输出相位差∠S₄₁-∠S₂₁为89.74°。在3.06GHz至3.48GHz的通带范围内，相位差在89.60°至94.73°的范围内，波段内相位差在90°左右波动，且波动范围极小。

以上数据反映了本发明实施例所提供的双频耦合器在低频和高频两个频段范围内的相位差在90°左右波动，相位差性能平滑。

本发明实施例为了实现双频定向耦合器的性能，采用了三节耦合线枝节串联的结构。双频定向耦合器在低频时工作为横跨耦合器，端口1作输入端口，端口3和端口4为输出端口，端口2为隔离端口。在高频时工作为反向定向耦合器，端口1作输入端口，端口2和端口4为输出端口，端口3为隔离端口。为了实现隔离端口和输出端口的转变，在耦合线和端口连接处和耦合线枝节之间添加电容。由于电路参数随着频率发生变化，最终实现电路结构的复用，且低频和高频的功分比相互独立，可以满足不同的功率分配需求。由于添加了线间电容，在低频和高频均可实现较高的耦合度，且最终的输出端口均表现出90°的相位差。且整个电路具有小型化和易于集成化特点，非常利于进行器件封装。说明该低频横跨和高频反向多功能双频定向耦合器可以广泛应用于各种微波系统中，并符合系统和器件小型化的趋势，应用前景非常广泛。

第二个具体实施例中，低频f_L为2.24GHz、高频f_H为3.51GHz。耦合线1(耦合线3)的宽度W₁为0.3mm，长度L₁为4.6mm，间隔S₁为0.65mm，耦合线2的宽度W₂为0.5mm，长度L₂为4.3mm，间隔S₂为0.4mm。端口1馈入耦合线1的端口线的转角处切去直角三角形，直角三角形纵向长度W₀为0.6mm，横向长度L₀为4.33mm。整个电路的尺寸大小为12.90mm×2.10mm。

图7为本实施例的匹配、隔离、耦合以及传输系数的仿真结果示意图，即S参数仿真结果示意图。在低频2.24GHz，回波损耗(匹配)|S₁₁|为-54.85dB，回波损耗|S₁₁|小于-15dB的范围是1.93GHz至2.56GHz，隔离|S₂₁|为-41.21dB，隔离|S₂₁|小于-15dB的范围是1.97GHz至2.54GHz。耦合|S₄₁|为-3.19dB，传输|S₃₁|为-3.17dB，功分比k_L(|S₃₁|/|S₄₁|)为1.004。

在高频3.51GHz，回波损耗|S₁₁|为-29.455dB，回波损耗|S₁₁|小于-15dB的范围是3.25GHz至3.56GHz，隔离|S₃₁|为-27.353dB，隔离|S₃₁|小于-15dB的范围是3.08GHz至3.55GHz。|S₄₁|为-2.158dB，|S₂₁|为-5.025dB，功分比k_H(|S₂₁|/|S₄₁|)为0.72。

以上数据反映了本发明实施例所提供的双频耦合器在低频和高频两个频段内都具有较好的回波损耗和隔离性能，且在低频和高频的功分比不同，均可实现较高的耦合度，带宽性能良好，功能强大，性能优良。

图8为第二个具体实施例的输出相位差的仿真结果示意图。在低频2.24GHz，端口2为隔离端口，端口4与端口3的输出相位差∠S₄₁-∠S₃₁为89.92°。在1.93GHz至2.56GHz的通带范围内，相位差在85.34°至93.21°的范围内，波段内相位差在90°左右波动，且波动范围极小。

在高频3.51GHz，端口3为隔离端口，端口4为耦合端口，端口2为直通端口，端口4与端口2的输出相位差∠S₄₁-∠S₂₁为90.737°。在3.25GHz至3.56GHz的通带范围内，相位差在90.53°至94.92°的范围内，波段内相位差在90°左右波动，且波动范围极小。

以上数据反映了本发明实施例所提供的双频耦合器在低频和高频两个频段范围内的相位差在90°左右波动，相位差性能平滑。

本发明实施例提出一种低频横跨和高频反向双频定向耦合器，可以实现电路结构复用，在低频和高频分别实现两种不同类型的耦合器，在低频为横跨定向耦合器，在高频为反向定向耦合器，由此可以实现耦合器端口功能的扩展，低频横跨定向耦合器还可以提供直流阻塞功能。另外，该双频定向耦合器在低频和高频分别具有独立的功分比，可以实现高耦合度，还兼具相位差平滑、尺寸小和结构简单的特点。

总之，本发明实施例提供的一种低频横跨和高频反向多功能复用的双频定向耦合器，可以实现对同一耦合器电路结构的复用，在低频和高频分别实现两种不同类型的耦合器，在低频工作时为横跨耦合器，在高频工作时为反向耦合器，其中横跨耦合器可以提供直流阻塞的功能，便于与交流电路连接。该耦合器可以在一定的频率比范围内实现双频耦合器性能，低频横跨耦合器和高频反向耦合器的功分比独立可调，且在两个频率均可实现强耦合度。在工作频带内，匹配和隔离都非常良好，插入损耗较小，且带宽满足要求，在可实现的带宽范围内，相位差特性平滑。由于在低频时该耦合器为横跨耦合器，端口2为隔离端口，高频时为反向耦合器，端口3为隔离端口，所以可以实现耦合器端口功能的扩展，分别在端口2和端口3连接工作在不同频段的电路，增加电路连接的数目，便于为工作在不同频段的电路提供功率。本发明实施例提供的电路结构尺寸很小，结构简单，因此易于加工集成，电路结构平面化，可采用单层电路板加工。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种低频横跨和高频反向多功能复用的双频定向耦合器，其特征在于，所述双频定向耦合器包括多个耦合线组、多个并联的电容器及四个端口；

各耦合线组包括两条耦合线，所述多个耦合线组两两之间首尾串联，且位于两端的两个耦合线组中的四条耦合线分别连接至各端口；

各电容器包括两个接头；相连的两个耦合线组之间设置一个电容器，且该电容器的两个接头分别连接至连接处的两个耦合线；两端的耦合线组和端口之间设置一个电容器，且该电容器的两个接头分别连接至一端耦合线组中的两条耦合线。

2.根据权利要求1所述双频定向耦合器，其特征在于，所述各电容器的容值相等。

3.根据权利要求1所述双频定向耦合器，其特征在于，所述各电容器均为贴片电容器。

4.根据权利要求1所述双频定向耦合器，其特征在于，所述耦合线组为三个，所述电容器为四个。

5.根据权利要求4所述双频定向耦合器，其特征在于，两端的耦合线组具有相同的物理属性，且中间的耦合线组与所述两端的耦合线组具有不同的物理属性。

6.根据权利要求5所述的双频定向耦合器，其特征在于，所述物理属性包括：耦合线组中耦合线的线宽、耦合线组中两条耦合线之间的距离以及耦合线组中耦合线的线长。

7.根据权利要求1所述双频定向耦合器，其特征在于，所述四个端口均为微波高频连接端口。

8.根据权利要求1所述双频定向耦合器，其特征在于，所述双频定向耦合器构建在单层电路板上，所述单层电路板的上表面为由所述多个电容器、所述多个耦合线组及所述四个端口组成的耦合器电路，所述单层电路板的下表面为金属面。

9.根据权利要求1所述双频定向耦合器，其特征在于，所述双频定向耦合器的电路参数为：根据端口约束条件、两个特定频率，基于双频定向耦合器设计原理计算得到的，所述两个特定频率的比值满足预设范围，所述电路参数包括所述耦合线的参数和所述电容器的参数。

10.根据权利要求9所述双频定向耦合器，其特征在于，当所述双频定向耦合器的工作频率为所述两个特定频率中的最小值时，所述双频定向耦合器为横跨耦合器；

当所述双频定向耦合器的工作频率为所述两个特定频率中的最大值时，所述双频定向耦合器为反向耦合器。

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