CN111900523B - 一种超宽带3dB正交定向耦合器电路 - Google Patents

一种超宽带3dB正交定向耦合器电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超宽带3dB正交定向耦合器电路，由n+1个耦合线耦合器构成，其中的n为奇数，结构对称；左侧耦合器由(n‑1)/2个耦合线耦合器级联；右侧耦合器由(n‑1)/2个耦合线耦合器级联；中间节耦合器由两级相同的耦合线耦合器交叉级联。该发明的技术效果为采用多节耦合线耦合器结构拓展带宽，通过交叉级联两级中间节耦合线减弱每一级耦合线耦合强度，从而解决传统多节耦合线耦合器中间节耦合线过紧耦合的问题。该超宽带3dB正交定向耦合器由n+1个耦合线耦合器构成，其中的n为奇数，中间节为两级耦合线耦合器级联，结构对称，输入端口和隔离端口位于同一侧，直通端口和耦合端口位于另一侧，适合于其它电路级联。

Description

一种超宽带3dB正交定向耦合器电路
技术领域
本发明涉及微波无源器件技术领域，特别涉及一种超宽带3dB正交定向耦合器电路。
背景技术
超宽带3dB正交定向耦合器是一种重要的微波无源电路，可以构成功率合成器、功率分配器、移相器、衰减器和矢量调制器等，被广泛应用于在宽带通信、电子对抗系统、微波无线电通信、雷达以及空间通信等电子设备中，其性能对射频微波系统有着巨大影响，因此研究能够用集成电路工艺制造的超宽带3dB正交定向耦合器电路具有重大的应用价值和现实意义。
在传统的定向耦合器结构中，存在以下问题：Lange耦合器由于其结构简单、耦合度强等优点而得到广泛应用，但是由于λ/4长度，其带宽受限。双层耦合线耦合器通过宽边耦合获得强耦合度，但是其四个端口不在一个平面上，不利于与其它电路级联，而且带宽由于λ/4长度也受限。多节耦合线耦合器可以极大地拓展带宽，但是如果期望得到强耦合度，则需要更大的中间节耦合线耦合强度，这有时甚至用集成电路工艺都难以实现。
因此，研究超宽带3dB正交耦合器电路成为急需解决的技术难题，具有重大的应用价值和现实意义。
发明内容
本发明提供一种超宽带3dB正交定向耦合器电路，可以解决上述背景技术中提出的问题。
本发明提供了一种超宽带3dB正交定向耦合器电路，由n+1个耦合线耦合器构成，其中的n为奇数，结构对称；
左侧耦合器由(n-1)/2个耦合线耦合器级联；
右侧耦合器由(n-1)/2个耦合线耦合器级联；
中间节耦合器由两级相同耦合线耦合器交叉级联。
较佳地，左侧的耦合线耦合器级联方式为前一级耦合线耦合器直通端与后一级耦合线耦合器输入端连接，其耦合器耦合系数依次为k1、k2、、、k(n-1)/2。
较佳地，右侧的耦合线耦合器级联方式为前一级耦合线耦合器隔离端与后一级耦合线耦合器耦合端连接，其耦合器耦合系数依次为k(n-1)/2、k(n-3)/2、、、k1。
较佳地，中间节的每一个耦合线耦合器的两条耦合线在中间位置交叉连接，交叉级联方式为前一级耦合线耦合器耦合端和后一级耦合线耦合器输入端连接，前一级耦合线耦合器直通端和后一级耦合线耦合器隔离端连接，每一个耦合器耦合系数为K’。
较佳地，所述超宽带3dB正交定向耦合器电路关于平面AA’对称。
较佳地，所述超宽带3dB正交定向耦合器电路的每一级耦合器电长度均为θ，θ＝π/2。
本发明的有益效果为：
1、该超宽带3dB正交定向耦合器电路，采用多节耦合线耦合器结构拓展带宽，通过交叉级联两级中间节耦合线减弱每一级耦合线耦合强度，从而解决传统多节耦合线耦合器中间节耦合线过紧耦合的问题。
2、该超宽带3dB正交定向耦合器电路，由n+1个耦合线耦合器构成，其中的n为奇数，中间节为两级耦合线耦合器级联，结构对称，输入端口和隔离端口位于同一侧，直通端口和耦合端口位于另一侧，适合于其它电路级联。
附图说明
图1为本发明一种超宽带3dB正交定向耦合器电路原理示意图；
图2为本发明一种超宽带3dB正交定向耦合器电路的两侧节耦合器级联电路原理示意图；
图3为本发明一种超宽带3dB正交定向耦合器电路的中间节耦合器级联电路原理示意图；
图4为本发明一种超宽带3dB正交定向耦合器电路原理图直通/耦合端口幅度不平衡度仿真结果；
图5为本发明一种超宽带3dB正交定向耦合器电路原理图直通/耦合端口相位不平衡度仿真结果；
图6为本发明一种超宽带3dB正交定向耦合器电路原理图隔离度仿真结果；
图7为本发明一种超宽带3dB正交定向耦合器电路原理图各端口回波损耗仿真结果。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
如图1所示，本发明实施例提供的一种超宽带3dB正交定向耦合器电路，由n+1个耦合线耦合器构成，其中的n为奇数，结构对称；
左侧耦合器由(n-1)/2个耦合线耦合器级联；如图2所示，左侧的耦合线耦合器级联方式为前一级耦合线耦合器直通端与后一级耦合线耦合器输入端连接，其耦合器耦合系数依次为k1、k2、、、k(n-1)/2。
右侧耦合器由(n-1)/2个耦合线耦合器级联；如图2所示，右侧的耦合线耦合器级联方式为前一级耦合线耦合器隔离端与后一级耦合线耦合器耦合端连接，其耦合器耦合系数依次为k(n-1)/2、k(n-3)/2、、、k1。
中间节耦合器由两级相同耦合线耦合器交叉级联；如图3所示，中间节的每一个耦合线耦合器的两条耦合线在中间位置交叉连接，交叉级联方式为前一级耦合线耦合器耦合端和后一级耦合线耦合器输入端连接，前一级耦合线耦合器直通端和后一级耦合线耦合器隔离端连接，每一个耦合器耦合系数为K’。
所构成的超宽带3dB正交定向耦合器电路的端口定义如图1所示，而且，每一级耦合器电长度均为θ，θ＝π/2。
原理：所述超宽带3dB正交定向耦合器电路结构对称，关于平面AA’对称，耦合端口和直通端口分别由偶模网络的反射系数和传输系数决定，即
|S12|2＝|γe|2
|S14|2＝|τe|2
因为网络是无耗的，所以
|γe|2+|τe|2＝1
为确保两个输出相位正交，耦合器必须对称。分析表明，对于n节级联耦合器，传输系数可表示为
Figure BDA0002617033370000041
在一个对称网络中，上式实现的充要条件是Pn是关于sinθ的n阶多项展开式。
所述的超宽带3dB正交定向耦合器电路的基本思想是两级级联耦合器产生和一级耦合器相同的耦合度，耦合系数的关系是：
Figure BDA0002617033370000042
其中，k′2等效的一级耦合器功率耦合系数，k2是两级级联耦合器功率耦合系数。
所述的n节超宽带耦合器通过将过紧耦合的中间节单级耦合器替换成等效的两级交叉级联耦合器，每一级耦合器具有较小的耦合系数。该耦合器耦合端口响应由偶模网络的传输系数决定，而传统的多节耦合线耦合器的耦合端口响应由偶模网络的反射系数决定，因此所提出的耦合器与传统的多节耦合线耦合器的各节元件参数值完全不同。所提出的耦合器耦合系数可以表示为：
Figure BDA0002617033370000051
一个对称网络实现该表达式的充要条件是P1+n是关于sinθ的n阶多项展开式。可以根据上述公式数值求解求得n节耦合器各级耦合度，进一步确定物理参数。
采用本结构和公式设计的一种超宽带3dB正交定向耦合器电路原理图直通/耦合端口幅度不平衡度仿真结果如图4所示，直通/耦合端口相位不平衡度仿真结果如图5所示，隔离度仿真结果如图6所示，各端口回波损耗仿真结果如图7所示。该超宽带3dB正交定向耦合器的中间节过紧耦合的耦合线耦合器由两级相同的较弱耦合的耦合线耦合器交叉级联代替，可以由集成电路工艺或标准PCB工艺实现。
技术效果：该超宽带3dB正交定向耦合器电路，采用多节耦合线耦合器结构拓展带宽，通过交叉级联两级中间节耦合线减弱每一级耦合线耦合强度，从而解决传统多节耦合线耦合器中间节耦合线过紧耦合的问题。该超宽带3dB正交定向耦合器电路，由n+1个耦合线耦合器构成，其中的n为奇数，中间节为两级耦合线耦合器级联，结构对称，输入端口和隔离端口位于同一侧，直通端口和耦合端口位于另一侧，适合于其它电路级联。
以上公开的仅为本发明的具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种超宽带3dB正交定向耦合器电路，其特征在于：由n+1个耦合线耦合器构成，其中的n为奇数，结构对称；
左侧耦合器由(n-1)/2个耦合线耦合器级联：左侧的耦合线耦合器级联方式为前一级耦合线耦合器直通端与后一级耦合线耦合器输入端连接，其耦合器耦合系数依次为k1、k2、......、k(n-1)/2；
右侧耦合器由(n-1)/2个耦合线耦合器级联：右侧的耦合线耦合器级联方式为前一级耦合线耦合器隔离端与后一级耦合线耦合器耦合端连接，其耦合器耦合系数依次为k(n -1)/2、k(n-3)/2、……、k1；
中间节耦合器由两级相同耦合线耦合器交叉级联：中间节的每一个耦合线耦合器的两条耦合线在中间位置交叉连接，交叉级联方式为前一级耦合线耦合器耦合端和后一级耦合线耦合器输入端连接，前一级耦合线耦合器直通端和后一级耦合线耦合器隔离端连接，每一个耦合器耦合系数为K’。
2.如权利要求1所述的一种超宽带3dB正交定向耦合器电路，其特征在于，所述超宽带3dB正交定向耦合器电路关于平面AA’对称。
3.如权利要求1所述的一种超宽带3dB正交定向耦合器电路，其特征在于，所述超宽带3dB正交定向耦合器电路的每一级耦合器电长度均为θ，θ＝π/2。
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