CN112272900B - 螺旋超宽带微带正交定向耦合器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及微波工程领域，更具体的，涉及由两条耦合线组成的波导型耦合器件。本发明可用作用于薄膜集成高频单元(如分离器/加法器电路)、UHF功率放大器、耦合器、射频多路复用器、移相器、滤波器以及用于各种目的的无线器件中的其它单元的硬件部件。本发明的优点在于，提高介电基底的可用面积的利用率，减小器件的整体尺寸，并扩展其工作频带。通过使螺旋超宽带微带正交定向耦合器包含两条电磁耦合微带传输线获得该优点，该耦合器，这些传输线设计为扁平双向螺旋，位于绝缘基底上，所述基底的背侧部分或完全金属化，或悬浮在金属表面上。耦合器与其它类似器件的不同之处在于它的螺旋，所述螺旋的匝数不止一匝，耦合器的一个螺旋围绕共同中心相对于另一个螺旋旋转，而耦合传输线之间的间隙及它们的横截面尺寸是恒定的。

Description

螺旋超宽带微带正交定向耦合器
技术领域
本发明涉及微波工程领域，更具体的，涉及由两条耦合线组成的波导型耦合器件。本发明可用作用于薄膜集成高频单元(如分离器/加法器电路)、UHF功率放大器、耦合器、射频多路复用器、移相器、滤波器以及用于各种目的的无线器件中的其它单元的硬件部件。
背景技术
该技术方案的现实意义是由对通信和雷达系统的高频单元在其宽带、小型化和利用一流技术方面的日益增长的要求决定的。为了满足目前的要求，有必要为超过0.60(超过一个倍频程)的平面定向耦合器和UHF功率分离器/加法器实施可用产品的高输出。
定向耦合器广泛应用于微波工程中。它们主要目的是将一些高频能量从主通路定向耦合到辅助通路。这些器件的特点是，只耦合单向波，即它们耦合在主通路中正向传播的波或反向传播的波。这种器件的工作基于在辅助通路中激发几个波，它们是相移的，使得在所需方向传播的波的振幅干涉，因此相加，而在不希望的方向传播的波相互补偿。换句话说，定向耦合器是包括两段传输线的四分支器件，其中在主传输线(主通路)中传播的电磁波的一部分能量通过耦合元件转到辅助传输线(辅通路)并在该辅助线中沿特定方向传递。根据主辅通路之间的耦合程度，定向耦合器分为两种类型：a)强耦合(耦合小于10分贝)耦合器；b)弱耦合(耦合大于10分贝)耦合器。在3分贝定向耦合器中，如果UHF信号被发送到其输入之一，其功率会在一对预定输出之间平均分配，并且没有将功率提供给第四分支，称为“隔离”或"解耦"分支(假设所有输出都加载到匹配的负载)。应该指出的是，这样的3分贝定向耦合器的一对输出(功率在其之间分配)也共享去耦电路。
为了减小定向耦合器的尺寸并在其中最大化地使用一流技术，基于微带线设计这种耦合器，即非对称带状传输线，用于在空气中传输电磁波，或者通常在介电介质(基底)中，沿着两个或更多成形为薄条和板的导体传输电磁波。这些线称为“微带”，是因为由于基底的高介电磁导率，基底的厚度和带的横截面尺寸远小于自由空间中的波长。在微带线中，准TEM波传播，并且电场力线不仅在电介质内通过，而且在电介质外部通过。微带线和基于微带线的各种器件的优势还应该包括使用印刷电路板、混合和薄膜集成微电路技术使生产工艺自动化的能力。
现有技术：图1所示的微带定向耦合器已经在(Maloratskiy L.G.,Yavich L.R.的“基于带线的UHF元件的设计和计算”，莫斯科，“Sovetskoye Radio”出版社，1972年，图2.14,6)中描述。耦合器包含两条电磁耦合线，这两条电磁耦合线彼此平行地形成在介电基底上。这里考虑的耦合器的特点是，分支的输出3和2处的电场强度矢量之间的相移为90°。因此这种耦合器称为正交耦合器。可以使用薄膜技术在“Polycore”，“22XC”等基底上制造耦合器。耦合器的带宽由可达到的耦合因数确定，该耦合因数的值取决于介电基底一侧上形成的电磁耦合微带线之间的间隙。对于相对介电常数εГ＝10的"Polycore"型陶瓷，路径波电阻ρ0＝50欧姆，因数不超过0.5，对应于6dB的对数水平。由于其宽带，所述耦合器特征在于带宽为22-25％的频带尺寸，这仅适用于窄带器件。
而且，图2所示的串联微带定向耦合器在(Maloratskiy L.G的“UHF元件和器件的微型化”莫斯科，“Sovetskoye Radio”出版社，1976年，图2.16)中描述。这个耦合器本质上是一个功能单元，包括两个与上文描述相同的微带耦合器。由于这些耦合器的磁极的特定顺序的连接，作者能够实现通频带为60-65％的“串联”微带耦合器。但是，两个组成耦合器发生器不能彼此直接电磁连接，因此在实际实施例中，组成耦合器必须布置成彼此隔开显著的距离，因此这种“串联”耦合器相当大，并限制其在微波技术中的使用范围。
图3中示出的串联定向耦合器(Lekhitser A.Y.，Fedosov A.N.“串联定向耦合器和基于它们的单元”，《无线电工业》杂志，莫斯科，2004年，第148-154页，图6)其实最接近本发明。该耦合器实质上是上述的(参见图2)串联耦合器。但是，该耦合器的耦合侧线的长度为零。同时，微带传输线形成为单圈扁平双向螺旋。用跳线从螺旋中心输出信号。在这种耦合器的输入和输出点处，可以安装小电容以减少工作范围界限处的损耗。与上述串联耦合器相比，这样的方案有助于加宽工作带。
然而，串联耦合器已知的设计有一些共同的缺点——它们的工作带通常限制为1.5个倍频程，并且通过减小耦合线之间的间隙而增加耦合线的耦合，会导致输出分支的驻波系数(SWR)变差，并且导致输出分支中心频率处信号振幅的显著差异。
发明内容
本发明的优点在于，提高介电基底的可用面积的利用率，减小器件的整体尺寸，并扩展其工作频带。
通过使螺旋超宽带微带正交定向耦合器包含两条电磁耦合微带传输线获得该优点，该耦合器，这些传输线设计为扁平双向螺旋，位于绝缘基底上，所述基底的背侧部分或完全金属化，或悬浮在金属表面上。耦合器与其它类似器件的不同之处在于它的螺旋，所述螺旋的匝数不止一匝，耦合器的一个螺旋围绕共同中心相对于另一个螺旋旋转，而耦合传输线之间的间隙及它们的横截面尺寸是恒定的。
附图说明
图1示出现有技术的微带定向耦合器；
图2示出现有技术的串联微带定向耦合器；
图3示出现有技术的串联定向耦合器；
图4示出螺旋超宽带微带正交定向耦合器的俯视图；
图5具有形成为双向螺旋的传输线的耦合器的前视图；
图6示出具有形成为双向螺旋的传输线的耦合器的俯视图；
图7示出螺旋耦合器和串联耦合器的传输因数与的频率的交会图；以及
图8示出了加载到匹配载荷的3dB耦合器的分离/相加示意图。
具体实施方式
图1示出微带定向耦合器，其从Maloratskiy L.G.,Yavich L.R.的“基于带线的UHF元件的设计和计算”已知，其中微带线的横截面尺寸为W，且微带线之间的间隙为g。耦合器的引线(分支)如下设计：1-输入，2-耦合输出，3-直接输出，以及4-隔离输出。
图2示出串联微带定向耦合器，其从Maloratskiy L.G.“UHF元件和器件的微型化”已知，其中微带线的横截面尺寸为W，且微带线之间的间隙为g。跳线5用于连接微带线的段。
图3示出串联定向耦合器，其从Lekhitser A.Y.,Fedosov A.N.的“串联定向耦合器和基于它们的单元”已知，其中微带传输线形成为一圈扁平双向螺旋。跳线5用于从螺旋中心输出信号。
图4示出螺旋超宽带微带正交定向耦合器的俯视图，其中传输线形成为双向螺旋，耦合线的横截面尺寸W为恒定的，耦合线之间的间隙g为恒定的，平面线的弯折角度为45度。跳线5用于从螺线的中心输出信号。该图示出了主要耦合区域：K1和K2，其中每个区域具有三条耦合线；以及K3和K4，其中每个区域具有四条耦合线。
图5具有形成为双向螺旋的传输线的耦合器的前视图，其中耦合线具有恒定的横截面尺寸，并且耦合线之间的间隙恒定，平面线的弯折角度为45度。耦合的传输线位于介电基底的一侧，基底的另一侧被金属化。
图6示出具有形成为双向螺旋的传输线的耦合器的俯视图，其中耦合线具有恒定的的横截面尺寸W，并且耦合线之间的间隙g恒定，平面线曲线地弯折。跳线5用于从螺旋中心输出信号。
图4至图6中所示的形成耦合线的方式不是穷尽的。因此，例如，双向螺旋可以由沿整个长度弯曲的平面线形成。
图7示出在分离/相加中，被加载到50欧姆的、具有恒定的耦合的传输线的横截面尺寸以及它们之间的间隙(具有规则结构)的螺旋耦合器和串联耦合器的传输因数与的频率的交会图。
图8示出了加载到匹配载荷的3dB耦合器6的分离/相加示意图。
定向耦合器的设计是基于使用两个电磁连接的微带传输线，形成一个平面的双向螺旋的形式，匝数多于一个，而一个螺旋相对于另一个螺旋围绕它们的共同中心旋转。如图4和6所示，跳线5(导线、箔片、混合的或任何其它跳线)可用于从螺旋中心输出信号。
本质上，这种耦合器是耦合线的多个段的串联连接，这是扩展串联定向耦合器的工作频带的已知方法之一(耦合线的串联连接描述于：Meshchanov V.P.，Feldstein A.L."UHF定向耦合器的自动设计"，"Svyaz"出版社，莫斯科，1980，p.96-97)。因此，例如，图4显示了耦合器连接的四个主要耦合区域，其中传输线由双向螺旋的线性段形成，其中耦合线的横截面尺寸W和它们之间的间隙g恒定，平面线的弯折角度为45度。耦合区域K1和K2各自具有三条耦合线，区域KZ和K4各自具有四条耦合线。与具有两个耦合级联的传统串联耦合器相比，在这种耦合器中具有不同耦合水平的四个区域的级联连接可以显着扩展其工作频带(高达2.5倍频程)。
图7示出针对三种类型的1-6Hz 3dB耦合器的估计的分离/相加损耗可能性图，其一个分支被加载到匹配负载。分离/相加测量的示意图在图8中提供。
由于将电磁耦合线盘绕成螺旋形，因此耦合器比原型至少减小了2到3倍(尺寸的减小与双向螺旋的匝数成反比)，从而显著提高了基底有用面积的利用率。
因此，该技术方案的基本特征是显著扩展耦合器的工作频率范围，因此减小其尺寸并提高基底有用面积的利用率，从而确保实现本发明的优点。

Claims (1)

1.一种螺旋超宽带微带正交定向耦合器，包括两条电磁耦合的微带传输线，所述微带传输线设计为位于单层的介电基底上的扁平的双向螺旋，所述介电基底的背侧被完全金属化或悬浮在金属表面上，其特征在于，所述双向螺旋多于一圈，耦合器的一个螺旋相对于另一个螺旋绕共同中心旋转，耦合的传输线之间的间隙及耦合的传输线的横截面尺寸是恒定的，一条微带传输线的输入和输出设置于一侧，另一条微带传输线的输入和输出设置于相反的另一侧。
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