CN112332061A - 一种小型化可阻带选择微带3dB耦合器设计方法 - Google Patents

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CN112332061A CN202010991779.3A CN202010991779A CN112332061A CN 112332061 A CN112332061 A CN 112332061A CN 202010991779 A CN202010991779 A CN 202010991779A CN 112332061 A CN112332061 A CN 112332061A
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Abstract

本发明属于微波射频技术领域，具体涉及一种小型化可阻带选择微带3dB耦合器设计方法。包括如下步骤：根据微带3dB耦合器的实际使用条件，确定所述微带3dB耦合器工作的工作频点f0，以及低通频率范围和阻带范围；根据所述微带3dB耦合器的阻带范围，依据滤波器可对应实现的阻带范围以及尺寸大小，分别对各枝节微带滤波器进行初步选型；通过电学仿真调节微带滤波器参数，使各枝节输入输出阻抗满足要求；通过实物仿真微带滤波器在各枝节的等效电长度，并且分别计算得到各枝节中相应微带线的电长度；进行整体实物仿真。本发明在实现小型化，而且可增加阻带选择功能同时，无需添加额外器件，只需要使用简单的微带分布电路即可，保证了在电路实现中的简便性。

Description

一种小型化可阻带选择微带3dB耦合器设计方法
技术领域
本发明属于微波射频技术领域，具体涉及一种小型化可阻带选择微带3dB耦合器设计方法。
背景技术
微带3dB耦合器由两段电长度为λ/4、特性阻抗为
Figure RE-GDA0002878691790000011
的微带枝节，和两段电长度为λ/4、特性阻抗为Z0的微带枝节组成。运用此方法设计的微带3dB耦合器，微带环形耦合器在3GHz以下频段工作时体积大，而且无法进行阻带选择，实际使用中存在缺陷。
针对该问题，本发明提出了使用微带滤波器配合微带线的新型枝节替代微带3dB耦合器电长度λ/4枝节的方法。此方法的优点是滤波器配合微带线的新型枝节，由于滤波器结构的存在，可对工作频段的阻带选择，相当于在微波射频器件微带3dB耦合器后端串入一个滤波器，实现了滤波器和耦合器设计的融合。由于滤波器的相移，这种采用滤波器的新型枝节在物理上比原有λ/4和3λ/4枝节方案有大大缩短，缩短程度取决于所选滤波器的相移能力。采用此方法设计出的微带3dB耦合器不仅能实现小型化，而且可增加阻带选择功能。
发明内容
本发明的目的是：提出一种解决微带3dB耦合器体积大，无阻带选择的全新设计方法，在实现此功能的同时，无需添加额外器件，只需要使用简单的微带分布电路即可，此方法保证了在电路实现中的简便性。
本发明的技术方案：为了实现上述目的，提出一种新型微带小型化低通3dB耦合器设计方法，采用微带滤波器配合微带线的新型枝节分别等效为电长度为λ/4、特性阻抗为
Figure RE-GDA0002878691790000021
的枝节，和电长度为λ/4、特性阻抗为Z0的枝节，替代原有微带3dB耦合器中的电长度为λ/4、特性阻抗为
Figure RE-GDA0002878691790000022
的枝节，和电长度为λ/4、特性阻抗为Z0的枝节，具体包括：
步骤1：根据微带3dB耦合器的实际使用条件，确定所述微带 3dB耦合器工作的工作频点f0，并确定所述微带3dB耦合器的低通频率范围和阻带范围；所述微带3dB耦合器阻带范围的起始频率大于 1.5f0；
步骤2：确定所述微带3dB耦合器在实际电路板中的面积要求S，采用以下公式计算得到其内部包含的每个枝节的物理长度L：
Figure RE-GDA0002878691790000023
步骤3：根据所述微带3dB耦合器的阻带范围，依据滤波器可对应实现的阻带范围以及尺寸大小，分别对所述微带3dB耦合器中电长度为λ/4，特性阻抗为
Figure RE-GDA0002878691790000024
的枝节以及所述微带3dB耦合器中电长度为λ/4，特性阻抗为Z0的枝节中的微带滤波器进行初步选型；在选型时，所选微带滤波器阻带范围必须满足所述微带3dB耦合器的阻带范围要求，同时，所选微带滤波器的物理长度、宽度均应小于 L/2；
在完成初步选型后，需要对所选微带滤波器进行电学仿真验证，仿真其可实现的阻带范围，如果阻带范围满足所述微带3dB耦合器的阻带范围要求，则进入步骤4；如果不满足要求，则需要重新对微带滤波器选型；
步骤4：通过电学仿真调节微带滤波器参数，使所述微带3dB耦合器中电长度为λ/4，特性阻抗为
Figure RE-GDA0002878691790000031
的枝节的输入阻抗和输出阻抗满足
Figure RE-GDA0002878691790000032
使所述微带3dB耦合器中电长度为λ/4，特性阻抗为Z0的枝节的输入阻抗和输出阻抗满足Z0；如果不满足，则需重新返回步骤3进行微带滤波器选型；
步骤5：对于满足所述步骤3和步骤4电学仿真的微带滤波器，依据所选用电路板材料以及材料厚度计算微带滤波器的物理参数，包括长度、宽度，考虑微带滤波器物理参数能否满足电路板的加工要求，如果满足加工要求，进入步骤6；如果不满足要求，则需重新返回步骤3进行微带滤波器选型；
步骤6：进行实物仿真，所述微带3dB耦合器中电长度为λ/4，特性阻抗为
Figure RE-GDA0002878691790000033
的枝节中的微带滤波器等效电长度为θ1、物理长度为L1、宽度为W1；所述微带3dB耦合器中电长度为λ/4，特性阻抗为Z0的枝节中的微带滤波器等效电长度为θ2、物理长度L2、宽度为 W2；
如图3所示，在电长度为λ/4，特性阻抗为
Figure RE-GDA0002878691790000034
的枝节中，微带滤波器的输入输出阻抗为
Figure RE-GDA0002878691790000035
配套微带线的特性阻抗选择为
Figure RE-GDA0002878691790000036
由特性阻抗和所用电路板板厚可得到微带线宽度为W3；
其中
微带线的电长度θ3计算公式为：θ3＝(90°-θ1)/2 (2)
微带线物理长度L3计算公式为：L3＝θ3/360*C/f0；(3)
其中C是光速，取值为3*108m/s；f0指所述微带3dB耦合器工作的工作频点；
如图4所示，当滤波器在电长度为λ/4，特性阻抗为Z0的枝节使用时，滤波器的输入输出阻抗应为Z0，配套微带线的特性阻抗选择为Z0，由特性阻抗和所用电路板板厚可得到微带线宽度为W4，
其中
微带线的电长度θ4计算公式为：θ4＝(90°-θ2)/2 (4)
微带线的物理长度L4为：L4＝θ4/360*C/f0；(5)
其中C是光速，取值为3*108m/s；f0指所述微带3dB耦合器工作的工作频点；
如果L1+L3<L，并且L2+L4<L，则枝节设计满足要求，进入步骤7；如果不满足，则退回步骤3；
步骤7：将设计的两种枝节更新到微带环形耦合器设计中，对所述微带3dB耦合器进行整体实物仿真，如仿真结果满足所述微带3dB 耦合器低通频率范围和阻带范围要求，则设计完成；如仿真结果有偏差，则对微带线结构部分物理长度进行调整后重新进行整体实物仿真，直到获得满足要求的微带3dB耦合器。
本发明的有益效果：本发明公开了一种可阻带选择微带3dB耦合器的设计方法，使用此方法可有效完成微带3dB耦合器的设计，设计出的耦合器具有可阻带选择，小型化的特点。设计中仅仅采用分布式微带枝节的滤波器，不添加集总器件，不会添加设计成本，在工程应用中有广泛前景。
附图说明
图1是本发明小型化可阻带选择微带3dB耦合器结构示意图；
图2是本发明一种小型化可阻带选择微带3dB耦合器设计方法流程图；
图3是本发明小型化可阻带选择微带3dB耦合器中电长度为λ/4，特性阻抗为
Figure RE-GDA0002878691790000051
枝节结构示意图；
图4是本发明小型化可阻带选择微带3dB耦合器中电长度为λ/4，特性阻抗为Z0枝节结构示意图；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例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。
如图1所示为本发明小型化可阻带选择微带3dB耦合器结构示意图，采用微波电路匹配和等效替代的思想，通过调整匹配关系，采用微带滤波器配合微带线的新型枝节分别等效为电长度为λ/4、特性阻抗为
Figure RE-GDA0002878691790000061
的枝节，和电长度为λ/4、特性阻抗为Z0的枝节，替代原有微带3dB耦合器中的电长度为λ/4、特性阻抗为
Figure RE-GDA0002878691790000062
的枝节，和电长度为λ/4、特性阻抗为Z0的枝节，实现小型化和阻带选择。
如图2所示，一种小型化可阻带选择微带3dB耦合器设计方法流程图，包括：
步骤1：根据微带3dB耦合器的实际使用条件，确定所述微带 3dB耦合器工作的工作频点f0，并确定所述微带3dB耦合器的低通频率范围和阻带范围；所述微带3dB耦合器阻带范围的起始频率大于 1.5f0；
步骤2：确定所述微带3dB耦合器在实际电路板中的面积要求S，采用以下公式计算其内部包含的每个枝节的物理长度L：
Figure RE-GDA0002878691790000063
步骤3：根据所述微带3dB耦合器的阻带范围，依据滤波器可对应实现的阻带范围以及尺寸大小，分别对所述微带3dB耦合器中电长度为λ/4，特性阻抗为
Figure RE-GDA0002878691790000064
的枝节以及所述微带3dB耦合器中电长度为λ/4，特性阻抗为Z0的枝节中的微带滤波器进行初步选型；在选型时，所选微带滤波器阻带范围必须满足所述微带3dB耦合器的阻带范围要求，同时，所选微带滤波器的物理长度、宽度均应小于 L/2；在完成初步选型后，需要对所选微带滤波器采用ADS软件进行电学仿真验证，仿真其可实现的阻带范围，如果阻带范围满足所述微带3dB耦合器的阻带范围要求，则进入步骤4；如果不满足要求，则需要重新对微带滤波器选型；
步骤4：通过电学仿真调节微带滤波器参数，使所述微带3dB耦合器中电长度为λ/4，特性阻抗为
Figure RE-GDA0002878691790000071
的枝节的输入阻抗和输出阻抗满足
Figure RE-GDA0002878691790000072
使所述微带3dB耦合器中电长度为λ/4，特性阻抗为Z0的枝节的输入阻抗和输出阻抗满足Z0；如果不满足，则需重新返回步骤3进行微带滤波器选型；
步骤5：对于满足所述步骤3和步骤4电学仿真的微带滤波器，依据所选用电路板材料以及材料厚度计算微带滤波器的物理参数，包括长度、宽度，考虑微带滤波器物理参数能否满足电路板的加工要求，如果满足加工要求，进入步骤6；如果不满足要求，则需重新返回步骤3进行微带滤波器选型；
步骤6：采用HFSS软件进行实物仿真，所述微带3dB耦合器中电长度为λ/4，特性阻抗为
Figure RE-GDA0002878691790000073
的枝节中的微带滤波器等效电长度为θ1、物理长度为L1、宽度为W1；所述微带3dB耦合器中电长度为λ/4，特性阻抗为Z0的枝节中的微带滤波器等效电长度为θ2、物理长度L2、宽度为W2；
如图3所示，在电长度为λ/4，特性阻抗为
Figure RE-GDA0002878691790000074
的枝节中，微带滤波器的输入输出阻抗为
Figure RE-GDA0002878691790000075
配套微带线的特性阻抗选择为
Figure RE-GDA0002878691790000076
由特性阻抗和所用电路板板厚可得到微带线宽度为W3；
其中
微带线的电长度θ3计算公式为：θ3＝(90°-θ1)/2
微带线物理长度L3计算公式为：L3＝θ3/360*C/f0；
其中C是光速，取值为3*108m/s；f0指所述微带3dB耦合器工作的工作频点；
如图4所示，当滤波器在电长度为λ/4，特性阻抗为Z0的枝节使用时，滤波器的输入输出阻抗应为Z0，配套微带线的特性阻抗选择为Z0，由特性阻抗和所用电路板板厚可得到微带线宽度为W4，
其中
微带线的电长度θ4计算公式为：θ4＝(90°-θ2)/2
微带线的物理长度L4为：L4＝θ4/360*C/f0；
其中C是光速，取值为3*108m/s；f0指所述微带3dB耦合器工作的工作频点；
如果L1+L3<L，并且L2+L4<L，则枝节设计满足要求，进入步骤7；如果不满足，则退回步骤3；
步骤7：将设计的两种枝节更新到微带环形耦合器设计中，采用 HFSS软件对所述微带3dB耦合器进行整体实物仿真，如仿真结果满足所述微带3dB耦合器低通频率范围和阻带范围要求，则设计完成；如仿真结果有偏差，则对微带线结构部分物理长度进行调整后重新进行整体实物仿真，直到获得满足要求的微带3dB耦合器。
采用此方法设计出的微带3dB耦合器能实现小型化，微带3dB 耦合器相比传统耦合器面积缩小比例的计算方法如下。
η＝(L3+L1)(L2+L4)/L2。

Claims (9)

1.一种小型化可阻带选择微带3dB耦合器设计方法，采用微带滤波器与微带线的组合枝节分别等效电长度为λ/4、特性阻抗为
Figure FDA0002689150230000011
的枝节，和电长度为λ/4、特性阻抗为Z0的枝节，其特征在于，具体包括：
步骤1：根据微带3dB耦合器的实际使用条件，确定所述微带3dB耦合器工作的工作频点f0，并确定所述微带3dB耦合器的低通频率范围和阻带范围；
步骤2：根据所述微带3dB耦合器的阻带范围，依据滤波器可对应实现的阻带范围以及尺寸大小，分别对电长度为λ/4、特性阻抗为
Figure FDA0002689150230000012
的枝节所需微带滤波器，和电长度为λ/4、特性阻抗为Z0的枝节所需微带滤波器进行初步选型；
步骤3：通过电学仿真调节微带滤波器参数，使所述微带3dB耦合器中电长度为λ/4，特性阻抗为
Figure FDA0002689150230000013
的枝节的输入阻抗和输出阻抗满足
Figure FDA0002689150230000014
使所述微带3dB耦合器中电长度为λ/4，特性阻抗为Z0的枝节的输入阻抗和输出阻抗满足Z0；
步骤4：通过实物仿真微带滤波器在输入和输出阻抗为
Figure FDA0002689150230000015
枝节的等效电长度θ1，以及微带滤波器在输入和输出阻抗为Z0的等效电长度θ2；并且，分别计算得到各枝节中相应微带线的电长度，从而得到电长度为λ/4、特性阻抗为
Figure FDA0002689150230000016
的微带滤波器与微带线组合枝节、以及电长度为λ/4、特性阻抗为Z0的微带滤波器与微带线组合枝节；
步骤5：将所述步骤4得到的两种枝节更新到所述微带3dB耦合器中，进行整体实物仿真，如果满足所述微带3dB耦合器的低通频率范围和阻带范围的要求，则完成设计。
2.根据权利要求1所述的一种小型化可阻带选择微带3dB耦合器设计方法，其特征在于，所述步骤1中，所述阻带范围要求起始频率大于1.5f0。
3.根据权利要求2所述的一种小型化可阻带选择微带3dB耦合器设计方法，其特征在于，在所述步骤1和所述步骤2之间还包括如下步骤：确定所述微带3dB耦合器在实际电路板中的面积要求S，采用以下公式(1)计算得到其内部包含的每个枝节的物理长度L：
Figure FDA0002689150230000021
4.根据权利要求3所述的一种小型化可阻带选择微带3dB耦合器设计方法，其特征在于，所述步骤2中，在选型时，所选微带滤波器阻带范围必须满足所述微带3dB耦合器的阻带范围要求；同时，所选微带滤波器的物理长度、宽度均应小于L/2。
5.根据权利要求4所述的一种小型化可阻带选择微带3dB耦合器设计方法，其特征在于，所述步骤2中，在完成初步选型后，需要对所选微带滤波器进行电学仿真验证，仿真其可实现的阻带范围，如果阻带范围满足所述微带3dB耦合器的阻带范围要求，则进入所述步骤3；如果不满足要求，则需要重新对微带滤波器选型。
6.根据权利要求5所述的一种小型化可阻带选择微带3dB耦合器设计方法，其特征在于，在所述步骤3和步骤4之间还包括如下步骤：依据所选用电路板材料以及材料厚度计算微带滤波器的物理参数，包括长度、宽度；考虑微带滤波器物理参数能否满足电路板的加工要求，如果满足加工要求，进入所述步骤4；如果不满足要求，则需重新返回所述步骤2进行微带滤波器选型。
7.根据权利要求6所述的一种小型化可阻带选择微带3dB耦合器设计方法，其特征在于，所述步骤4中，在电长度为λ/4，特性阻抗为
Figure FDA0002689150230000022
的枝节中，微带滤波器的输入输出阻抗为
Figure FDA0002689150230000023
配套微带线的特性阻抗选择为
Figure FDA0002689150230000024
按照以下公式(2)计算微带线的电长度θ3：
θ3＝(90°-θ1)/2 (2)
按照以下公式(3)计算微带线物理长度L3：
L3＝θ3/360*C/f0 (3)
其中C是光速，取值为3*108m/s；f0指所述微带3dB耦合器工作的工作频点；在电长度为λ/4，特性阻抗为Z0的枝节中，滤波器的输入输出阻抗应为Z0，配套微带线的特性阻抗选择为Z0，
按照以下公式(4)计算微带线的电长度θ4：
θ4＝(90°-θ2)/2 (4)
按照以下公式(5)计算微带线的物理长度L4：
L4＝θ4/360*C/f0 (5)
其中C是光速，取值为3*108m/s；f0指所述微带3dB耦合器工作的工作频点。
8.根据权利要求7所述的一种小型化可阻带选择微带3dB耦合器设计方法，其特征在于，如果L1+L3<L，并且L2+L4<L，则进入所述步骤5；如果不满足，则需重新返回所述步骤2进行微带滤波器选型。
9.根据权利要求6所述的一种小型化可阻带选择微带3dB耦合器设计方法，其特征在于，所述步骤5中，如不满足所述微带3dB耦合器的低通频率范围和阻带范围的要求，可对各枝节中微带线物理长度进行调整后重新实物仿真。
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