CN112366436B - 一种具有宽带通响应的滤波型横跨定向耦合器及设计方法 - Google Patents

一种具有宽带通响应的滤波型横跨定向耦合器及设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开了一种具有宽带通响应的滤波型横跨定向耦合器及设计方法，其包括：平行耦合线、并联开路线、串联传输线和四个匹配端口；其中，平行耦合线包括两段平行耦合线、三段电容加载平行耦合线；所述两段平行耦合线分别包括两个耦合线，三段电容加载平行耦合线分别包括两个耦合线和设置在耦合线之间的集总电容，并联开路线包括四个并联开路线；所述串联传输线包括四个串联传输线；本发明通过设置并联开路线的阻抗值，在通带外可以产生两个传输零点，形成阻带，并联开路线的特性阻抗越小阻带越宽；本发明可以通过调节所述串联传输线的特性阻抗，可以改变通带带宽范围。基于上述方法，本发明可以实现宽频带、滤波，和任意的功分比。

Description

一种具有宽带通响应的滤波型横跨定向耦合器及设计方法
技术领域
本发明涉及滤波耦合器领域，尤其涉及一种具有宽带通响应的滤波型横跨定向耦合器及设计方法。
背景技术
随着世界经济水平的快速发展，无线通信系统尤其是移动终端设备小型化、集成化的需求也越来越明显。耦合器作为无线通信系统重要的一个组成成分，具有信号分配、信号传输、信号隔离等重要的功能。例如，在射频收发信机系统中，耦合器作为连接器进行信号传输的同时可以将信号送入仪表盘等显示器件，方便研究人员进行判读。但一个微波波段射频信号的发射与接收往往伴随着许许多多的杂波分量，这会造成信号质量的严重下降，此时滤波型耦合器在维持耦合器原有的功能基础上，可以实现带外杂波抑制，而且将耦合器和滤波器功能融合在一起的滤波型耦合器有利于系统设备小型化、集成化发展。
由于平行耦合线定向耦合器无法实现紧耦合，限制了其在无线通信系统中的广泛应用，故而现有的研究大多数都是基于双分支耦合器结构和环形耦合器结构，通带较窄，无法满足现在社会通信系统宽带的需求；有较少的研究实现了宽带滤波耦合器，但是往往体积较大、结构复杂、加工制作成本较高。跨定向耦合器虽然可以实现紧耦合，且具有低成本、易加工、体积小等优点，但是现有的横跨定向耦合器不能实现宽通带以及滤波效应，进一步限制了其应用；
若设计一种可实现宽通带以及滤波效应的横跨定向耦合器，则可以其降低制作困难度，有利于其在低成本多应用无线通信系统中得到广泛推广。
发明内容
基于此，为解决现有技术所存在的不足，特提出了一种具有宽带通响应的滤波型横跨定向耦合器，包括：平行耦合线、并联开路线、串联传输线和四个匹配端口；
其中，所述平行耦合线包括第一段平行耦合线、第二段电容加载平行耦合线、第三段电容加载平行耦合线、第四段电容加载平行耦合线、第五段平行耦合线；所述第一段平行耦合线包括第一耦合线和第二耦合线，所述第二段电容加载平行耦合线包括第三耦合线、第四耦合线和设置在第三耦合线、第四耦合线之间的第一集总电容，所述第三段电容加载平行耦合线包括第五耦合线、第六耦合线和设置在第五耦合线、第六耦合线之间的第二集总电容，所述第四段电容加载平行耦合线包括第七耦合线、第八耦合线和设置在第七耦合线、第八耦合线之间的第三集总电容，所述第五段平行耦合线包括第九耦合线和第十耦合线；
所述并联开路线包括第一并联开路线、第二并联开路线、第三并联开路线和第四并联开路线；所述串联传输线包括第一串联传输线、第二串联传输线、第三串联传输线和第四串联传输线；所述第一并联开路线与第一耦合线连接，并通过第一串联传输线连接匹配端口；所述第二并联开路线与第二耦合线连接，并通过第二串联传输线连接匹配端口；所述第三并联开路线与第九耦合线连接，并通过第三串联传输线连接匹配端口；所述第四并联开路线与第十耦合线连接，并通过第四串联传输线连接匹配端口。
可选的，在其中一个实施例中，所述平行耦合线具有相同的奇偶模特性阻抗，所述第一段平行耦合线和第五段平行耦合线电长度相同，所述第二段电容加载平行耦合线、第三段电容加载平行耦合线和第四段电容加载平行耦合线电长度相同，所述第一并联开路线、第二并联开路线、第三并联开路线和第四并联开路线电长度和特性阻抗相同；所述第一串联传输线、第二串联传输线、第三串联传输线和第四串联传输线电长度和特性阻抗相同；所述第一集总电容、第二集总电容和第三集总电容具有相同的电容值。
此外，为解决传统技术存在的不足，还提出了一种具有宽带通响应的滤波型横跨定向耦合器的设计方法。包括：
S1、构造如上述方案所述的滤波型横跨定向耦合器电路结构；
S2、依据设计要求配置滤波型横跨定向耦合器对应的设计参数，所述设计参数至少包括：中心频率、耦合度以及耦合系数；
S3、获取平行耦合线的偶模特性阻抗以及平行耦合线的电长度；
S4、获取平行耦合线的奇模特性阻抗、第一集总电容、第二集总电容和第三集总电容各自的电容值；
S5、根据所述中心频率，获取并联开路线的电长度和特性阻抗；
S6、根据所述中心频率，获取串联开路线的电长度和特性阻抗。
可选的，在其中一个实施例中，S3中，获取平行耦合线的偶模特性阻抗以及平行耦合线的电长度的步骤包括：
S31、给定第二段电容加载平行耦合线12、第三段电容加载平行耦合线13和第四段电容加载平行耦合线14各自的电长度θ0；
S32、以第一段平行耦合线11和第五段平行耦合线15的电长度θ4为自由变量，建立平行耦合线的偶模特性阻抗Ze与θ4的关系表达式，所述关系表达式为：
Figure BDA0002753371370000031
其中，
Figure BDA0002753371370000032
A2＝Z3Y2tan(θ2)+tan(θ3)
Figure BDA0002753371370000033
Figure BDA0002753371370000034
Y2＝1/Z2，Ye＝1/Ze。
可选的，在其中一个实施例中，S4中，获取平行耦合线的奇模特性阻抗、第一集总电容、第二集总电容和第三集总电容各自的电容值的步骤包括：
S41、以第一集总电容、第二集总电容和第三集总电容各自的电容值C1为自由变量，建立平行耦合线的奇模特性阻抗Zo与C1的关系表达式，所述关系表达式为：
Figure BDA0002753371370000041
其中，Z0是匹配端口的阻抗值；
B1＝D1Z3(1-Z3Y2tan(θ2)tan(θ3))
B2＝D1Z3(tan(θ3)+Z3Y2tan(θ2))
其中
Figure BDA0002753371370000042
Figure BDA0002753371370000043
实施本发明实施例，将具有如下有益效果：
1.本发明可以实现宽频带、滤波，和任意的功分比。
2.本发明还具有结构简单、体积小、固有隔直等优点。
3.本发明提供的具有宽带通响应的滤波型横跨定向耦合器便于加工，有利于在低成本多应用无线通信系统中得到广泛推广。
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。
其中：
图1是本发明所述具有宽带通响应的滤波型横跨定向耦合器的结构图；
图2是本发明所述具有宽带通响应的滤波型横跨定向耦合器的偶-偶模等效电路图；
图3是本发明所述具有宽带通响应的滤波型横跨定向耦合器的偶-奇模等效电路图；
图4是本发明所述具有宽带通响应的滤波型横跨定向耦合器的奇-偶模等效电路图；
图5是本发明所述具有宽带通响应的滤波型横跨定向耦合器的奇-奇模等效电路图；
图6是本发明所述具有宽带通响应的滤波型横跨定向耦合器S参数曲线图；
图7是本发明所述具有宽带通响应的滤波型横跨定向耦合器输出端口相位差图；
其中，图中各附图标记为：11、第一段平行耦合线，12、第二段电容加载平行耦合线，13、第三段电容加载平行耦合线，14、第四段电容加载平行耦合线，15、第五段平行耦合线，111、第一耦合线，112、第二耦合线，121、第三耦合线，122、第四耦合线，131、第五耦合线，132、第六耦合线，141、第七耦合线，142、第八耦合线，151、第九耦合线、152、第十耦合线，21、第一并联开路线，22、第二并联开路线，23、第三并联开路线，24、第四并联开路线，31、第一串联传输线，32、第二串联传输线，33、第三串联传输线，34、第四串联传输线，123、第一集总电容，133、第二集总电容，143、第三集总电容。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。可以理解，本发明所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。举例来说，在不脱离本申请的范围的情况下，可以将第一元件称为第二元件，且类似地，可将第二元件为第一元件。第一元件和第二元件两者都是元件，但其不是同一元件。
在本实施例中，特提出了一种具有宽带通响应的滤波型横跨定向耦合器，如图1所示，该方法包括：平行耦合线、并联开路线、串联传输线和四个匹配端口；优选地，四个匹配端口的阻抗值是50欧姆。
其中，所述平行耦合线包括第一段平行耦合线11、第二段电容加载平行耦合线12、第三段电容加载平行耦合线13、第四段电容加载平行耦合线14、第五段平行耦合线15；所述第一段平行耦合线11包括第一耦合线111和第二耦合线112，所述第二段电容加载平行耦合线12包括第三耦合线121、第四耦合线122和设置在第三耦合线121、第四耦合线122之间的第一集总电容123，所述第三段电容加载平行耦合线(13)包括第五耦合线131、第六耦合线132和设置在第五耦合线131、第六耦合线132之间的第二集总电容133，所述第四段电容加载平行耦合线14包括第七耦合线141、第八耦合线142和设置在第七耦合线141、第八耦合线142之间的第三集总电容143，所述第五段平行耦合线15包括第九耦合线151和第十耦合线152；
所述并联开路线包括第一并联开路线21、第二并联开路线22、第三并联开路线23和第四并联开路线24；所述串联传输线包括第一串联传输线31、第二串联传输线32、第三串联传输线33和第四串联传输线34；所述第一并联开路线21与第一耦合线111连接，并通过第一串联传输线31连接匹配端口；所述第二并联开路线22与第二耦合线112连接，并通过第二串联传输线32连接匹配端口；所述第三并联开路线23与第九耦合线151连接，并通过第三串联传输线33连接匹配端口；所述第四并联开路线24与第十耦合线152连接，并通过第四串联传输线34连接匹配端口。
本发明通过设置并联开路线的阻抗值，在通带外可以产生两个传输零点，形成阻带，且并联开路线的特性阻抗越小阻带越宽；本发明可以通过调节所述串联传输线的特性阻抗，来改变通带带宽范围。基于上述方案，本发明可以实现宽频带、滤波(本案具有带通滤波特性，其通带范围内可传输信号，使其通带两侧具有滤波效果)，和任意的功分比。进而本发明实现了横跨定向耦合器的结构的简化、体积的缩小，便于加工，成本较低的效果。
进一步地，所述平行耦合线具有相同的奇偶模特性阻抗。具体阻抗值依据电路设计需要设定即可。
进一步地，所述第一段平行耦合线11和第五段平行耦合线15电长度相同，所述第二段电容加载平行耦合线12、第三段电容加载平行耦合线13和第四段电容加载平行耦合线14电长度相同，所述第一并联开路线21、第二并联开路线22、第三并联开路线23和第四并联开路线24电长度和特性阻抗相同；所述第一串联传输线31、第二串联传输线32、第三串联传输线33和第四串联传输线34电长度和特性阻抗相同；所述第一集总电容123、第二集总电容133和第三集总电容143具有相同的电容值。
同时本发明还提供了一种具有宽带通响应的滤波型横跨定向耦合器的设计方法，包括如下步骤：
S1、构造如上述方案所述的滤波型横跨定向耦合器电路结构；
S2、依据设计要求配置滤波型横跨定向耦合器对应的设计参数，所述设计参数至少包括：中心频率、耦合度以及耦合系数；
具体来说，本实施例中的中心频率为2.4GHz，耦合度为3dB，对应的耦合系数k是0.707；其中，所述耦合线的耦合系数为k与功分比之间的关系式为
Figure BDA0002753371370000071
并基于此公式实现两个输出端口之间任意的功率分配比计算过程。
基于所构造的滤波型横跨定向耦合器，利用奇偶模分析法获得其对应的设计参数，具体的计算过程包括：
首先、将本实施例所示耦合器四端口网络转化为四个单端口网络，计算电路参量：偶模激励下横跨定向耦合器对称面上电流为零，等效为开路。奇模激励下横跨定向耦合器对称面上电压为零，等效为短路。基于上述方案，可以得到四个等效电路，分别为横跨定向耦合器等效的偶-偶模等效电路、横跨定向耦合器等效的偶-奇模等效电路、横跨定向耦合器等效的奇-偶模等效电路、横跨定向耦合器等效的奇-奇模等效电路；
其中一个实施例如图2-3所示，分别给出了本发明的横跨定向耦合器等效的偶-偶模等效电路和横跨定向耦合器等效的偶-奇模等效电路，Ze是平行耦合线的偶模特性阻抗。Z2是并联开路线的特性阻抗，Z3是串联传输线的特性阻抗，θ0是第二段电容加载平行耦合线、12-第三段电容加载平行耦合线13和第四段电容加载平行耦合线14各自的电长度，θ2是并联开路线的电长度，θ3是串联传输线的电长度，θ4是第一段平行耦合线11和第五段平行耦合线15的电长度。
其中一个实施例如图4-5所示，分别给出了本发明的横跨定向耦合器等效的奇-偶模等效电路和横跨定向耦合器等效的奇-奇模等效电路，Zo是平行耦合线的奇模特性阻抗。Z2是并联开路线的特性阻抗，Z3是串联传输线的特性阻抗，θ0是第二段电容加载平行耦合线、12-第三段电容加载平行耦合线13和第四段电容加载平行耦合线14各自的电长度，θ2是并联开路线的电长度，θ3是串联传输线的电长度，θ4是第一段平行耦合线11和第五段平行耦合线15的电长度，C1是第一集总电容123、第二集总电容133和第三集总电容143各自的电容值。
进一步地，根据图2-5所示的等效电路的输入阻抗，利用横跨定向耦合器的传输特性，基于上述奇偶模分析法对等式进行求解；具体的求解过程为下述S3-S6：
其中，S3、获取平行耦合线的偶模特性阻抗以及平行耦合线的电长度；
进一步地，基于S3中，获取平行耦合线的偶模特性阻抗以及平行耦合线的电长度的步骤包括：
S31、给定第二段电容加载平行耦合线12、第三段电容加载平行耦合线13和第四段电容加载平行耦合线14各自的电长度θ0；
S32、以第一段平行耦合线11和第五段平行耦合线15的电长度θ4为自由变量，建立平行耦合线的偶模特性阻抗Ze与θ4的关系表达式，所述关系表达式为：
Figure BDA0002753371370000091
其中，
Figure BDA0002753371370000092
A2＝Z3Y2tan(θ2)+tan(θ3)
Figure BDA0002753371370000093
Figure BDA0002753371370000094
Y2＝1/Z2，Ye＝1/Ze。
优选地，第二段电容加载平行耦合线12、第三段电容加载平行耦合线13和第四段电容加载平行耦合线14各自的电长度θ0为30°。
S4、获取平行耦合线的奇模特性阻抗、第一集总电容、第二集总电容和第三集总电容各自的电容值；
进一步地，S4中，获取平行耦合线的奇模特性阻抗、第一集总电容、第二集总电容和第三集总电容各自的电容值的步骤包括：
S41、以第一集总电容123、第二集总电容133和第三集总电容143各自的电容值C1为自由变量，建立平行耦合线的奇模特性阻抗Zo与C1的关系表达式，所述关系表达式为：
Figure BDA0002753371370000095
其中，Z0是匹配端口的阻抗值；
B1＝D1Z3(1-Z3Y2tan(θ2)tan(θ3))
B2＝D1Z3(tan(θ3)+Z3Y2tan(θ2))
其中
Figure BDA0002753371370000101
Figure BDA0002753371370000102
ω是角频率；
S5、根据所述中心频率，获取并联开路线的电长度和特性阻抗；具体的，由于并联开路线的作用为在通带两侧产生两个阻带，又根据阻带对通带不产生影响的原则，则得到并联开路线的电长度θ2，进一步的，所述并联开路线的电长度θ2为180°(对应于通带中心频率)；同时按照当前阻带宽度、受阻带影响的通带宽度以及加工制作简便程度，选取合适的并联开路线的特性阻抗Z2即可，同时为了实现更宽的阻带带宽，Z2的值应尽可能小，具体按照设计需要设置。基于上述内容可知，本发明的并联开路线在通带外可以产生两个传输零点，形成阻带，且并联开路线的特性阻抗越小阻带越宽。
S6、根据所述中心频率，获取串联开路线的电长度和特性阻抗。具体的，根据所需通带内中心谐振频率位置，得到串联传输线的电长度θ3；串联传输线产生两个额外的谐振频率，可以提高通带带宽。为了简化分析，假定串联传输线对通带中心频点处的性能没有影响。因此，选取串联传输线的电长度θ3为通带中心频率对应的180°。此处考虑到所需通带频率范围和加工制作难度，需要选取合适的Z3值，具体由所需通带带宽决定Z3的值。基于上述内容可知，本发明的串联传输线改善中心频点外阻抗匹配效果，扩宽通带，即本发明可以通过调节所述串联传输线的特性阻抗来改变通带带宽范围。
进一步地，根据上述设计公式和求解步骤，可以得到该实施例的电路参数的数值，如表1所示。
表1该实施例的具体电路参数数值
Figure BDA0002753371370000111
本发明的实施例采用的技术指标如下：
中心频率：2.4GHz
通带：|S11|≤-10dB
阻带：|S41|<-15dB
隔离度：|S21|≤-15dB
端口输出振幅不平衡度：|AP|≤1dB
输出端口相位差：90°±5°
根据表1该实施例所得的阻抗值、电长度以及集总电容值，可以得到具有宽带通响应的滤波型横跨定向耦合器。如图6所示，本发明提出的具有宽带通响应的滤波型横跨定向耦合器在示例中心频率2.4GHz处，回波损耗|S11|为-17.5dB、隔离端输出|S21|为-17.5dB，耦合端输出|S31|为-3.18dB、直通端输出|S41|为-3.71dB，基于上述数据可知，本发明可以达到具有良好的匹配性能、良好的隔离性能以及功率均等分配的效果。具体的，本发明在频率2GHz到3.03GHz范围内，回波损耗|S11|≤-10dB，计算通带相对带宽为42.9％，可知本发明具有较宽的阻抗带宽；在通带频率范围内|S21|≤-10dB，可知本发明具有较好的端口隔离度；在频率2.2GHz到2.96GHz范围内，其满足端口输出振幅不平衡度：|AP|≤1dB，可知，本发明具有良好的输出振幅平稳性；本发明在频率0.91GHz到1.92GHz范围内(58.3％)、在频率3.3GHz到4.27GHz范围内(40.4％)|S41|<-15dB，可知本发明具有良好的带外滤波的效果。
如图7所示，本发明在示例中心频率2.4GHz处及附近频带1.98GHz到3.06GHz内(45％)，输出端口相位差满足90°±5°，可知，本发明在通带内相位差平稳性良好。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (1)

1.一种具有宽带通响应的滤波型横跨定向耦合器，其特征在于，包括：平行耦合线、并联开路线、串联传输线和四个匹配端口；
其中，所述平行耦合线包括第一段平行耦合线(11)、第二段电容加载平行耦合线(12)、第三段电容加载平行耦合线(13)、第四段电容加载平行耦合线(14)、第五段平行耦合线(15)；所述第一段平行耦合线(11)包括第一耦合线(111)和第二耦合线(112)，所述第二段电容加载平行耦合线(12)包括第三耦合线(121)、第四耦合线(122)和设置在第三耦合线(121)、第四耦合线(122)之间的第一集总电容(123)，所述第三段电容加载平行耦合线(13)包括第五耦合线(131)、第六耦合线(132)和设置在第五耦合线(131)、第六耦合线(132)之间的第二集总电容(133)，所述第四段电容加载平行耦合线(14)包括第七耦合线(141)、第八耦合线(142)和设置在第七耦合线(141)、第八耦合线(142)之间的第三集总电容(143)，所述第五段平行耦合线(15)包括第九耦合线(151)和第十耦合线(152)；
所述并联开路线包括第一并联开路线(21)、第二并联开路线(22)、第三并联开路线(23)和第四并联开路线(24)；所述串联传输线包括第一串联传输线(31)、第二串联传输线(32)、第三串联传输线(33)和第四串联传输线(34)；所述第一并联开路线(21)与第一耦合线(111)连接，并通过第一串联传输线(31)连接匹配端口；所述第二并联开路线(22)与第二耦合线(112)连接，并通过第二串联传输线(32)连接匹配端口；所述第三并联开路线(23)与第九耦合线(151)连接，并通过第三串联传输线(33)连接匹配端口；所述第四并联开路线(24)与第十耦合线(152)连接，并通过第四串联传输线(34)连接匹配端口；
所述平行耦合线具有相同的奇偶模特性阻抗；
所述第一段平行耦合线(11)和第五段平行耦合线(15)电长度相同，所述第二段电容加载平行耦合线(12)、第三段电容加载平行耦合线(13)和第四段电容加载平行耦合线(14)电长度相同，所述第一并联开路线(21)、第二并联开路线(22)、第三并联开路线(23)和第四并联开路线(24)电长度和特性阻抗相同；所述第一串联传输线(31)、第二串联传输线(32)、第三串联传输线(33)和第四串联传输线(34)电长度和特性阻抗相同；所述第一集总电容(123)、第二集总电容(133)和第三集总电容(143)具有相同的电容值。
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