CN112563712A - 一种具有谐波抑制功能的端接复阻抗定向耦合器及设计方法 - Google Patents

一种具有谐波抑制功能的端接复阻抗定向耦合器及设计方法 Download PDF

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CN112563712A CN202011378879.5A CN202011378879A CN112563712A CN 112563712 A CN112563712 A CN 112563712A CN 202011378879 A CN202011378879 A CN 202011378879A CN 112563712 A CN112563712 A CN 112563712A
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Abstract

本发明实施例公开了一种具有谐波抑制功能的端接复阻抗定向耦合器及设计方法，其包括：平行耦合线，并联开路线，跨接电感，两个输入端口和两个等复阻抗输出端口；平行耦合线包括第一耦合线、第二耦合线、第三耦合线和第四耦合线；并联开路线包括第一段并联开路线和第二段并联开路线；跨接电感包括第一电感、第二电感和第三电感；第一耦合线与第三耦合线相连，第二耦合线与第四耦合线相连；第一段并联开路线分别与第一耦合线、第二电感、第三耦合线相连，第二段并联开路线分别与第二耦合线、第二电感、第四耦合线相连，第一电感跨接于第一耦合线与第二耦合线之间；第三电感跨接于第三耦合线与第四耦合线之间。本发明可以实现抑制寄生谐波、减小系统体积的功能。

Description

一种具有谐波抑制功能的端接复阻抗定向耦合器及设计方法
技术领域
本发明属于电子技术领域，涉及一种微波器件，具体为一种具有谐波抑制功能的端接复阻抗定向耦合器及设计方法。
背景技术
定向耦合器作为一种微波/毫米波器件，可以用来分配或合成微波信号功率，常被应用于监视功率、频率和频谱，提取信号，源输出功率稳幅、传输和反射的扫频测试等。微带定向耦合器是一种可以由印制电路板技术实现的平面定向耦合器，特点是体积小、易集成。
随着现代无线通信技术的出现，对通信系统的质量和体积要求逐渐升高。目前常见的两种减小系统体积的方法分别是：减小每个元件本身的尺寸和控制元件的终端阻抗。终端阻抗一般为任意实数值，但功率放大器和天线的输入阻抗不总是实数。如果将耦合器终端阻抗设置为复数值，则系统体积将更小。同时，因为分布元件固有的寄生谐波，可能会干扰或降低系统的性能，若定向耦合器可实现输出端接复阻抗并具有固有的谐波抑制功能，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，特提出了一种具有谐波抑制功能的端接复阻抗定向耦合器，包括平行耦合线，并联开路线，跨接电感，两个输入端口和两个等复阻抗输出端口；
其中，平行耦合线包括第一段平行耦合线和第二段平行耦合线；所述第一段平行耦合线包括第一耦合线和第二耦合线；所述第二段平行耦合线包括第三耦合线和第四耦合线；所述并联开路线包括第一段并联开路线和第二段并联开路线；所述跨接电感包括第一电感、第二电感和第三电感；
所述第一耦合线与第三耦合线相连，所述第二耦合线与第四耦合线相连；所述第一段并联开路线分别与第一耦合线、第二电感、第三耦合线相连，第二段并联开路线分别与第二耦合线、第二电感、第四耦合线相连，所述第一电感跨接于第一耦合线与第二耦合线之间；所述第三电感跨接于第三耦合线与第四耦合线之间。
可选地，在其中一个实施例中，所述第一段平行耦合线与第二段平行耦合线电长度相同；所述第一段并联开路线与第二段并联开路线参数相同；所述第一电感、第二电感和第三电感参数相同；第一段并联开路线与第二段并联开路线的电长度相同。
可选地，在其中一个实施例中，所述第一段并联开路线与第二段并联开路线的电长度设置为45°，
此外，为解决传统技术存在的不足，还提出了一种具有谐波抑制功能的端接复阻抗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端接复阻抗定向耦合器电路结构；
S2、依据设计要求配置端接复阻抗定向耦合器对应的设计参数，所述设计参数至少包括：中心频率和耦合度；
S3、根据定向耦合器输入端口理想匹配与隔离端口理想隔离的实现条件，将偶模激励下的传输矩阵代入公式(1)，以第一段平行耦合线的偶模阻抗Z1e为自变量，获取并联开路线的特性阻抗Z1，第一、二段平行耦合线电长度θ1和第二段平行耦合线偶模特性阻抗Z2e的两个表达式；
公式(1)的表达式是
Figure BDA0002807931990000021
其中，Ae、Be、Ce、De表示偶模激励下网络的传输矩阵即ABCD矩阵各自对应的元素，
Figure BDA0002807931990000022
表示源端接阻抗的共轭，ZL表示输出端口阻抗；
S4、将奇模激励下的传输矩阵代入公式(2)中，获取平行耦合线(1)的奇模特性阻抗以及第一电感(31)、第二电感(32)和第三电感(33)各自的电感值；
公式(2)的表达式为
Figure BDA0002807931990000031
其中，Ao、Bo、Co、Do表示奇模激励下网络的传输矩阵即ABCD矩阵各自对应的元素；
S5、将奇模激励下的传输矩阵和偶模激励下的传输矩阵代入功分比表达式
Figure BDA0002807931990000032
中得到关于第一段平行耦合线的奇模阻抗Z1o、第二段平行耦合线的奇模阻抗Z2o和跨接电感感值L1的两个表达式；
在功分比表达式中，k是功分比，S21是传输系数，S31是耦合系数，j表示相位。
可选的，在其中一个实施例中，S3中，获取并联开路线的特性阻抗Z1，第一平行耦合线和第二段平行耦合线的电长度θ1，第二段平行耦合线偶模特性阻抗Z2e的表达式:
Figure BDA0002807931990000033
Figure BDA0002807931990000034
式中：RS表示输入端接阻抗，RL表示输出端接复数阻抗实部，XL表示输出端接复数阻抗虚部，Z1e表示第一段平行耦合线的偶模阻抗，Z2e表示第二段平行耦合线的偶模阻抗，θ1表示第一段、第二段平行耦合线的电长度，θ2表示并联开路线的电长度。
可选的，在其中一个实施例中，S4中，得到关于第一段平行耦合线的奇模阻抗Z1o、第二段平行耦合线的奇模阻抗Z2o和跨接电感感值L1的两个表达式为：
Figure BDA0002807931990000035
Figure BDA0002807931990000041
Figure BDA0002807931990000042
Figure BDA0002807931990000043
其中
Figure BDA0002807931990000044
可选的，在其中一个实施例中，S5中，得到关于第一段平行耦合线的奇模阻抗Z1o、第二段平行耦合线的奇模阻抗Z2o和跨接电感感值L1的两个表达式为：
Figure BDA0002807931990000045
Figure BDA0002807931990000051
Figure BDA0002807931990000061
其中，
Figure BDA0002807931990000062
Z1o为第一段平行耦合线11的奇模特性阻抗；Z2o为第二段平行耦合线21的奇模特性阻抗。
实施本发明实施例，将具有如下有益效果：
采用了本发明所提出的特定结构可以实现输出端接复阻抗并具有固有的谐波抑制功能，而且耦合器结构简单，体积小，非常适合实际大规模的应用场合。
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是本发明所述具有谐波抑制功能的端接复阻抗定向耦合器的结构示意图；
图2是本发明所述具有谐波抑制功能的端接复阻抗定向耦合器的偶模等效电路图；
图3是本发明所述具有谐波抑制功能的端接复阻抗定向耦合器的奇模等效电路图；
图4是本发明所述具有谐波抑制功能的端接复阻抗定向耦合器的S参数曲线；
图5是本发明所述具有谐波抑制功能的端接复阻抗定向耦合器的输出端口间相位曲线。
其中，图中各附图标记为：1、平行耦合线，11、第一段平行耦合线，12、第二段平行耦合线，111、第一耦合线112、第二耦合线，121、第三耦合线，122、第四耦合线，2、并联开路线，21、第一段并联开路线，22、第二段并联开路线，3、电感，31、第一电感，32、第二电感，33、第三电感。
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。
图1是本发明所述具有谐波抑制功能的端接复阻抗定向耦合器的结构示意图，本实例的定向耦合器，可以包括：平行耦合线1，并联开路线2，跨接电感3，两个输入端口和两个等复阻抗输出端口；
其中，平行耦合线1包括第一段平行耦合线11和第二段平行耦合线12；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；所述第二段平行耦合线12包括第三耦合线121和第四耦合线122；所述并联开路线21、22包括第一段并联开路线21和第二段并联开路线22；所述跨接电感31、32、33包括第一电感31、第二电感32和第三电感33；
所述第一耦合线111与第三耦合线121相连，所述第二耦合线112与第四耦合线122相连；所述第一段并联开路线21分别与第一耦合线111、第二电感32、第三耦合线121相连，第二段并联开路线22分别与第二耦合线112、第二电感32、第四耦合线122相连，所述第一电感31跨接于第一耦合线111与第二耦合线112之间；所述第三电感33跨接于第三耦合线121与第四耦合线122之间。
本发明通过改变平行耦合线1和跨接电感3的电路参数，可实现不同的输出端口复数阻抗；本发明通过将所述并联开路线2的电长度设置为45°，可实现固有的谐波抑制特性，即本发明基于45度电长度的开路线引入传输零点来实现谐波抑制作用的，进而实现输出端接复数阻抗的功能。具体的，本发明的耦合器类型为同相耦合器，其输入端为实数阻抗，如50欧姆，而输出端是复数阻抗；因此可以说本发明可以实现输出端接复阻抗并具有固有的谐波抑制功能，而且耦合器结构简单，体积小，非常适合实际大规模的应用场合。
进一步地，所述第一段平行耦合线11与第二段平行耦合线12电长度相同；所述第一段并联开路线21与第二段并联开路线22参数相同,即特性阻抗相同，电长度相同；所述第一电感31、第二电感32和第三电感33参数相同；第一段并联开路线21与第二段并联开路线22的电长度相同。
同时本发明还提出了一种具有谐波抑制功能的端接复阻抗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端接复阻抗定向耦合器电路结构；
S2、依据设计要求配置端接复阻抗定向耦合器对应的设计参数，所述设计参数至少包括：中心频率和耦合度；
具体来说，本实施例中，该耦合器的中心频率为1.4GHz，耦合度为3dB，可以实现两输出端口间的等功分比。
基于所构造的端接复阻抗定向耦合器，利用奇偶模分析法把耦合器的四端口网络转化为两个二端口网络进行分析并计算电路参量，具体过程如下：
其中一个实施例如图2所示，给出了具有谐波抑制功能的端接复阻抗定向耦合器的偶模等效电路图；在偶模激励下，定向耦合器对称面上的电流为零，等效为开路。Z1e为第一段平行耦合线11的偶模特性阻抗，Z2e为第二段平行耦合线12的偶模特性阻抗，Z1为并联开路线21、22的特性阻抗，θ1为第一段平行耦合线11和第二段平行耦合线112的电长度，θ2为并联开路线2的电长度。
其中一个实施例如图3所示，给出了具有谐波抑制功能的端接复阻抗定向耦合器的奇模等效电路图；在奇模激励下，定向耦合器对称面上的电压为零，等效为短路。Z1o为第一段平行耦合线11的奇模特性阻抗，Z2o为第二段平行耦合线12的奇模特性阻抗，Z1为并联开路线2的特性阻抗，θ1为第一段平行耦合线11和第二段平行耦合线12的电长度，θ2为并联开路线21、22的电长度，L1为跨接电感感值。
进一步地，根据图2-3所示的等效电路的输入阻抗，利用端接复阻抗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-S5：
其中，S3中，根据偶模激励下的传输矩阵和定向耦合器输入端口理想匹配与隔离端口理想隔离的实现条件，获取并联开路线2的特性阻抗；
将偶模激励下的传输矩阵代入公式(1),以第一段平行耦合线11的偶模阻抗Z1e为自变量，得到并联开路线2的特性阻抗Z1的两个表达式：
表达式
Figure BDA0002807931990000091
Figure BDA0002807931990000092
Figure BDA0002807931990000093
其中，RS为输入端口阻抗；RL为输出端口复数阻抗的实部；XL为输出端口复数阻抗的虚部，θ1为第一段平行耦合线11、第二段平行耦合线12的电长度；Z1e为第一段平行耦合线11的偶模特性阻抗；Z2e为第二段平行耦合线21的偶模特性阻抗；Z1为并联开路线2特性阻抗。
根据公式(1)和(2)，可得到Z1e不同时，Z1随Z2e的变化曲线，可以选取最佳的第一段平行耦合线的偶模特性阻抗Z1e，进而计算可以得出最佳第二段平行耦合线的偶模特性阻抗Z2e和并联开路线的特性阻抗Z1。
S4、根据奇模激励下的传输矩阵，获取平行耦合线的奇模特性阻抗以及第一电感、第二电感和第三电感各自的电感值；将奇模激励下的传输矩阵代入表达式
Figure BDA0002807931990000101
可以得到关于第一段平行耦合线的奇模阻抗Z1o、第二段平行耦合线的奇模阻抗Z2o和跨接电感感值L1的两个表达式为：
Figure BDA0002807931990000102
Figure BDA0002807931990000103
Figure BDA0002807931990000104
其中
Figure BDA0002807931990000105
S5、将奇模激励下的传输矩阵和偶模激励下的传输矩阵代入功分比表达式
Figure BDA0002807931990000111
中。得到关于第一段平行耦合线的奇模阻抗Z1o、第二段平行耦合线的奇模阻抗Z2o和跨接电感感值L1的表达式为；
在所述功分比表达式中，k表示耦合器的功分比，S21表示传输系数，S31表示耦合系数，j表示相位。
Figure BDA0002807931990000112
Figure BDA0002807931990000121
Figure BDA0002807931990000122
其中
Figure BDA0002807931990000123
上述公式中，RS为输入端口阻抗；RL为输出端口复数阻抗的实部；XL为输出端口复数阻抗的虚部；L1为跨接电感3的感值；θ1为第一段平行耦合线11、第二段平行耦合线12的电长度；θ2为并联开路线2的电长度；Z1o为第一段平行耦合线11的奇模特性阻抗；Z1e为第一段平行耦合线11的偶模特性阻抗；Z2o为第二段平行耦合线21的奇模特性阻抗；Z2e为第二段平行耦合线21的偶模特性阻抗。
本发明根据S4和S5得到的关系式可以计算得到得到最优的参数值，即最佳第一段平行耦合线的奇模阻抗Z1o、第二段平行耦合线的奇模阻抗Z2o和跨接电感感值L1，进而使耦合器的效果更接近理想状态，达到更好的设计效果。
进一步地，在本发明的具体实施例中，该耦合器的中心频率为1.4GHz，耦合度为3dB(功分比k＝-1)，输入端口阻抗ZS＝50Ω，输出端口阻抗ZL＝60-j30。选取θ1＝45°、θ2＝45°、Z1e＝85Ω，计算得到Z1o＝43.6Ω，Z2e＝120Ω、Z2o＝46.7Ω、Z1＝78.3Ω、L1＝21nH。根据所选取的特性阻抗和电长度设计本发明的具有谐波抑制功能的端接复阻抗定向耦合器。如图4和5所示，本实施例的端接复阻抗定向耦合器，回波损耗(|S11|<-15dB)大于15dB的相对带宽为15.7％(1.28GHz～1.5GHz)，隔离度(|S41|<-15dB)大于15dB的相对带宽为32％(1.25GHz～1.7GHz)，耦合度为3±0.5dB的相对带宽为32％(1GHz～1.45GHz)。如图4所示，在2.8GHz处有一个明显的传输零点，使得在二次谐波处抑制度大于15dB。
本实施例采用的技术指标如下：
输入端口阻抗：ZS＝50Ω；
输出端口阻抗：ZL＝60-j30；
功分比：k＝-1；
耦合度：3±0.5dB；
回波损耗：>15dB；
隔离度：>15dB；
输出端口间相位差：90°±5°。
综上所述，本发明通过改变平行耦合线1和跨接电感3的电路参数，可实现不同的输出端口复数阻抗；本发明通过将所述并联开路线2的电长度设置为45°，可实现固有的谐波抑制特性，因此，基于本发明所提出的特定结构可以实现输出端接复阻抗并具有固有的谐波抑制功能，而且耦合器结构简单，体积小，非常适合实际大规模的应用场合。
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 (6)

1.一种具有谐波抑制功能的端接复阻抗定向耦合器，其特征在于：包括平行耦合线(1)，并联开路线(2)，跨接电感(3)，两个输入端口和两个等复阻抗输出端口；
所述平行耦合线(1)包括第一段平行耦合线(11)和第二段平行耦合线(12)；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)；所述第二段平行耦合线(12)包括第三耦合线(121)和第四耦合线(122)；所述并联开路线(2)包括第一段并联开路线(21)和第二段并联开路线(22)；所述跨接电感(3)包括第一电感(31)、第二电感(32)和第三电感(33)；
所述第一耦合线(111)与第三耦合线(121)相连，所述第二耦合线(112)与第四耦合线(122)相连；所述第一段并联开路线(21)分别与第一耦合线(111)、第二电感(32)、第三耦合线(121)相连，第二段并联开路线(22)分别与第二耦合线(112)、第二电感(32)、第四耦合线(122)相连，所述第一电感(31)跨接于第一耦合线(111)与第二耦合线(112)之间；所述第三电感(33)跨接于第三耦合线(121)与第四耦合线(122)之间。
2.根据权利要求1所述的端接复阻抗定向耦合器，其特征在于，所述第一段平行耦合线(11)与第二段平行耦合线(12)电长度相同；所述第一段并联开路线(21)与第二段并联开路线(22)参数相同；所述第一电感(31)、第二电感(32)和第三电感(33)参数相同；第一段并联开路线(21)与第二段并联开路线(22)的电长度相同。
3.一种具有谐波抑制功能的端接复阻抗定向耦合器的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、构造如权利要求1所述的端接复阻抗定向耦合器电路结构；
S2、依据设计要求配置端接复阻抗定向耦合器对应的设计参数，所述设计参数至少包括：中心频率和耦合度；
S3、根据定向耦合器输入端口理想匹配与隔离端口理想隔离的实现条件，将偶模激励下的传输矩阵代入公式(1)，以第一段平行耦合线(11)的偶模阻抗Z1e为自变量，获取并联开路线(2)的特性阻抗Z1，第一平行耦合线(11)和第二段平行耦合线(12)的电长度θ1，第二段平行耦合线(12)偶模特性阻抗Z2e的表达式；
公式(1)的表达式是
Figure FDA0002807931980000021
其中，Ae、Be、Ce、De表示偶模激励下网络的传输矩阵即ABCD矩阵各自对应的元素，
Figure FDA0002807931980000022
表示源端接阻抗的共轭，ZL表示输出端口阻抗；
S4、将奇模激励下的传输矩阵代入公式(2)中，获取平行耦合线(1)的奇模特性阻抗以及第一电感(31)、第二电感(32)和第三电感(33)各自的电感值；
公式(2)的表达式为
Figure FDA0002807931980000023
其中，Ao、Bo、Co、Do表示奇模激励下网络的传输矩阵即ABCD矩阵各自对应的元素；
S5、将奇模激励下的传输矩阵和偶模激励下的传输矩阵代入功分比表达式
Figure FDA0002807931980000024
中得到关于第一段平行耦合线(11)的奇模阻抗Z1o、第二段平行耦合线(12)的奇模阻抗Z2o和跨接电感感值L1的表达式；
在所述功分比表达式中，k表示耦合器的功分比，S21表示传输系数，S31表示耦合系数，j表示相位。
4.根据权利要求3所述的设计方法，其特征在于，S3中，获取并联开路线的特性阻抗Z1，第一平行耦合线(11)和第二段平行耦合线(12)的电长度θ1，第二段平行耦合线(12)偶模特性阻抗Z2e的表达式为：
Figure FDA0002807931980000025
Figure FDA0002807931980000031
式中：RS表示输入端接阻抗，RL表示输出端接复数阻抗实部，XL表示输出端接复数阻抗虚部，Z1e表示第一段平行耦合线(11)的偶模阻抗，Z2e表示第二段平行耦合线(12)的偶模阻抗，θ1表示第一段、第二段平行耦合线的电长度，θ2表示并联开路线(2)的电长度。
5.根据权利要求3所述的设计方法，其特征在于，S4中，得到关于第一段平行耦合线(11)的奇模阻抗Z1o、第二段平行耦合线(12)的奇模阻抗Z2o和跨接电感感值L1的两个表达式为：
Figure FDA0002807931980000032
Figure FDA0002807931980000033
其中，
Figure FDA0002807931980000041
ω表示角频率。
6.根据权利要求3所述的设计方法，其特征在于，S5中，得到关于第一段平行耦合线(11)的奇模阻抗Z1o、第二段平行耦合线(12)的奇模阻抗Z2o和跨接电感感值L1的两个表达式为：
Figure FDA0002807931980000042
Figure FDA0002807931980000051
其中，
Figure FDA0002807931980000052
Z1o为第一段平行耦合线(11)的奇模特性阻抗；Z2o为第二段平行耦合线(12)的奇模特性阻抗。
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