CN113054392B - 一种可调耦合度双向耦合器及调节方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种可调耦合度双向耦合器，包括平行的主微带线与副微带线，主微带线一端为输入端，另一端为直通端，还包括耦合微带线，所述耦合微带线垂直于副微带线且一端连接在副微带线中点处，另一端形成耦合端；所述耦合微带线中设有两个电阻a、b；耦合微带线一侧设有阻抗开路线。与传统结构相比，此对称结构保证了信号不论流向，都能在耦合端实现相同的耦合度；同时调节电阻的设计方式可以便捷的在一定范围内调节耦合度，从而适应不同用户的需求，能广泛适用于收发电路中，同时可以进行灵活的调节，从而拓宽了这种耦合器的应用范围。
Description
技术领域
本发明涉及微波电路领域，特别涉及一种可调耦合度双向耦合器及调节方法。
背景技术
耦合器作为一种微波无源器件，它能以一定的比例将微波信号进行功率分配、信号隔离等，在微波电路中广泛应用。传统的耦合器有四个端口，分别为输入端、直通端、耦合端和隔离端，如图1所示，耦合器工作原理为，微波信号由1端口输入，其中输入的一部分信号经直通端口2输出，输入的剩余信号由耦合端口3输出，隔离端口4理论上与输入端口隔离，输出功率为零。主要技术指标有方向性、驻波比、耦合度、插入损耗。
在微带耦合器设计中，通常采用如图2所示设计，其中主微带线为直通线连接输入端和直通端，副微带线为耦合线，两端分别连耦合端和隔离端。其中主、副微带线形成一段平行走线，它们的缝隙S可等效为电容，通过缝隙实现信号的耦合，缝隙越小耦合越强。
这种平行微带线四端口耦合器具有定向性，主微带线两端口到副微带线的特定端口分别是耦合和隔离作用，不能实现主通道双向耦合。其次是耦合度要由两平行微带线的长度L 和缝隙宽度S决定，不能对耦合度进行调节，基于以上两点在应用时有一定的局限性。
现有专利中如“一种PCB制微带耦合器”专利号201821372593.4，在传统的平行微带线耦合器的基础上，在平行线中部加入了锯齿图形，相当于增加了平行走线长度，增强了缝隙的电容特性，提高了耦合度。“一种小型超宽带耦合器”专利号201220521059.1将平行耦合器和放大器相结合，在耦合端焊接微波放大器，可以直接提高耦合端的耦合功率。
发表于微波学报的“小型化高方向性微带双定向耦合器设计”基于平行微带耦合器结构，在主微带线两侧都设计平行的副微带进行耦合，可以实现双定向，采用扇形微带电容加载可明显减小耦合器尺寸和提高隔离度，并且耦合边缘采用锯齿图形进一步提高方向性。
Electronics期刊上的“Design of a Low-Cost Microstrip DirectionalCoupler with High Coupling for a Motion Detection Sensor”，同样基于平行线耦合器，将副微带线改进为蛇形线，与标准平行线耦合器相比可以提高3dB耦合度。
发明内容
针对现有技术中存在传统平行微带线耦合器单向耦合和耦合度不可调的问题，提供了一种对称的可调耦合度双向耦合器，实现输入端与耦合端或者反向直通端与耦合端无差别耦合。同时在耦合微带线上增加了电阻，实现了耦合度的可调节。本发明中的耦合器结构简单，设计灵活，结构紧凑，具有广泛的应用到功率分配、功率检测等电路中。
本发明采用的技术方案如下：一种可调耦合度双向耦合器，包括平行的主微带线与副微带线，主微带线一端为输入端，另一端为直通端，还包括耦合微带线，所述耦合微带线垂直于副微带线且一端连接在副微带线中点处，另一端形成耦合端；所述耦合微带线中设有两个电阻a、b；耦合微带线一侧设有阻抗开路线。
进一步的，所述耦合微带线中电阻a与电阻b阻值相等。
进一步的，所述阻抗开路线垂直于耦合微带线且未连接，垂足位于两个电阻的中点。
进一步的，所述阻抗开路线包括一段微带线，微带线中设有一电阻，其中一端设有接地孔。
进一步的，采用金丝键合的方式调节耦合微带线上的阻值对耦合度进行调节。
本发明还提供了一种基于上述的可调耦合度双向耦合器的耦合度调节方法，其特征在于，在耦合微带线接入电阻a和电阻b且采用金丝将阻抗开路线连接至耦合微带线中的电阻a与电阻b之间处，或在耦合微带线上采用金丝将电阻a、电阻b短路且连接阻抗开路线，或在耦合微带线中接入电阻a和电阻b且断开阻抗开路线。
与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：与传统结构相比，此对称结构保证了信号不论流向，都能在耦合端实现相同的耦合度；同时调节电阻的设计方式可以便捷的在一定范围内调节耦合度，从而适应不同用户的需求，能广泛适用于收发电路中，同时可以进行灵活的调节，从而拓宽了这种耦合器的应用范围。
附图说明
图1为耦合器的原理框图。
图2为现有技术中平行微带线四端口耦合器。
图3为现有技术中PCB制微带耦合器。
图4为现有技术中一种小型超宽带耦合器。
图5为现有技术中小型化高方向性微带双定向耦合器设计。
图6为现有技术中一种蛇形耦合器设计。
图7为本发明提出的可调耦合度双向耦合器示意图。
图8为本发明提出的可调耦合度双向耦合器原理。
图9为本发明一实施例中双向耦合器采用方式a设置的示意图。
图10为本发明一实施例中采用方式a的仿真结果图。
图11为本发明一实施例中双向耦合器采用方式b设置的示意图。
图12为本发明一实施例中采用方式b的仿真结果图。
图13为本发明一实施例中双向耦合器采用方式c设置的示意图。
图14为本发明一实施例中采用方式c的仿真结果图。
附图标记：1-主微带线，2-副微带线，3-耦合微带线，4-阻抗开路线，a-电阻a，b-电阻b，c-电阻b。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
如图7所示，一种可调耦合度双向耦合器，包括平行的主微带线1与副微带线2，主微带线一端为输入端，另一端为直通端，还包括耦合微带线3，所述耦合微带线垂直于副微带线且一端连接在副微带线中点处，另一端形成耦合端；所述耦合微带线中设有两个电阻a、 b；耦合微带线一侧设有阻抗开路线4；其中，所述耦合微带线中电阻a与电阻b阻值相等。
所述阻抗开路线垂直于耦合微带线且未连接，垂足位于两个电阻的中点，所述阻抗开路线包括一段微带线，微带线中设有一电阻c，其中一端设有接地孔；所述开路线可等效于传统的耦合器中的隔离端。
在一个优选实施例中，采用金丝键合的方式调节耦合微带线上的阻值对耦合度进行调节。
本发明提出的耦合器原理如图8所示，可以看作一个平行微带线耦合器和一个T型衰减器的集成，首先耦合器部分，基于传统四分之一波长平行耦合线定向耦合器设计方法，其中L为平行微带线耦合部分的线长，S平行线之间的缝隙。耦合线长度越长，缝隙越小，平行微带线之间的等效电容就越大，耦合度就越高。但是基于加工和尺寸等原因，电容不能无限增大。另外耦合器部分还将原来平行微带线耦合器的隔离端接匹配负载到地，耦合端设计到平行线中点处使整个结构具有对称性。这样耦合器就能实现双向耦合的特性。
为了实现耦合度可调节，在耦合端传输线上设计了T型衰减器，根据如下公式可知Ra、 Rb、Rc：
Ra＝Rb………………………………………………(1)
其中Z为端口特性阻抗，dB为T型衰减器的衰减量，通过在耦合端传输线上插入T型衰减器可以通过调节Ra、Rb、Rc电阻的接入与否，调节衰减量的同时可以影响耦合器的耦合度，从而实现耦合度可调节性。
本发明还提供了一种基于上述的可调耦合度双向耦合器的耦合度调节方法，其特征在于，在耦合微带线接入电阻a和电阻b且采用金丝将阻抗开路线连接至耦合微带线中的电阻a与电阻b之间处，或在耦合微带线上采用金丝将电阻a、电阻b短路且连接阻抗开路线，或在耦合微带线中接入电阻a和电阻b且断开阻抗开路线。
在本实施例中，采用氧化铝陶瓷材料作为微带线的介质基板，利用本发明方案制作了一种可调耦合度双向耦合器，采用电磁仿真软件进行了性能仿真，版图及仿真结果如下：
连接方式如图9所示，(a)耦合微带线接入电阻a、电阻b且连接阻抗开路线；仿真结果如图10所示，方式(a)接入了一个标准的T型衰减器，耦合端输出阻抗最接近传输线特性阻抗Z，故S33曲线最优。
连接方式如图11所示，(b)耦合微带线上用金丝将电阻a、电阻b短路且连接阻抗开路线；仿真结果如图12所示，方式(b)短接电阻a、电阻b，相当于减少了衰减量，直接反应出耦合度有明显的提高。
连接方式如图13所示，(c)耦合微带线接入电阻a、电阻b且断开阻抗开路线；仿真结果如图14所示，方式(c)断开阻抗开路线，在耦合度上和方式(a)结果类似，但是由于断开阻抗开路线后影响耦合端输出阻抗，耦合端的输出驻波有所恶化。
综上本发明可以通过短接电阻a、电阻b，或断开阻抗开路线改变耦合度，并且通过用金丝键合的方式调节电阻a、电阻b和阻抗开路线的接入与否也具有较强的实际操作性。
同时从仿真图可以看出射频信号从1端口到2端口或者从2端口到1端口，插入损耗和耦合度都相同，可得本发明有良好的双向性。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
Claims (5)
1.一种可调耦合度双向耦合器，包括平行的主微带线与副微带线，主微带线一端为输入端，另一端为直通端，其特征在于，还包括耦合微带线，所述耦合微带线垂直于副微带线且一端连接在副微带线中点处，另一端形成耦合端；所述耦合微带线中设有两个电阻a、b；耦合微带线一侧设有阻抗开路线；所述阻抗开路线垂直于耦合微带线且未连接，垂足位于两个电阻的中点。
2.根据权利要求1所述的可调耦合度双向耦合器，其特征在于，所述耦合微带线中电阻a与电阻b阻值相等。
3.根据权利要求2所述的可调耦合度双向耦合器，其特征在于，所述阻抗开路线包括一段微带线，微带线中设有一电阻，其中一端设有接地孔。
4.根据权利要求3所述的可调耦合度双向耦合器，其特征在于，采用金丝键合的方式调节耦合微带线上的阻值对耦合度进行调节。
5.一种基于权利要求1-4任一所述的可调耦合度双向耦合器的耦合度调节方法，其特征在于，在耦合微带线接入电阻a和电阻b且采用金丝将阻抗开路线连接至耦合微带线中的电阻a与电阻b之间处，或在耦合微带线上采用金丝将电阻a、电阻b短路且连接阻抗开路线，或在耦合微带线中接入电阻a和电阻b且断开阻抗开路线。
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