CN113140882A - 一种具有宽通带、宽阻带响应的小型化滤波横跨定向耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有宽通带、宽阻带响应的小型化滤波横跨定向耦合器，包括平行耦合线、串联传输线、四个副电路和四个50欧姆匹配端口；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、第四段平行耦合线；所述串联传输线包括第一段串联传输线、第二段串联传输线、第三段串联传输线、第四段串联传输线、第五段串联传输线、第六段串联传输线、第七段串联传输线和第八段串联传输线；所述四个副电路包括第一副电路、第二副电路、第三副电路和第四副电路。本发明提供的具有宽通带、宽阻带响应的小型化滤波横跨定向耦合器，具有宽通带、宽阻带、小型化、易加工、低成本的特点，适于广泛推广。

Description

一种具有宽通带、宽阻带响应的小型化滤波横跨定向耦合器

技术领域

本发明涉及一种滤波耦合器领域，尤其涉及一种具有宽通带、宽阻带响应的小型化滤波横跨定向耦合器。

背景技术

微波定向耦合器作为无线通信系统中重要的组成部分，可以实现信号功率的混合、分配、传输、隔离以及相移，通常被应用在如功率监测、输出功率稳幅、信号源隔离传输和天线的馈电网络等方面。带通滤波器作为一个允许所需要特定频段信号通过同时可以过滤掉干扰的杂波信号的设备，通常被应用在电子学和信号处理领域(如，频谱分析仪等)、大气科学领域等。一般来说，二者是单独进行设计，并通过传输线进行级联，但这种连接方式往往会带来较大的插入损耗和传输损耗，降低了系统电路整体的利用率，最终造成接受的信号质量严重下降。而随着世界无线通信系统的快速发展，单纯的级联方式已经不再具有显著的优势，兼具小型化、集成化、低成本以及高效多能等优点的电路系统越来越受到市场的青睐。因此，设计一种既具有定向耦合和带通滤波的功能，又有体积小、成本低等优点的小型化滤波型定向耦合器，可以减少级联带来的较大的插入损耗和传输损耗，提高信号质量，迎合当前无线通信系统发展趋势。

平行耦合线形式的定向耦合器是最为常见的耦合器形式之一，但是由于实际加工技术有限，其无法实现紧耦合(3dB-6dB)，限制了其在无线通信系统中的广泛应用；基于双分支耦合器结构和环形耦合器结构进行的滤波型耦合器的研究是当前研究的主流形式，但是这两种结构往往体积大、带宽窄，无法满足现在无线通信系统趋于小型化、宽带化发展的需求。虽然目前已经有研究表明可以实现宽带的滤波型耦合器，但常常具有体积大、设计复杂、加工难度高等缺陷。电容加载平行耦合线结构因其不仅可以轻松地实现紧耦合，而且具有体积小、宽带、隔直以及设计灵活简单等优点，近几年受到研究者的广泛关注。因此，若可以设计出基于电容加载平行耦合线结构的、具有宽带响应的小型化滤波型定向耦合器不仅可以解决上述由双分支耦合器结构和环形耦合器结构带来的问题，还更有利于耦合器在无线电路领域中得到更广泛的应用。

发明内容

根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种具有宽通带、宽阻带响应的小型化滤波横跨定向耦合器，包括平行耦合线、串联传输线、四个副电路和四个50欧姆匹配端口。

进一步地，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、第四段平行耦合线；所述串联传输线包括第一段串联传输线、第二段串联传输线、第三段串联传输线、第四段串联传输线、第五段串联传输线、第六段串联传输线、第七段串联传输线和第八段串联传输线，所述四个副电路包括第一副电路、第二副电路、第三副电路和第四副电路；

进一步地，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、第一集和第二集总电容，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、第三集总电容和第四集总电容，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，所述第一副电路包括第一并联微带线、第五集总电容、第九耦合线、第十耦合线、第二并联微带线、第六集总电容，所述第二副电路包括第三并联微带线、第七集总电容、第十一耦合线、第十二耦合线、第四并联微带线、第八集总电容，所述第三副电路包括第五并联微带线、第九集总电容、第十三耦合线、第十四耦合线、第六并联微带线、第十集总电容，所述第四副电路包括第七并联微带线、第十一集总电容、第十五耦合线、第十六耦合线、第八并联微带线、第十二集总电容；

进一步地，所述第一段串联传输线与第九耦合线的上端相连接，第二段串联传输线与第一耦合线的一端相连接、与第十耦合线的下端相连接，第三段串联传输线与第十一耦合线的上端相连接，第四段串联传输线与第七耦合线的一端相连接、与第十二耦合线的下端相连接，第五段串联传输线与第十三耦合线的下端相连接，第六段串联传输线与第二耦合线的一端相连接、与第十四耦合线的上端相连接，第七段串联传输线与第十五耦合线的下端相连接，第八段串联传输线与第八耦合线的一端相连接、与第十六耦合线的上端相连接；所述第一并联微带线与第一段串联传输线的下端连接，第二并联微带线与第二段串联传输线上端连接，第三并联微带线与第三段串联传输线的下端连接，第四并联微带线与第四段串联传输线的上端连接，第五并联微带线与第五段串联传输线的上端连接，第六并联微带线与第六段串联传输线的下端连接，第七并联微带线与第七段串联传输线的上端连接，第四并联微带线与第八段串联传输线的下端连接；所述第九耦合线的下端、第十耦合线的上端、第十一耦合线的下端、第十二耦合线的上端、第十三耦合线的上端、第十四耦合线的下端、第十五耦合线的上端以及第十六耦合线的下端接地；

进一步地，第一集总电容位于第三耦合线和第四耦合线的端部之间，第二集总电容位于第三耦合线和第四耦合线中间，第三集总电容位于第五耦合线和第六耦合线中间，第四集总电容位于第五耦合线和第六耦合线中间，第五集总电容位于第一并联微带线的末端，第六集总电容位于第二并联微带线的末端，第七集总电容位于第三并联微带线的末端，第八集总电容位于第四并联微带线的末端，第九集总电容位于第五并联微带线的末端，第十集总电容位于第六并联微带线的末端，第十一集总电容位于第七并联微带线的末端，第十二集总电容位于第八并联微带线的末端；

进一步地，所述第一段平行耦合线、第二段电容加载平行耦合线、第三段电容加载平行耦合线和第四段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四段平行耦合线具有相同的电长度；所述第二段电容加载平行耦合线和第三段电容加载平行耦合线具有相同的电长度；所述第一段串联传输线、第二段串联传输线、第三段串联传输线、第四段串联传输线、第五段串联传输线、第六段串联传输线、第七段串联传输线和第八段串联传输线的电长度和特性阻抗相同；所述第一副电路、第二副电路、第三副电路、第四副电路具有相同的电路参数；所述第一并联微带线、第二并联微带线、第三并联微带线、第四并联微带线、第五并联微带线、第六并联微带线、第七并联微带线、第八并联微带线具有相同的电长度和特性阻抗；所述第九耦合线、第十耦合线、第十一耦合线、第十二耦合线、第十三耦合线、第十四耦合线、第十五耦合线、第十六耦合线具有相同的电长度和奇偶模特性阻抗；所述第一集总电容、第三集总电容具有相同的电容值；所述第二集总电容、第四集总电容具有相同的电容值；所述第五集总电容、第六集总电容、第七集总电容、第八集总电容、第九集总电容、第十集总电容、第十一集总电容、第十二集总电容具有相同的电容值；

进一步地，θ_e和θ_o分别是所述第二段电容加载平行耦合线和第三段电容加载平行耦合线总共的偶模电长度和总共的奇模电长度；θ₄是所述第一段平行耦合线、第四段平行耦合线的电长度；θ₁是所述第一段串联传输线、第二段串联传输线、第三段串联传输线、第四段串联传输线、第五段串联传输线、第六段串联传输线、第七段串联传输线、第八段串联传输线的电长度；θ₃是所述第一副电路、第二副电路、第三副电路、第四副电路的等效传输线的电长度；Z_e和Z_o分别是所述第一段平行耦合线、第二段电容加载平行耦合线、第三段电容加载平行耦合线、第四段平行耦合线的偶模特性阻抗和奇模特性阻抗；Z₁是第一段串联传输线、第二段串联传输线、第三段串联传输线、第四段串联传输线、第五段串联传输线、第六段串联传输线、第七段串联传输线、第八段串联传输线的特性阻抗；Z₃是所述第一副电路、第二副电路、第三副电路、第四副电路各自等效传输线的特性阻抗；以Z₃为自由变量，建立Z_e与Z₃的关系表达式为：

其中

其中

进一步地，以第一集总电容、第三集总电容的电容值C₁为自由变量，建立第二集总电容、第四集总电容的电容值C₂与C₁的关系表达式为：

其中，Z₀是50欧姆匹配端口的阻抗值；

其中

进一步地，以所述第一段平行耦合线、第二段电容加载平行耦合线、第三段电容加载平行耦合线、第四段平行耦合线的奇模特性阻抗Z_o为自由变量，建立第一集总电容、第三集总电容的电容值C₁与Z_o的关系表达式为：

其中

其中

为了保证耦合线缝隙实际加工难易程度，需要选取适当地选取Z_o；根据选取的Z_o，得到第一集总电容、第三集总电容的电容值C₁；根据得到的电容值C₁，得到第二集总电容、第四集总电容的电容值C₂；

进一步地，θ_2e和θ_2o分别是所述第九耦合线和第十耦合线、第十一耦合线和第十二耦合线、第十三耦合线和第十四耦合线、第十五耦合线和第十六耦合线各自的偶模电长度和奇模电长度；Z_2e和Z_2o分别是第九耦合线和第十耦合线、第十一耦合线和第十二耦合线、第十三耦合线和第十四耦合线、第十五耦合线和第十六耦合线各自的偶模特性阻抗奇模特性阻抗；k_c为所述第九耦合线和第十耦合线、第十一耦合线和第十二耦合线、第十三耦合线和第十四耦合线、第十五耦合线和第十六耦合线各自的耦合系数，建立Z_2e、Z₂的表达式为：

进一步地，θ₂和Z₂分别是第一并联微带线、第二并联微带线、第三并联微带线、第四并联微带线、第五并联微带线、第六并联微带线、第七并联微带线、第八并联微带线的电长度和特性阻抗，以Z₂为自由变量，建立所述第五集总电容、第六集总电容、第七集总电容、第八集总电容、第九集总电容、第十集总电容、第十一集总电容、第十二集总电容的电容值C₃与Z₂的关系表达式为：

其中

进一步地，所述的平行耦合线、串联传输线、并联电容负载微带线均是由印刷版电路技术制成；所述集总电容均是村田贴片电容；所述具有宽通带、宽阻带响应的小型化滤波横跨定向耦合器所有尺寸参数均由介质板介电常数决定。

根据本发明推导的公式可以实现滤波、宽通带、宽阻带、任意的功分比，同时可以小型化。由于采用了上述技术方案，本发明提供的具有宽通带、宽阻带响应的小型化滤波横跨定向耦合器具有：(1)电路参数设计灵活，可以根据实际加工需求进行参数的修改；(2)电路金属部分多采用弱耦合线、传输线以及并联微带线，便于加工，有利于降低成本；(3)电路结构紧凑，实现体积小型化设计；(4)利用电容加载平行耦合线结构，可以轻松实现紧耦合；(5)较好的阻抗匹配，较宽的通带响应；(6)较的带外抑制特性，较宽的滤波响应；(7)固有的隔直功能等优点，结构简单、便于加工、功能集成，有利于滤波型耦合器在更多低成本的无线通信系统中得到应用。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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申请中记载的一些实施例，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。

图1是本发明所述具有宽通带、宽阻带响应的小型化滤波横跨定向耦合器的实际结构示意图；

图2是本发明所述具有宽通带、宽阻带响应的小型化滤波横跨定向耦合器的部分电路等效电路示意图；

图3是本发明所述具有宽通带、宽阻带响应的小型化滤波横跨定向耦合器的整体等效电路图；

图4是本发明所述具有宽通带、宽阻带响应的小型化滤波横跨定向耦合器的偶-偶模等效电路图；

图5是本发明所述具有宽通带、宽阻带响应的小型化滤波横跨定向耦合器的偶-奇模等效电路图；

图6是本发明所述具有宽通带、宽阻带响应的小型化滤波横跨定向耦合器的奇-偶模等效电路图；

图7是本发明所述具有宽通带、宽阻带响应的小型化滤波横跨定向耦合器的奇-奇模等效电路图；

图8是本发明所述具有宽通带、宽阻带响应的小型化滤波横跨定向耦合器S参数局部放大曲线图；

图9是本发明所述具有宽通带、宽阻带响应的小型化滤波横跨定向耦合器S参数曲线图；

图10是本发明所述具有宽通带、宽阻带响应的小型化滤波横跨定向耦合器输出端口相位差图；

图中：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，21、第一串联传输线，22、第二串联传输线，23、第三串联传输线，24、第四串联传输线，25、第五串联传输线，26、第六串联传输线，27、第七串联传输线，28、第八串联传输线，31、第一副电路，32、第二副电路，33、第三副电路，34、第四副电路，311、第一并联微带线，321、第二并联微带线，331、第三并联微带线，341、第四并联微带线，351、第五并联微带线，361、第六并联微带线，371、第七并联微带线，381、第八并联微带线，313、第九耦合线，314、第十耦合线，323、第十一耦合线，324、第十二耦合线，333、第十三耦合线，334、第十四耦合线，343、第十五耦合线，344、第十六耦合线，123、第一集总电容，124、第二集总电容，133、第三集总电容，134、第四集总电容，312、第五集总电容，316、第六集总电容，332、第七集总电容，326、第八集总电容，332、第九集总电容，336、第十集总电容，342、第十一集总电容，346、第十二集总电容。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明进一步详细描述。应该理解，这些描述只是示例性的，并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明的概念。

图1为本发明具有宽通带、宽阻带响应的小型化滤波横跨定向耦合器实际结构示意图，本实例的滤波型横跨定向耦合器可以包括；

平行耦合线、串联传输线、四个副电路和四个50欧姆匹配端口。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、第四段平行耦合线14，所述串联传输线包括第一段串联传输线21、第二段串联传输线22、第三段串联传输线23、第四段串联传输线24、第五段串联传输线25、第六段串联传输线26、第七段串联传输线27和第八段串联传输线28，所述四个副电路包括第一副电路31、第二副电路32、第三副电路33、第四副电路34；

进一步地，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、第一集总电容123和第二集总电容124，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、第三集总电容133和第四集总电容134，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，所述第一副电路31包括第一并联微带线311、第五集总电容312、第九耦合线313、第十耦合线314、第二并联微带线315、第六集总电容316，所述第二副电路32包括第三并联微带线321、第七集总电容322、第十一耦合线323、第十二耦合线324、第四并联微带线325、第八集总电容326，所述第三副电路33包括第五并联微带线331、第九集总电容332、第十三耦合线333、第十四耦合线334、第六并联微带线335、第十集总电容336，所述第四副电路34包括第七并联微带线341、第十一集总电容342、第十五耦合线343、第十六耦合线344、第八并联微带线345、第十二集总电容346；

进一步地，所述第一段串联传输线21与第九耦合线313的上端相连接，第二段串联传输线22与第一耦合线111的一端相连接、与第十耦合线314的下端相连接，第三段串联传输线23与第十一耦合线323的上端相连接，第四段串联传输线24与第七耦合线141的一端相连接、与第十二耦合线324的下端相连接，第五段串联传输线25与第十三耦合线333的下端相连接，第六段串联传输线26与第二耦合线112的一端相连接、与第十四耦合线334的上端相连接，第七段串联传输线27与第十五耦合线343的下端相连接，第八段串联传输线28与第八耦合线142的一端相连接、与第十六耦合线344的上端相连接；所述第一并联微带线311与第一段串联传输线21的下端连接，第二并联微带线315与第二段串联传输线22的上端连接，第三并联微带线321与第三段串联传输线23的下端连接，第四并联微带线325与第四段串联传输线24的上端连接，第五并联微带线331与第五段串联传输线25的上端连接，第六并联微带线335与第六段串联传输线26的下端连接，第七并联微带线341与第七段串联传输线27的上端连接，第四并联微带线345与第八段串联传输线28的下端连接；所述第九耦合线313的下端、第十耦合线314的上端、第十一耦合线323的下端、第十二耦合线324的上端、第十三耦合线333的上端、第十四耦合线334的下端、第十五耦合线343的上端以及第十六耦合线344的下端接地；

进一步地，所述第一集总电容123位于第三耦合线121和第四耦合线122的端部之间，第二集总电容12位于第三耦合线121和第四耦合线122中间，第三集总电容133位于第五耦合线131和第六耦合线132的端部之间，第四集总电容134位于第五耦合线131和第六耦合线132中间，第五集总电容312位于第一并联微带线311的末端，第六集总电容316位于第二并联微带线315的末端，第七集总电容322位于第三并联微带线321的末端，第八集总电容326位于第四并联微带线325的末端，第九集总电容332位于第五并联微带线331的末端，第十集总电容336位于第六并联微带线335的末端，第十一集总电容342位于第七并联微带线341的末端，第十二集总电容346位于第八并联微带线345的末端；

进一步地，所述第一段平行耦合线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和第四段平行耦合线14具有相同的奇偶模特性阻抗；所述第一段平行耦合线11和第四段平行耦合线14具有相同的电长度；所述第二段电容加载平行耦合线12和第三段电容加载平行耦合线13具有相同的电长度；所述第一段串联传输线21、第二段串联传输线22、第三段串联传输线23、第四段串联传输线24、第五段串联传输线25、第六段串联传输线26、第七段串联传输线27和第八段串联传输线28的电长度和特性阻抗相同；所述第一副电路31、第二副电路32、第三副电路33、第四副电路34具有相同的电路参数；所述第一并联微带线311、第二并联微带线315、第三并联微带线321、第四并联微带线325、第五并联微带线331、第六并联微带线335、第七并联微带线341、第八并联微带线345具有相同的电长度和特性阻抗；所述第九耦合线313、第十耦合线314、第十一耦合线323、第十二耦合线324、第十三耦合线333、第十四耦合线334、第十五耦合线343、第十六耦合线344具有相同的电长度和奇偶模特性阻抗；所述第一集总电容123、第三集总电容133具有相同的电容值；所述第二集总电容124、第四集总电容134具有相同的电容值；所述第五集总电容312、第六集总电容316、第七集总电容322、第八集总电容326、第九集总电容332、第十集总电容336、第十一集总电容342、第十二集总电容346具有相同的电容值；

进一步地，构造如上述方案所述的滤波型横跨定向耦合器电路结构，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的偶模电长度和奇模电长度，所述第一段平行耦合线11、第四段平行耦合线14的电长度；所述第一段串联传输线21、第二段串联传输线22、第三段串联传输线23、第四段串联传输线24、第五段串联传输线25、第六段串联传输线26、第七段串联传输线27、第八段串联传输线28的电长度和特性阻抗，以及副电路的等效传输线的电长度，可根据计算和实际电路需求选为适当的数值；根据副电路的等效传输线的特性阻抗，可以计算出第一段平行耦合线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、第四段平行耦合线14的偶模特性阻抗；所述第一段平行耦合线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、第四段平行耦合线14的奇模特性阻抗，根据耦合线缝隙以及加工难易程度进行适当的选取，并由此计算出第一集总电容123、第二集总电容124、第三集总电容133、第四集总电容134的电容值；

进一步地，所述第九耦合线313和第十耦合线314、第十一耦合线323和第十二耦合线324、第十三耦合线333和第十四耦合线334、第十五耦合线343和第十六耦合线344各自的偶模电长度、奇模电长度以及耦合系数，根据实际加工需求和电路整体布局选取适当的数值；并由此计算出该电路结构所需的其他电路参数值；

具体来说，本实施例中的中心频率为1GHz，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和第四段平行耦合线的耦合系数为k，其功分比为

可以实现两个输出端口之间任意的功率分配比。利用电路等效方法，将电路实际结构进行等效转换。利用奇偶模分析法，将本实施例等效转换后的等效耦合器四端口网络转化为四个单端口网络，计算电路参量。利用等效电路计算方法，计算本实施例实际所示的耦合器的电路参量。

图2给出了本发明横跨定向耦合器部分电路等效传输线过程。Z_2e是第一副电路31、第二副电路32、第三副电路33、第四副电路34中包括的第九耦合线313和第十耦合线314、第十一耦合线323和第十二耦合线324、第十三耦合线333和第十四耦合线334、第十五耦合线343和第十六耦合线344各自的偶模特性阻抗；Z_2o是第一副电路31、第二副电路32、第三副电路33、第四副电路34中包括的第九耦合线313、第十耦合线314、第十一耦合线323、第十二耦合线324、第十三耦合线333、第十四耦合线334、第十五耦合线343、第十六耦合线344各自的奇模特性阻抗；Z₂是第一并联微带线311、第二并联微带线315、第三并联微带线321、第四并联微带线325、第五并联微带线331、第六并联微带线335、第七并联微带线341和第八并联微带线345各自的特性阻抗；Z₃是所述第一副电路31、第二副电路32、第三副电路33、第四副电路34各自等效的传输线的特性阻抗；θ_2e是第一副电路31、第二副电路32、第三副电路33、第四副电路34中包括的第九耦合线313和第十耦合线314、第十一耦合线323和第十二耦合线324、第十三耦合线333和第十四耦合线334、第十五耦合线343和第十六耦合线344各自的偶模电长度；θ_2o是第一副电路31、第二副电路32、第三副电路33、第四副电路34中包括的第九耦合线313和第十耦合线314、第十一耦合线323和第十二耦合线324、第十三耦合线333和第十四耦合线334、第十五耦合线343和第十六耦合线344各自的奇模电长度，θ_2e与θ_2o数值相同；θ₂是第一并联微带线311、第二并联微带线315、第三并联微带线321、第四并联微带线325、第五并联微带线331、第六并联微带线335、第七并联微带线341和第八并联微带线345各自的电长度；θ₃是所述第一副电路31、第二副电路32、第三副电路33、第四副电路34各自等效的传输线的电长度；C₃是第五集总电容312、第六集总电容316、第七集总电容322、第八集总电容326、第九集总电容332、第十集总电容336、第十一集总电容342、第十二集总电容346各自的电容值。

图3给出了本发明横跨定向耦合器整体等效电路示意图。Z_e是第一段平行耦合线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、第四段平行耦合线14各自的偶模特性阻抗；Z_o是第一段平行耦合线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、第四段平行耦合线14各自的奇模特性阻抗；Z₁是第一段串联传输线21、第二段串联传输线22、第三段串联传输线23、第四段串联传输线24、第五段串联传输线25、第六段串联传输线26、第七段串联传输线27和第八段串联传输线28各自的特性阻抗；Z₃所述第一副电路31、第二副电路32、第三副电路33、第四副电路34各自等效的传输线的特性阻抗；θ_e是第二段电容加载平行耦合线12和第三段电容加载平行耦合线13总共的偶模电长度；θ_o是第二段电容加载平行耦合线12和第三段电容加载平行耦合线13总共的奇模电长度，θ_e与θ_o数值相同；θ₁是第一段串联传输线21、第二段串联传输线22、第三段串联传输线23、第四段串联传输线24、第五段串联传输线25、第六段串联传输线26、第七段串联传输线27和第八段串联传输线28各自的电长度；θ₃是所述第一副电路31、第二副电路32、第三副电路33、第四副电路34各自等效的传输线的电长度；θ₄是第一段平行耦合线11、第四段平行耦合线14各自的电长度；C₁是第一集总电容123、第三集总电容133各自的电容值；C₂是第二集总电容124、第四集总电容134各自的电容值。

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。图4给出了本发明横跨定向耦合器等效的偶-偶模等效电路。Z_e是第一段平行耦合线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、第四段平行耦合线14各自的偶模特性阻抗；Z₁是第一段串联传输线21、第二段串联传输线22、第三段串联传输线23、第四段串联传输线24、第五段串联传输线25、第六段串联传输线26、第七段串联传输线27和第八段串联传输线28各自的特性阻抗；Z₃是所述第一副电路31、第二副电路32、第三副电路33、第四副电路34各自等效的传输线的特性阻抗；θ_e是第二段电容加载平行耦合线12和第三段电容加载平行耦合线13总共的偶模电长度；θ₁是第一段串联传输线21、第二段串联传输线22、第三段串联传输线23、第四段串联传输线24、第五段串联传输线25、第六段串联传输线26、第七段串联传输线27和第八段串联传输线28各自的电长度；θ₃是所述第一副电路31、第二副电路32、第三副电路33、第四副电路34各自等效的传输线的电长度；θ₄是第一段平行耦合线11、第四段平行耦合线14各自的电长度。

图5给出了本发明横跨定向耦合器等效的偶-奇模等效电路。Z_e是第一段平行耦合线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、第四段平行耦合线14各自的偶模特性阻抗；Z₁是第一段串联传输线21、第二段串联传输线22、第三段串联传输线23、第四段串联传输线24、第五段串联传输线25、第六段串联传输线26、第七段串联传输线27和第八段串联传输线28各自的特性阻抗；Z₃是所述第一副电路31、第二副电路32、第三副电路33、第四副电路34各自等效的传输线的特性阻抗；θ_e是第二段电容加载平行耦合线12和第三段电容加载平行耦合线13总共的偶模电长度；θ₁是第一段串联传输线21、第二段串联传输线22、第三段串联传输线23、第四段串联传输线24、第五段串联传输线25、第六段串联传输线26、第七段串联传输线27和第八段串联传输线28各自的电长度；θ₃是所述第一副电路31、第二副电路32、第三副电路33、第四副电路34各自等效的传输线的电长度；θ₄是第一段平行耦合线11、第四段平行耦合线14各自的电长度。

图6给出了本发明横跨定向耦合器等效的奇-偶模等效电路。Z_o是第一段平行耦合线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、第四段平行耦合线14各自的奇模特性阻抗；Z₁是第一段串联传输线21、第二段串联传输线22、第三段串联传输线23、第四段串联传输线24、第五段串联传输线25、第六段串联传输线26、第七段串联传输线27和第八段串联传输线28各自的特性阻抗；Z₃是所述第一副电路31、第二副电路32、第三副电路33、第四副电路34各自等效的传输线的特性阻抗；θ_o是第二段电容加载平行耦合线12和第三段电容加载平行耦合线13总共的奇模电长度；θ₁是第一段串联传输线21、第二段串联传输线22、第三段串联传输线23、第四段串联传输线24、第五段串联传输线25、第六段串联传输线26、第七段串联传输线27和第八段串联传输线28各自的电长度；θ₃是所述第一副电路31、第二副电路32、第三副电路33、第四副电路34各自等效的传输线的电长度；θ₄是第一段平行耦合线11、第四段平行耦合线14各自的电长度；C₁是第一集总电容123、第三集总电容133各自的电容值；C₂是第二集总电容124、第四集总电容134各自的电容值。

图7给出了本发明横跨定向耦合器等效的奇-奇模等效电路。Z_o是第一段平行耦合线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、第四段平行耦合线14各自的奇模特性阻抗；Z₁是第一段串联传输线21、第二段串联传输线22、第三段串联传输线23、第四段串联传输线24、第五段串联传输线25、第六段串联传输线26、第七段串联传输线27和第八段串联传输线28各自的特性阻抗；Z₃是所述第一副电路31、第二副电路32、第三副电路33、第四副电路34各自等效的传输线的特性阻抗；θ_o是第二段电容加载平行耦合线12和第三段电容加载平行耦合线13总共的奇模电长度；θ₁是第一段串联传输线21、第二段串联传输线22、第三段串联传输线23、第四段串联传输线24、第五段串联传输线25、第六段串联传输线26、第七段串联传输线27和第八段串联传输线28各自的电长度；θ₃是所述第一副电路31、第二副电路32、第三副电路33、第四副电路34各自等效的传输线的电长度；θ₄是第一段平行耦合线11、第四段平行耦合线14各自的电长度；C₁是第一集总电容123、第三集总电容133各自的电容值；C₂是第二集总电容124、第四集总电容134各自的电容值。

由图4、图5、图6和图7所示的等效电路的输入阻抗，根据横跨定向耦合器的传输特性，对等式进行求解，可以得到本发明横跨定向耦合器的设计公式，求解步骤如下：

步骤1：为了简便分析，固定第二段电容加载平行耦合线12和第三段电容加载平行耦合线13总共的电长度θ_e和θ_o均为90°，固定第一段平行耦合线11、第四段平行耦合线14各自的电长度θ₄为15°；假设所述第一副电路31、第二副电路32、第三副电路33、第四副电路34各自等效的传输线的电长度θ₃和第一段串联传输线21、第二段串联传输线22、第三段串联传输线23、第四段串联传输线24、第五段串联传输线25、第六段串联传输线26、第七段串联传输线27和第八段串联传输线28各自的电长度θ₁满足2θ₁+θ₃＝90°等式关系，固定θ₁为7°，那么θ₃即为76°；根据通带宽度和阻带宽度要求，同时考虑到实际加工制作难易程度，所述第一段串联传输线21、第二段串联传输线22、第三段串联传输线23、第四段串联传输线24、第五段串联传输线25、第六段串联传输线26、第七段串联传输线27和第八段串联传输线28各自的特性阻抗Z₁固定为120欧姆；根据图4和图5所示的等效电路的输入阻抗，以所述第一副电路31、第二副电路32、第三副电路33、第四副电路34各自等效的传输线的特性阻抗Z₃为自由变量，可以得到第二段电容加载平行耦合线12和第三段电容加载平行耦合线13各自的偶模特性阻抗Z_e与Z₃的关系表达式为：

其中

其中

步骤:2：根据图6和图7所示的等效电路的输入阻抗，以第一集总电容123、第三集总电容133各自的电容值C₁为自由变量，可以第二集总电容124、第四集总电容134各自的电容值C₂与C₁的关系表达式为：

其中，Z₀是50欧姆匹配端口的阻抗值；

其中

步骤3：根据图6和图7所示的等效电路的输入阻抗，以第一段平行耦合线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、第四段平行耦合线14各自的奇模特性阻抗Z_o为自由变量，可以第一集总电容123、第三集总电容133各自的电容值C₁与Z_o的关系表达式为：

其中

其中

步骤4：为了保证耦合线缝隙实际加工难易程度，需要选取适当的第一段平行耦合线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、第四段平行耦合线14各自的奇模特性阻抗Z_o；

步骤5：根据选取的奇模特性阻抗Z_o，得到第一集总电容123、第三集总电容133各自的电容值C₁；

步骤6：根据得到的电容值C₁，得到第二集总电容124、第四集总电容134各自的电容值C₂；

步骤7：为了电路小型化设计以及同时考虑到实际加工制作难易程度，固定所述第一副电路31、第二副电路32、第三副电路33、第四副电路34中包括的第九耦合线313和第十耦合线314、第十一耦合线323和第十二耦合线324、第十三耦合线333和第十四耦合线334、第十五耦合线343和第十六耦合线344各自的偶模电长度和奇模电长度θ_2e、θ_2o为16°；

步骤8：根据得到的图3所示的等效电路参数，根据图2所示等效过程示意图，可以计算得到所述第一副电路31、第二副电路32、第三副电路33、第四副电路34中包括的第九耦合线313和第十耦合线314、第十一耦合线323和第十二耦合线324、第十三耦合线333和第十四耦合线334、第十五耦合线343和第十六耦合线344各自的偶模特性阻抗Z_2e和奇模特性阻抗Z_2o的表达式为；

其中，k_c为所述第一副电路31、第二副电路32、第三副电路33、第四副电路34中包括的第九耦合线313和第十耦合线314、第十一耦合线323和第十二耦合线324、第十三耦合线333和第十四耦合线334、第十五耦合线343和第十六耦合线344各自的耦合系数；

步骤9：定义第一并联微带线311和第五集总电容312、第二并联微带线315和第六集总电容316、第三并联微带线321和第七集总电容322、第四并联微带线325和第八集总电容326、第五并联微带线331和第九集总电容332、第六并联微带线335和第十集总电容336、第七并联微带线341和第十一集总电容342、第八并联微带线345和第十二集总电容346各自的端口输入导纳为S_c的表达式为：

步骤10：根据得到的并联电容负载微带线端口输入导纳S_c与第一并联微带线311、第二并联微带线315、第三并联微带线32、第四并联微带线325、第五并联微带线331、第六并联微带线335、第七并联微带线341、第八并联微带线345各自的特性阻抗Z₂和各自的电长度θ₂的等式关系，以并联电容负载微带线的特性阻抗Z₂为自由变量，可以得到第五集总电容312、第六集总电容316、第七集总电容322、第八集总电容326、第九集总电容332、第十集总电容336、第十一集总电容342、第十二集总电容346各自的电容值C₃与Z₂的关系表达式为：

在本发明的具体实施例中，该横跨定向耦合器的中心频率是1GHz，耦合度为3dB，对应的耦合系数k是0.707；由于传统平行耦合线无法实现紧耦合，为了耦合线缝隙可以加工制作出来，本实施例中，固定所述第一副电路31、第二副电路32、第三副电路33、第四副电路34中包括的第九耦合线313和第十耦合线314、第十一耦合线323和第十二耦合线324、第十三耦合线333和第十四耦合线334、第十五耦合线343和第十六耦合线344各自的耦合度为7.5dB，对应的耦合系数k_c是0.4217。根据上述设计公式和求解步骤，可以得到该实施例的全部电路参数的数值，如表1所示。

表1该实施例的具体电路参数数值

本发明该实施例采用的技术指标如下：

中心频率：1GHz

通带10-dB阻抗匹配带宽：≥30％

通带10-dB隔离度带宽：≥30％

15-dB阻带带宽：≥5f₀

端口输出振幅不平衡度小于0.5dB带宽：≥30％；

输出端口间相位差等于90°±5°带宽；≥30％。

根据表1该实施例所得的阻抗值、电长度以及集总电容值，设计本发明具有宽通带、宽阻带响应的小型化滤波横跨定向耦合器。

如图8所示，本发明提出的具有宽通带、宽阻带响应的小型化滤波横跨定向耦合器在示例中心频率1GHz处，回波损耗|S₁₁|为-19dB、隔离端输出|S₂₁|为-18.8dB，耦合端输出|S₃₁|为-2.93dB、直通端输出|S₄₁|为-3.6dB说明本发明提出的滤波耦合器具有良好的匹配性能、良好的隔离性能以及功率均等分配效果。本发明提出的具有宽通带、宽阻带响应的小型化滤波横跨定向耦合器在频率0.8GHz到1.14GHz范围内，回波损耗|S₁₁|≤-10dB，计算通带相对带宽为34％，说明本发明提出的滤波耦合器具有较宽的阻抗带宽。在通带频率范围内|S₂₁|≤-10dB，说明本发明提出的滤波耦合器具有较好的端口隔离度。本发明提出的具有宽通带、宽阻带响应的小型化滤波横跨定向耦合器在频率0.78GHz到1.16GHz范围内，满足端口输出振幅不平衡度：|AP|≤0.5dB，计算振幅平衡相对带宽为38％，说明本发明提出的滤波耦合器具有良好的输出振幅平稳性。

如图9所示，本发明提出的基于电容加载耦合线的宽通带、宽阻带滤波耦合器在频率低于0.72GHz范围内(72％)、在频率1.21GHz到5.75GHz(5.75f₀)范围内(454％)|S₃₁|&|S₄₁|≤-10dB，说明本发明提出的滤波耦合器具有较好的通带外滤波的效果。本发明提出的基于电容加载耦合线的具有宽通带、宽阻带相应的小型化滤波耦合器体积为0.46λ_g×0.21λ_g，其中λ_g是中心频率1GHz对应的波导波长，说明本发明提出的滤波耦合器具有体积小型化的效果。

如图10所示，本发明提出的具有宽通带、宽阻带响应的小型化滤波横跨定向耦合器在示例中心频率1GHz处及附近频带0.79GHz到1.14GHz内(35％)，输出端口相位差满足90°±5°，说明本发明提出的滤波耦合器的在通带内相位差平稳性良好。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种具有宽通带、宽阻带响应的小型化滤波横跨定向耦合器，其特征在于包括：平行耦合线、串联传输线、四个副电路和四个50欧姆匹配端口；

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)、第四段平行耦合线(14)；所述串联传输线包括第一段串联传输线(21)、第二段串联传输线(22)、第三段串联传输线(23)、第四段串联传输线(24)、第五段串联传输线(25)、第六段串联传输线(26)、第七段串联传输线(27)和第八段串联传输线(28)，所述四个副电路包括第一副电路(31)、第二副电路(32)、第三副电路(33)、第四副电路(34)；

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)、第一集总电容(123)和第二集总电容(124)；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)、第三集总电容(133)和第四集总电容(134)；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)；所述第一副电路(31)包括第一并联微带线(311)、第五集总电容(312)、第九耦合线(313)、第十耦合线(314)、第二并联微带线(315)、第六集总电容(316)；所述第二副电路(32)包括第三并联微带线(321)、第七集总电容(322)、第十一耦合线(323)、第十二耦合线(324)、第四并联微带线(325)、第八集总电容(326)；所述第三副电路(33)包括第五并联微带线(331)、第九集总电容(332)、第十三耦合线(333)、第十四耦合线(334)、第六并联微带线(335)和第十集总电容(336)；所述第四副电路(34)包括第七并联微带线(341)、第十一集总电容(342)、第十五耦合线(343)、第十六耦合线(344)、第八并联微带线(345)和第十二集总电容(346)；

所述第一段串联传输线(21)与第九耦合线(313)的上端相连接，第二段串联传输线(22)与第一耦合线(111)的一端相连接、与第十耦合线(314)的下端相连接，第三段串联传输线(23)与第十一耦合线(323)的上端相连接，第四段串联传输线(24)与第七耦合线(141)的一端相连接、与第十二耦合线(324)的下端相连接，第五段串联传输线(25)与第十三耦合线(333)的下端相连接，第六段串联传输线(26)与第二耦合线(112)的一端相连接、与第十四耦合线(334)的上端相连接，第七段串联传输线(27)与第十五耦合线(343)的下端相连接，第八段串联传输线(28)与第八耦合线(142)的一端相连接、与第十六耦合线(344)的上端相连接；所述第一并联微带线(311)与第一段串联传输线(21)的下端连接，第二并联微带线(315)与第二段串联传输线(22)的上端连接，第三并联微带线(321)与第三段串联传输线(23)的下端连接，第四并联微带线(325)与第四段串联传输线(24)的上端连接，第五并联微带线(331)与第五段串联传输线(25)的上端连接，第六并联微带线(335)与第六段串联传输线(26)的下端连接，第七并联微带线(341)与第七段串联传输线(27)的上端连接，第四并联微带线(345)与第八段串联传输线(28)的下端连接；所述第九耦合线(313)的下端、第十耦合线(314)的上端、第十一耦合线(323)的下端、第十二耦合线(324)的上端、第十三耦合线(333)的上端、第十四耦合线(334)的下端、第十五耦合线(343)的上端以及第十六耦合线(344)的下端接地；

所述第一集总电容(123)位于第三耦合线(121)和第四耦合线(122)的端部之间，第二集总电容(124)位于第三耦合线(121)和第四耦合线(122)中间，第三集总电容(133)位于第五耦合线(131)和第六耦合线(132)的端部之间，第四集总电容(134)位于第五耦合线(131)和第六耦合线(132)中间，第五集总电容(312)位于第一并联微带线(311)的末端，第六集总电容(316)位于第二并联微带线(315)的末端，第七集总电容(322)位于第三并联微带线(321)的末端，第八集总电容(326)位于第四并联微带线(325)的末端，第九集总电容(332)位于第五并联微带线(331)的末端，第十集总电容(336)位于第六并联微带线(335)的末端，第十一集总电容(342)位于第七并联微带线(341)的末端，第十二集总电容(346)位于第八并联微带线(345)的末端；

所述第一段平行耦合线(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)和第四段平行耦合线(14)具有相同的奇偶模特性阻抗；所述第一段平行耦合线(11)和第四段平行耦合线(14)具有相同的电长度；所述第二段电容加载平行耦合线(12)和第三段电容加载平行耦合线(13)具有相同的电长度；所述第一段串联传输线(21)、第二段串联传输线(22)、第三段串联传输线(23)、第四段串联传输线(24)、第五段串联传输线(25)、第六段串联传输线(26)、第七段串联传输线(27)和第八段串联传输线(28)的电长度和特性阻抗相同；所述第一副电路(31)、第二副电路(32)、第三副电路(33)、第四副电路(34)具有相同的电路参数；所述第一并联微带线(311)、第二并联微带线(315)、第三并联微带线(321)、第四并联微带线(325)、第五并联微带线(331)、第六并联微带线(335)、第七并联微带线(341)、第八并联微带线(345)具有相同的电长度和特性阻抗；所述第九耦合线(313)、第十耦合线(314)、第十一耦合线(323)、第十二耦合线(324)、第十三耦合线(333)、第十四耦合线(334)、第十五耦合线(343)、第十六耦合线(344)具有相同的电长度和奇偶模特性阻抗；所述第一集总电容(123)、第三集总电容(133)具有相同的电容值；所述第二集总电容(124)、第四集总电容(134)具有相同的电容值；所述第五集总电容(312)、第六集总电容(316)、第七集总电容(322)、第八集总电容(326)、第九集总电容(332)、第十集总电容(336)、第十一集总电容(342)、第十二集总电容(346)具有相同的电容值。

2.根据权利要求1所述的一种具有宽通带、宽阻带响应的小型化滤波横跨定向耦合器，其特征在于：设θ_e和θ_o分别是所述第二段电容加载平行耦合线(12)和第三段电容加载平行耦合线(13)总共的偶模电长度和总共的奇模电长度；θ₄是所述第一段平行耦合线(11)、第四段平行耦合线(14)的电长度；θ₁是所述第一段串联传输线(21)、第二段串联传输线(22)、第三段串联传输线(23)、第四段串联传输线(24)、第五段串联传输线(25)、第六段串联传输线(26)、第七段串联传输线(27)、第八段串联传输线(28)的电长度；θ₃是所述第一副电路(31)、第二副电路(32)、第三副电路(33)、第四副电路(34)的等效传输线的电长度；Z_e和Z_o分别是所述第一段平行耦合线(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)、第四段平行耦合线(14)的偶模特性阻抗和奇模特性阻抗；Z₁是第一段串联传输线(21)、第二段串联传输线(22)、第三段串联传输线(23)、第四段串联传输线(24)、第五段串联传输线(25)、第六段串联传输线(26)、第七段串联传输线(27)、第八段串联传输线(28)的特性阻抗；Z₃是所述第一副电路(31)、第二副电路(32)、第三副电路(33)、第四副电路(34)各自等效传输线的特性阻抗；以Z₃为自由变量，建立Z_e与Z₃的关系表达式为：

其中

其中

3.根据权利要求1所述的一种具有宽通带、宽阻带响应的小型化滤波横跨定向耦合器，其特征在于：以第一集总电容(123)、第三集总电容(133)的电容值C₁为自由变量，建立第二集总电容(124)、第四集总电容(134)的电容值C₂与C₁的关系表达式为：

其中，Z₀是50欧姆匹配端口的阻抗值；

其中

4.根据权利要求1所述的一种具有宽通带、宽阻带响应的小型化滤波横跨定向耦合器，其特征在于：以所述第一段平行耦合线(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)、第四段平行耦合线(14)的奇模特性阻抗Z_o为自由变量，建立第一集总电容(123)、第三集总电容(133)的电容值C₁与Z_o的关系表达式为：

其中

其中

根据选取的Z_o，得到第一集总电容(123)、第三集总电容(133)的电容值C₁；根据得到的电容值C₁，得到第二集总电容(124)、第四集总电容(134)的电容值C₂。

5.根据权利要求1所述的一种具有宽通带、宽阻带响应的小型化滤波横跨定向耦合器，其特征在于：设θ_2e和θ_2o分别是所述第九耦合线(313)和第十耦合线(314)、第十一耦合线(323)和第十二耦合线(324)、第十三耦合线(333)和第十四耦合线(334)、第十五耦合线(343)和第十六耦合线(344)各自的偶模电长度和奇模电长度；Z_2e和Z_2o分别是第九耦合线(313)和第十耦合线(314)、第十一耦合线(323)和第十二耦合线(324)、第十三耦合线(333)和第十四耦合线(334)、第十五耦合线(343)和第十六耦合线(344)各自的偶模特性阻抗奇模特性阻抗；k_c为所述第九耦合线(313)和第十耦合线(314)、第十一耦合线(323)和第十二耦合线(324)、第十三耦合线(333)和第十四耦合线(334)、第十五耦合线(343)和第十六耦合线(344)各自的耦合系数，建立Z_2e、Z_2o的表达式为：

6.根据权利要求1所述的一种具有宽通带、宽阻带响应的小型化滤波横跨定向耦合器，其特征在于：θ₂和Z₂分别是第一并联微带线(311)、第二并联微带线(315)、第三并联微带线(321)、第四并联微带线(325)、第五并联微带线(331)、第六并联微带线(335)、第七并联微带线(341)、第八并联微带线(345)的电长度和特性阻抗，以Z₂为自由变量、建立所述第五集总电容(312)、第六集总电容(316)、第七集总电容(322)、第八集总电容(326)、第九集总电容(332)、第十集总电容(336)、第十一集总电容(342)、第十二集总电容(346)的电容值C₃与Z₂的关系表达式为：

其中

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