CN113437465B - 基于电感加载耦合线的宽带小型化同向定向耦合器及设计方法 - Google Patents

基于电感加载耦合线的宽带小型化同向定向耦合器及设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于电感加载耦合线的宽带小型化同向定向耦合器及设计方法，具体方案为：包括电感加载平行耦合线、并联电容、并联开路线和四个50欧姆输入/输出端口；所述电感加载平行耦合线包括第一段耦合线、第二段耦合线和跨接电感；所述第一段耦合线包括第一耦合线和第二耦合线；所述第二段耦合线包括第三耦合线和第四耦合线；并联电容包括第一电容和第二电容；所述并联开路线包括第一段并联开路线、第二段并联开路线、第三段并联开路线和第四段并联开路线；本装置可以实现小体积、宽频带，同时输出端口在同侧的特点。由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种基于电感加载耦合线的宽带小型化同向定向耦合器，具有体积小、频带宽、结构简单和易加工的特点，适于广泛推广。

Description

基于电感加载耦合线的宽带小型化同向定向耦合器及设计 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，具体为一种基于电感加载耦合线的宽带小型化同向定向耦合器及设计方法。
背景技术
如今，人们对信息化日益增长的需求，极大推进了无线通信技术向着大容量，高传输速率，高保密性等方向发展。无线通信技术的持续快速发展，给通讯设备中的微波射频电路技术也带来了新的挑战与更高的要求。因此，为了适应当下无线通信技术的发展，具有宽带、集成化、小型化的高性能微波器件研究具有极大的工程应用价值。
定向耦合器是通信系统、波束形成、平衡混频器或放大器等关键无源器件。一般有三种方向耦合器，包括同向耦合器、反向耦合器和横跨耦合器。具体为：如果输入端与直通端在同一条传输线上，耦合端与隔离端在另一条传输线上，且输入端与隔离端在同一侧，则构成同向耦合器；如果输入端与直通端在同一条传输线上，耦合端与隔离端在另一条传输线上，且输入端与耦合端在同一侧，则构成反向耦合器；如果输入端与隔离端在同一条传输线上，耦合端与直通端在另一条传输线上，且输入端与隔离端在同一侧，则构成横跨定向耦合器。同向耦合器通常由分支线构成，导致其具有尺寸大、带宽窄的固有特点。基于电感加载的耦合线定向耦合器具有小体积、宽频带、低成本、易加工的特点，同时由于其耦合端和直通端在同一侧，故当耦合器应用于微波电路时，能够简化电路布局。
发明内容
根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种基于电感加载耦合线的宽带小型化同向定向耦合器，具体方案为：包括电感加载平行耦合线、并联电容、并联开路线和四个50欧姆输入/输出端口；
所述电感加载平行耦合线包括第一段平行耦合线、第二段平行耦合线和跨接电感；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；所述并联电容包括第一并联电容和第二并联电容；所述并联开路线包括第一段并联开路线、第二段并联开路线、第三段并联开路线和第四段并联开路线；
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；所述跨接电感跨接于第一段平行耦合线右端；所述第一并联电容与第一耦合线右端相连，第二并联电容与第二耦合线右端相连；所述第一段并联开路线与第一耦合线左端相连，第二段并联开路线与第二耦合线左端相连，第三段并联开路线与第三耦合线右端相连，第四段并联开路线与第四耦合线右端相连；
所述第一段平行耦合线与第二段平行耦合线参数相同；所述第一并联电容与第二并联电容参数相同；所述第一段并联开路线、第二段并联开路线、第三段并联开路线和第四段并联开路线参数相同。
所述耦合器的并联开路线的特性阻抗为50欧姆，与输入/输出端口阻抗相同。
所述平行耦合线的电长度不唯一，可以根据小型化需求确定。
所述并联开路线的电长度不唯一。
所述平行耦合线的奇模阻抗由平行耦合线的偶模阻抗和并联开路线的电长度决定。
由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种基于电感加载耦合线的宽带小型化同向定向耦合器，由于采用了所提出的特定结构可以实现宽频带、小体积的同向输出的定向耦合器，另外该耦合器结构简单，易于加工，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是本发明所述基于电感加载耦合线的宽带小型化同向定向耦合器的结构示意图；
图2是本发明所述基于电感加载耦合线的宽带小型化同向定向耦合器的单端口网络等效电路图；
图3是本发明所述基于电感加载耦合线的宽带小型化同向定向耦合器的S参数曲线；
图4是本发明所述基于电感加载耦合线的宽带小型化同向定向耦合器的输出端口间相位曲线。
图中：1、电感加载平行耦合线，11、第一段平行耦合线，12、第二段平行耦合线，13、跨接电感，111、第一耦合线，112、第二耦合线，121、第三耦合线，122、第四耦合线，21、第一并联电容，22、第二并联电容，31、第一段并联开路线，32、第二段并联开路线，33、第三段并联开路线，34、第四段并联开路线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而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，以避免不必要地混淆本发明的概念。
图1为本发明基于电感加载耦合线的宽带小型化同向定向耦合器结构示意图，本实例的定向耦合器，可以包括：电感加载平行耦合线1，并联电容、并联开路线和四个50欧姆输入/输出端口。
进一步地，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；所述跨接电感13跨接于第一段平行耦合线11右端；所述第一并联电容21与第一耦合线111右端相连，第二并联电容22与第二耦合线112右端相连；所述第一段并联开路线31与第一耦合线111左端相连，第二段并联开路线32与第二耦合线112左端相连，第三段并联开路线33与第三耦合线121右端相连，第四段并联开路线34与第四耦合线122右端相连；所述第一段平行耦合线11与第二段平行耦合线12参数相同；所述第一并联电容21与第二并联电容22参数相同；所述第一段并联开路线31、第二段并联开路线32、第三段并联开路线33和第四段并联开路线34参数相同。
进一步地，平行耦合线的电长度不唯一，可以根据小型化需求确定。
具体来说，本实施例中，可以实现两输出端口间的等功分比。利用奇偶模分析法把耦合器的四端口网络转化为四个单端口网络进行分析，计算电路参量。
偶模激励下，定向耦合器对称面上的电流为零，等效为开路。奇模激励下，定向耦合器对称面上的电压为零，等效为短路。图2(a)给出了该定向耦合器的偶偶模等效电路。Z1e为第一段平行耦合线11和第二段平行耦合线12的偶模特性阻抗，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，C1为并联电容的容值，Z0为并联开路线和输入/输出端口的阻抗，θ2为并联开路线的电长度。
图2(b)给出了该定向耦合器的偶奇模等效电路。Z1e为第一段平行耦合线11和第二段平行耦合线12的偶模特性阻抗，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，Z0为并联开路线和输入/输出端口的阻抗，θ2为并联开路线的电长度。
图2(c)给出了该定向耦合器的奇偶模等效电路。Z1o为第一段平行耦合线11和第二段平行耦合线12的奇模特性阻抗，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，C1为并联电容的容值，Z0为并联开路线和输入/输出端口的阻抗，θ2为并联开路线的电长度，L1为跨接电感13的感值。
图2(d)给出了该定向耦合器的奇奇模等效电路。Z1o为第一段平行耦合线11和第二段平行耦合线12的奇模特性阻抗，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，Z0为并联开路线和输入/输出端口的阻抗，θ2为并联开路线的电长度。
由图2的四个单端口网络可以得到其输入阻抗，进而根据特性阻抗与散射参数的关系，利用同向定向耦合器的特性对参数进行求解，可以得到本发明中定向耦合器的设计公式，求解步骤如下：
步骤1：利用奇偶模分析法，将四端口网络分解成四个单端口网络进行分析，可以得到奇奇模激励、奇偶模激励、偶奇模激励和偶偶模激励下单端口网络的输入阻抗。
步骤2：根据该定向耦合器输入端口理想匹配与隔离端口理想隔离的条件，将单端口网络的输入阻抗代入表达式
Figure BDA0003102209490000041
Figure BDA0003102209490000042
和
Figure BDA0003102209490000043
中，得到奇奇模激励、奇偶模激励、偶奇模激励和偶偶模激励下单端口网络的输入阻抗Zoo、Zoe、Zee和Zeo与输入/输出端口阻抗Z0的表达式：
Figure BDA0003102209490000044
Figure BDA0003102209490000045
步骤3：根据该定向耦合器的耦合条件，将单端口的输入阻抗代入表达式
Figure BDA0003102209490000046
和
Figure BDA0003102209490000047
中，得到四个单端口网络的输入阻抗Zoo、Zoe、Zee和Zeo与耦合度k的表达式：
Figure BDA0003102209490000051
Figure BDA0003102209490000052
步骤4：根据步骤3中的表达式，将奇奇模激励和奇偶模激励下的单端口网络输入阻抗Zoo、Zoe带入其中，以第一段平行耦合线11的偶模阻抗Z1e为自变量，耦合度k为已知变量，第一段平行耦合线11的电长度θ1可以根据实际小型化需求确定，得到第一段平行耦合线11的奇模阻抗Z1o的表达式：
Figure BDA0003102209490000054
画出并联开路线的电长度θ2不同时，第一段平行耦合线11的奇模阻抗Z1o随偶模阻抗Z1e的变化曲线，可以选取合适的并联开路线的电长度θ2进而计算得到第一段平行耦合线11的偶模阻抗Z1e和奇模阻抗Z1o的值。
步骤5：将步骤1得到的单端口网络的输入阻抗Zoo、Zeo、Zee和Zeo带入到步骤3得到的两个表达式中，根据表达式1计算得到并联电容容值C1的表达式，进而计算得到跨接电感感值L1的表达式。
Figure BDA0003102209490000053
Figure BDA0003102209490000055
其中，ω＝2πf。
在本发明的具体实施例中，该耦合器的中心频率为2GHz，耦合度为3dB(耦合系数k＝0.707)，输入/输出端口阻抗和并联开路线阻抗Z0＝50Ω。选取θ1＝35°、θ2＝15°、Z1e＝100Ω，计算得到Z1o＝24.8Ω，C1＝1.4pF、L1＝2.4nH。根据所选取的特性阻抗和电长度设计本发明的基于电感加载耦合线的宽带小型化同向定向耦合器。如图3和4所示，本实施例的同向定向耦合器定向耦合器，回波损耗(|S11|<-15dB)大于15dB的相对带宽为41.5％(1.63GHz～2.46GHz)，隔离度(|S41|<-15dB)大于15dB的相对带宽为40％(1.63GHz～2.43GHz)，耦合度为3±0.5dB的相对带宽为33.5％(1.76GHz～2.43GHz)。输出端口间相位差90°±5°的相对带宽为42％(1.65GHz～2.49GHz)
本实施例采用的技术指标如下：
输入/输出端口阻抗：Z0＝50Ω；
并联开路线：Z0＝50Ω；
耦合系数：k＝0.707；
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°。
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)

1.一种基于电感加载耦合线的宽带小型化同向定向耦合器，其特征在于：包括电感加载平行耦合线(1)，并联电容，并联开路线和四个50欧姆输入输出端口；
所述电感加载平行耦合线(1)包括第一段平行耦合线(11)、第二段平行耦合线(12)和跨接电感(13)；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)；所述并联电容包括第一并联电容(21)和第二并联电容(22)；所述并联开路线包括第一段并联开路线(31)、第二段并联开路线(32)、第三段并联开路线(33)和第四段并联开路线(34)；
所述第一耦合线(111)与第三耦合线(121)相连接，所述第二耦合线(112)与第四耦合线(122)相连接；所述跨接电感(13)跨接于第一段平行耦合线(11)右端；所述第一并联电容(21)与第一耦合线(111)右端相连连，第二并联电容(22)与第二耦合线(112)右端相连接；所述第一段并联开路线(31)与第一耦合线(111)左端相连接，第二段并联开路线(32)与第二耦合线(112)左端相连连，第三段并联开路线(33)与第三耦合线(121)右端相连接，第四段并联开路线(34)与第四耦合线(122)右端相连接；
所述第一段平行耦合线(11)与第二段平行耦合线(12)参数相同；所述第一并联电容(21)与第二并联电容(22)参数相同；所述第一段并联开路线(31)、第二段并联开路线(32)、第三段并联开路线(33)和第四段并联开路线(34)参数相同。
2.根据权利要求1所述的一种基于电感加载耦合线的宽带小型化同向定向耦合器，其特征在于：所述耦合器的并联开路线的特性阻抗为50欧姆，与输入输出端口阻抗相同。
3.根据权利要求1所述的一种基于电感加载耦合线的宽带小型化同向定向耦合器，其特征在于：所述平行耦合线的电长度不唯一根据小型化需求确定。
4.根据权利要求1所述的一种基于电感加载耦合线的宽带小型化同向定向耦合器，其特征在于：所述并联开路线的电长度不唯一。
5.根据权利要求1所述的一种基于电感加载耦合线的宽带小型化同向定向耦合器，其特征在于：所述平行耦合线的奇模阻抗由平行耦合线的偶模阻抗和并联开路线的电长度决定。
6.根据权利要求1-5任一项 所述的一种基于电感加载耦合线的宽带小型化同向定向耦合器的设计方法，包括以下步骤：
步骤1：利用奇偶模分析法，将四端口网络分解成四个单端口网络进行分析，得到奇奇模激励、奇偶模激励、偶奇模激励和偶偶模激励下单端口网络的输入阻抗；
步骤2：根据该定向耦合器输入端口理想匹配与隔离端口理想隔离的条件，将单端口网络的输入阻抗代入表达式
Figure FDA0003437302610000021
Figure FDA0003437302610000022
和
Figure FDA0003437302610000023
中，得到奇奇模激励、奇偶模激励、偶奇模激励和偶偶模激励下单端口网络的输入阻抗Zoo、Zoe、Zeo和Zee与输入输出端口阻抗Z0的表达式：
Figure FDA0003437302610000024
Figure FDA0003437302610000025
步骤3：根据该定向耦合器的耦合条件，将单端口的输入阻抗代入表达式
Figure FDA0003437302610000026
和
Figure FDA0003437302610000027
中，得到四个单端口网络的输入阻抗Zoo、Zoe、Zee和Zeo与耦合度k的表达式：
Figure FDA0003437302610000028
Figure FDA0003437302610000029
步骤4：根据步骤3中的表达式，将奇奇模激励和奇偶模激励下的单端口网络输入阻抗Zoo、Zoe带入其中，以第一段平行耦合线(11)的偶模阻抗Z1e为自变量，耦合度k为已知变量，第一段平行耦合线(11)的电长度θ1可以根据实际小型化需求确定，得到第一段平行耦合线(11)的奇模阻抗Z1o的表达式：
Figure FDA0003437302610000031
画出并联开路线的电长度θ2不同时，第一段平行耦合线(11)的奇模阻抗Z1o随偶模阻抗Z1e的变化曲线，可以选取合适的并联开路线的电长度θ2进而计算得到第一段平行耦合线(11)的偶模阻抗Z1e和奇模阻抗Z1o的值；
步骤5：将步骤1得到的单端口网络的输入阻抗Zoo、Zeo、Zeo和Zee带入到步骤3得到的两个表达式中，根据表达式1计算得到并联电容(21、22)容值C1的表达式，进而计算得到跨接电感感值L1的表达式；
Figure FDA0003437302610000032
Figure FDA0003437302610000033
其中，ω＝2πf，Z0为四个输入输出端口和并联开路线的特性阻抗；Z1e为第一段平行耦合线(11)、第二段平行耦合线(12)的偶模特性阻抗；Z1o为第一段平行耦合线(11)、第二段平行耦合线(12)的奇模特性阻抗；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为并联开路线的电长度；C1为并联电容的容值；L1为跨接电感(13)的感值。
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《Coupled Line Forward Directional Coupler with Inherent Harmonics Suppression at 2f0》;Hongmei Liu; Mingyao Guan; Xiaoting Li; Zhongbao Wang;《2020 Cross Strait Radio Science & Wireless Technology Conference (CSRSWTC)》;20201216;全文 *
《横跨定向耦合器的设计方法与应用研究》;刘宏梅;《信息科技辑》;20170531;全文 *

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