CN114204241B - 微带-开路槽线耦合双频带90度定向耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明公开微带‑开路槽线耦合双频带90度定向耦合器，为轴对称结构，其特征在于包括：第一微带‑开路槽线耦合线、第二微带‑开路槽线耦合线、第一端口、第二端口、第三端口、第四端口、50欧姆微带线、微带线开路枝节、金属地面和介质基板；第一微带线与第二微带线连接处设有与第二微带线垂直的两条微带线开路枝节；两条微带线开路枝节分别位于第二微带线的两侧。利用微带‑开路槽线耦合结构，提高了双频带定向耦合器的可实现耦合度，同时保持了带宽、隔离度、幅度和相位平衡度等性能。

Description

微带-开路槽线耦合双频带90度定向耦合器

技术领域

本发明属于微波技术领域，涉及一种3-dB双频带90度定向耦合器，尤其涉及一种微带-开路槽线耦合双频带90度定向耦合器。

背景技术

随着万物互联和智能化时代的到来，现代无线通信系统正朝着多功能和智能化等方向发展。例如，在无人机集群的智能化发展中，无人机的自动感知、定位、无线充电、与主控机之间的高速数据传输等多种功能将成为未来智能无人机系统的基本配置。然而，目前支持不同功能的无线设备大多工作在不同的频段，且每个频段都需要一套独立的硬件收发系统，导致系统效率低下。因此，设计和实现能够支持多个频段、集成多种功能的新型无线收发系统具有十分重要的意义。

作为无线通信系统中的重要部件，90度定向耦合器在天线馈电网络、平衡式功率放大器、正交混频器、本振倍频器和功率监测器等电路中具有广泛应用。传统的平面定向耦合器主要包括分支线耦合器和边缘耦合微带线两种，前者占用面积较大，而后者则难以实现较高的耦合度。随着无线通信及其他无线业务的发展，当前无线系统开始朝着双频带甚至多频带方向发展。

近年来，对双频带定向耦合器的研究工作迅速增多，其中双频带分支线耦合器存在电路尺寸较大的问题，为了使电路能够更加紧凑，提出了基于边缘耦合微带线的双频带耦合器。例如，使用三对四分之一波长边缘耦合微带线级联构成双频带耦合器；两对边缘耦合微带线级联处增加开路枝节实现双频工作。但是由于边缘耦合微带线之间缝隙宽度的限制，边缘耦合微带线仅适用于弱耦合。

为了克服现有技术的不足，提高耦合度，本发明利用微带-开路槽线耦合线的高耦合度特性，提出了一款3-dB双频带90度定向耦合器。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种基于微带线和开路槽线耦合的双频带90度定向耦合器。

本发明采用如下技术方案：

一种微带-开路槽线耦合双频带90度定向耦合器，为轴对称结构，包括：第一微带-开路槽线耦合线、第二微带-开路槽线耦合线、第一端口、第二端口、第三端口、第四端口、50欧姆微带线、微带线开路枝节、金属地面和介质基板；

所述第一微带-开路槽线耦合线与第二微带-开路槽线耦合线完全相同；

所述第一微带-开路槽线耦合线包括位于介质基板顶层的第一微带线和位于介质基板底层的第一开路槽线；

所述第二微带-开路槽线耦合线包括位于介质基板顶层的第二微带线和位于介质基板底层的第二开路槽线；

所述介质基板的底层设有金属地面；第一开路槽线、第二开路槽线均是在金属地面上开槽；

所述第一、第二开路槽线的一个终端实现终端短路；另一个终端设有无金属化开口圆盘，实现终端开路；第一、第二开路槽线的短路终端连接。

第一微带线、第二微带线位于同一直线上，且第一微带线的一端与第二微带线的一端连接；第一微带线与第二微带线的另一端均设有50欧姆微带线；

第一微带线与第二微带线连接处设有与第二微带线垂直的两条微带线开路枝节；两条微带线开路枝节分别位于第二微带线的两侧，且关于第二微带线轴对称设置；所述微带线开路枝节与50欧姆微带线间留有空隙；

第一微带线、第二微带线所在直线与第一开路槽线、第二开路槽线所在直线重合；

作为优选，第一开路槽线、第二开路槽线位于同一直线上；

作为优选，第一微带线、第二微带线、第一开路槽线和第二开路槽线的初始电长度相同，对应低频带的中心频率为60度，第一微带线和第二微带线的初始宽度对应68.79欧姆阻抗。第一开路槽线和第二开路槽线的初始宽度对应54.17欧姆阻抗。经设计优化，第一微带线和第二微带线的宽度和长度均相同。第一开路槽线长度大于第一微带线，第二开路槽线长度大于第二微带线。第一开路槽线、第二开路槽线均比对应的微带线宽度窄。无金属化开口圆盘初始直径要求使第一、第二开路槽线在双频带定向耦合器低频带中心工作频率时实现开路；

作为优选，微带线开路枝节为弯折微带线；

作为优选，调节微带-开路槽线耦合线中微带线和开路槽线的宽度，可有效调节微带-开路槽线耦合线的奇偶模阻抗；

作为优选，延长第一开路槽线和第二开路槽线的长度可有效补偿微带-开路槽线耦合线在奇偶模状态下色散不一致的问题；

作为优选，微带线开路枝节折叠放置，调节微带线开路枝节阻抗Z_m可以调节定向耦合器两个频带的带宽；微带线开路枝节的电长度θ_m为第一微带线电长度θ的3倍；

作为优选，第一端口、第二端口、第三端口和第四端口通过50欧姆微带线馈电。

工作原理：

微带-开路槽线耦合线在奇、偶模工作时电场分布具有正交性，相对独立，便于分别调节奇、偶模阻抗。其中开路槽线中的开路是通过槽线末端的无金属化开口圆盘来构建的。圆盘半径越大，开路性能越好。从理论上讲，开口圆盘的作用类似于谐振器，特别是当连接槽线的宽度比圆盘的半径窄时，如果工作频率高于谐振频率，则圆盘表现为开路，即本质上是电容性的。令第一微带-开路槽线耦合线和第二微带-开路槽线耦合线的奇、偶模阻抗分别为Z_e和Z_o，电长度为θ；微带线开路枝节阻抗为Z_m，电长度为θ_m。端口的特征阻抗为Z_c。输出功率比k(k＝|S₃₁/S₂₁|)。对本发明提供的定向耦合器进行奇偶模分析，当奇偶模阻抗满足以下关系式时：

可以得到S₁₁＝0、S₄₁＝0，|S₃₁/S₂₁|＝k以及|Φ(S₂₁)-Φ(S₃₁)|＝m·90°(m＝1,3)，即满足定向耦合器所需条件。此外，将式(1)中的θ换成nπ-θ(n＝1,3,5,...)时，式(1)保持不变，因此该耦合器可以实现双频工作，而且nπ-θ与θ之比等于双频带之间的频比。具体在设计和优化过程中，可以通过调节微带-开路槽线耦合线的奇偶模阻抗(即微带-开路槽线耦合线的微带线宽度和槽线宽度)、微带-开路槽线耦合线的电长度θ或者微带线开路枝节的阻抗Z_m和电长度为θ_m来调节频比和功率比。调节微带线开路枝节的阻抗Z_m可以调节双频带定向耦合器两个工作频带的带宽。

本发明具有以下优点：

(1)利用微带-开路槽线耦合结构，提高了双频带定向耦合器的可实现耦合度，同时保持了带宽、隔离度、幅度和相位平衡度等性能；

(2)在微带-开路槽线耦合结构中，通过延长槽线的长度，可有效解决耦合线在奇、偶模状态下色散不一致的问题；

(3)微带-开路槽线耦合结构的奇、偶模阻抗相对独立，使得双频带耦合器的设计更加方便；

(4)通过改变微带线开路枝节的阻抗Z_m可以灵活调节双频带定向耦合器两个工作频带的带宽。

附图说明

图1(a)、(b)、(c)、(d)分别是微带-开路槽线耦合双频带90度定向耦合器的整体结构图、顶层金属结构图、底层金属结构图和AA’处切面侧视图；

图2是微带-开路槽线耦合双频带90度定向耦合器的S参数仿真结果；

图3是微带-开路槽线耦合双频带90度定向耦合器的幅度和相位平衡特性的仿真结果；

图4是改变微带线开路枝节阻抗时，微带-开路槽线耦合双频带90度定向耦合器回波损耗和输出端幅度差变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，一种微带-开路槽线耦合双频带90度定向耦合器，为轴对称结构，包括：第一微带-开路槽线耦合线1、第二微带-开路槽线耦合线2、第一端口3、第二端口4、第三端口5、第四端口6、50欧姆微带线7、8、9和10、微带线开路枝节11和12、金属地面13和介质基板14；第一微带-开路槽线耦合线1包括位于介质基板14顶层的第一微带线1a和位于介质基板14底层的第一开路槽线1b；第二微带-开路槽线耦合线2包括位于介质基板14顶层的第二微带线2a和位于介质基板14底层的第二开路槽线2b；第一开路槽线、第二开路槽线1b、2b均在介质基板14底层金属地面13上开槽；第一微带线1a、第二微带线2a位于同一直线上，且第一微带线1a的一端与第二微带线2a的一端连接；第一微带线1a与第二微带线2a连接处沿y轴正负两个方向各设有与第二微带线2a垂直的微带线开路枝节11、12；第一开路槽线1b、第二开路槽线2b位于同一直线上，第一开路槽线1b短路的一端与第二开路槽线2b短路的一端连接；第一微带线1a、第二微带线2a所在直线与第一开路槽线1b、第二开路槽线2b所在直线重合；

图1中的尺寸标识说明如下：L_m为第一、第二微带线1a、1b的长度，W_m为第一、第二微带线1a、1b的宽度，L_s为第一、第二开路槽线2a、2b的长度，W_s为第一、第二开路槽线2a、2b的宽度，L₁、L₂、L₃和L₄分别是微带线开路枝节11、12折叠部分的长度，W₁是微带线开路枝节11、12的宽度，W₂是50欧姆微带线7、8、9、10的宽度，D是第一、第二开路槽线2a、2b终端无金属化开口圆盘的直径。

在本实例中，介质基板采用的是介电常数为10.2，厚度为1.27mm的微波板材。

其最终尺寸如下表所示(单位：mm)：

L<sub>m</sub>	L<sub>s</sub>	W<sub>m</sub>	W<sub>s</sub>	L<sub>1</sub>	L<sub>2</sub>
						20.6	25.55	0.55	0.15	5	10
L<sub>3</sub>	L<sub>4</sub>	W<sub>1</sub>	W<sub>2</sub>	D
						20	15.6	1.2	1.2	10

图2是微带-开路槽线耦合双频带90度定向耦合器在频率比为2、功率比为1、微带线开路枝节阻抗Z_m为50Ω时的S参数仿真结果。该耦合器的两个工作频带的中心频率分别为1GHz和2GHz。低频带相对带宽为5％。高频带相对带宽为1.5％。在两个工作频段内,|S₂₁|和|S₃₁|的幅度差小于1dB，回波损耗(|S₁₁|)均优于-15dB。隔离度(|S₄₁|)均优于-15dB。实现一个频比为2的3-dB的双频带定向耦合器，取Z_m为50Ω，求得偶模阻抗Z_e为137.58Ω，奇模阻抗Z_o为22.63Ω。所用介质板相同时，如果用边缘耦合微带线实现这对奇偶模阻抗，则微带线宽度为0.25mm，微带线之间缝隙宽度为0.01mm，这样的缝隙宽度在目前的PCB加工工艺下无法实现。然而利用微带-开路槽线耦合线实现这对奇偶模阻抗时，所需要的微带线宽度为0.55mm，槽线宽度则为0.15mm，现有的PCB加工工艺完全能够轻松的完成加工。综上所述，所设计的基于微带-开路槽线耦合线的双频带定向耦合器在相同条件下，可以实现边缘耦合微带线双频带定向耦合器无法达到的高耦合度。

图3是微带-开路槽线耦合双频带90度定向耦合器的幅度和相位平衡特性仿真结果。由图可见，无论是在低频带还是在高频带，本发明在直通端和耦合端的输出信号幅度差的绝对值为小于1dB，相位差在两个频带均为90±5°，具有良好的幅度和相位平衡特性。

图4是微带-开路槽线耦合双频带90度定向耦合器改变微带线开路枝节阻抗Z_m时回波损耗和输出端幅度差变化曲线，可以发现当微带线开路枝节阻抗Z_m变大时，定向耦合器两个频带的带宽也随之增加。

综上，本发明不仅能够在两个频段实现均实现等分功率输出，而且带宽可调，设计简单。同时在回波损耗、隔离度、幅度和相位平衡性等关键性能上具有较好的水准。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.微带-开路槽线耦合双频带90度定向耦合器，为轴对称结构，其特征在于包括：第一微带-开路槽线耦合线、第二微带-开路槽线耦合线、第一端口、第二端口、第三端口、第四端口、50欧姆微带线、微带线开路枝节、金属地面和介质基板；

所述第一微带-开路槽线耦合线包括位于介质基板顶层的第一微带线和位于介质基板底层的第一开路槽线；

所述第二微带-开路槽线耦合线包括位于介质基板顶层的第二微带线和位于介质基板底层的第二开路槽线；

所述介质基板的底层设有金属地面；第一开路槽线、第二开路槽线均是在金属地面上开槽；

所述第一、第二开路槽线的一个终端实现终端短路；另一个终端设有无金属化开口圆盘，实现终端开路；第一、第二开路槽线的短路终端连接；

第一微带线、第二微带线位于同一直线上，且第一微带线的一端与第二微带线的一端连接；第一微带线的另一端与第二微带线的另一端均设有50欧姆微带线；

第一微带线与第二微带线连接处设有与第二微带线垂直的两条微带线开路枝节；两条微带线开路枝节分别位于第二微带线的两侧，且关于第二微带线轴对称设置；所述微带线开路枝节与50欧姆微带线间留有空隙；

第一微带线、第二微带线所在直线在所述介质基板底层的投影与第一开路槽线、第二开路槽线所在直线重合。

2.如权利要求1所述的微带-开路槽线耦合双频带90度定向耦合器，其特征在于微带线开路枝节为弯折微带线。

3.如权利要求1所述的微带-开路槽线耦合双频带90度定向耦合器，其特征在于第一开路槽线、第二开路槽线位于同一直线上。

4.如权利要求1所述的微带-开路槽线耦合双频带90度定向耦合器，其特征在于第一微带线、第二微带线、第一开路槽线和第二开路槽线的初始电长度相同，对应低频带的中心频率为60度，第一微带线和第二微带线的初始宽度对应68.79欧姆阻抗；第一开路槽线和第二开路槽线的初始宽度对应54.17欧姆阻抗。

5.如权利要求1所述的微带-开路槽线耦合双频带90度定向耦合器，其特征在于无金属化开口圆盘初始直径要求使第一、第二开路槽线在双频带定向耦合器低频带中心工作频率时实现开路。

6.如权利要求1所述的微带-开路槽线耦合双频带90度定向耦合器，其特征在于调节微带-开路槽线耦合线中微带线和开路槽线的宽度，实现调节微带-开路槽线耦合线的奇偶模阻抗；延长第一开路槽线和第二开路槽线的长度，实现补偿微带-开路槽线耦合线在奇偶模状态下色散不一致的问题。

7.如权利要求1所述的微带-开路槽线耦合双频带90度定向耦合器，其特征在于微带线开路枝节阻抗Z_m用以调节定向耦合器两个频带的带宽；微带线开路枝节的电长度θ_m为第一微带线电长度θ的3倍。

8.如权利要求1所述的微带-开路槽线耦合双频带90度定向耦合器，其特征在于第一端口、第二端口、第三端口和第四端口通过50欧姆微带线馈电。

9.如权利要求1所述的微带-开路槽线耦合双频带90度定向耦合器，其特征在于令第一微带-开路槽线耦合线和第二微带-开路槽线耦合线的奇、偶模阻抗分别为Z_e和Z_o，电长度为θ；微带线开路枝节阻抗为Z_m，电长度为θ_m；第一至第四端口的特征阻抗为Z_c；输出功率比k＝|S₃₁/S₂₁|；

当定向耦合器奇偶模阻抗满足以下关系式时：

得到S₁₁＝0、S₄₁＝0，|S₃₁/S₂₁|＝k以及|Φ(S₂₁)-Φ(S₃₁)|＝m·90°；其中m＝1,3。

10.如权利要求9所述的微带-开路槽线耦合双频带90度定向耦合器，其特征在于通过调节第一微带-开路槽线耦合线、第二微带-开路槽线耦合线的奇偶模阻抗和电长度θ，或者微带线开路枝节的阻抗Z_m和电长度为θ_m来调节频比和功率比；调节微带线开路枝节的阻抗Z_m实现调节双频带定向耦合器两个工作频带的带宽。

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