CN114243245B

CN114243245B - 一种基于折叠线和非等宽耦合三线的宽带超小型耦合器

Info

Publication number: CN114243245B
Application number: CN202111568951.5A
Authority: CN
Inventors: 吴永乐; 郑亚娜; 王卫民
Original assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2022-01-12
Filing date: 2022-01-12
Publication date: 2023-01-06
Anticipated expiration: 2042-01-12
Also published as: CN114243245A

Abstract

本发明公开了一种基于折叠线和非等宽耦合三线的宽带超小型耦合器，构建在单层印刷电路板上，顶层为所设计的耦合器电路结构，中间层为微波介质板，底层为金属地面；所述的耦合器电路包括四个端口以及两个耦合折叠传输线和一个三线耦合传输线。本发明通过使用折叠线以及多线耦合结构，以较小尺寸实现更宽的带宽，解决了传统90度耦合器具有尺寸大及带宽窄的问题。本发明的耦合器，作为射频前端的基本部件，与传统解决方法相比，使用小于2到3倍的电路面积即可实现相同带宽。电路尺寸较小，成本较低，适用广泛；电路结构简单，易于设计且便于加工制作；电路结构平面化，可采用单层电路板加工，易于集成。

Description

一种基于折叠线和非等宽耦合三线的宽带超小型耦合器

技术领域

本发明属于电气领域，涉及一种无源射频器件，尤其涉及一种基于折叠线和非等宽耦合三线的宽带超小型耦合器。

背景技术

传统耦合器主要包括正交耦合器和环形耦合器，分别具有90度和180 度相移，是所有无线通信系统的关键电路元件。此外，在某些平衡混频器、天线馈电网络以及功率放大器中，具有90度相移的耦合器也有广泛的实际用途。

随着无线通信产品和雷达产品对器件宽带、小型化和集成化的追求，在平面电路板上上研制小型化、宽带及易集成的耦合器具有重大的应用价值和现实意义。传统的耦合器体积较大、带宽较窄并且制造复杂。近些年， 90度耦合器如分支线耦合器、Lange耦合器、耦合线耦合器等，其宽带化性能被广泛研究。

采用耦合器多级级联的方式，虽然能在一定程度上拓宽耦合器的带宽，但其电路尺寸较大。采用多种不同类型的耦合结构是另一种常见的拓宽带宽的方式，如Lange耦合器虽具有较强的耦合度，但是其实用性较差。其他方法如采用耦合线代替一部分分支线、端口级联宽带匹配电路等技术，虽然这类技术在一定程度上都可以增加耦合器的带宽，但是其尺寸仍具有较大限制。此外，基于介质集成波导技术的耦合器，现面临制作成本高、加工工艺复杂和难以集成等困难。现有小型化耦合器的带宽仍相对较窄。

因此，对平面超小型、易集成的90度耦合器带宽进一步拓展仍是一项技术难题，具有重大应用价值和现实意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于折叠线和非等宽耦合三线的宽带超小型耦合器。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明提供的一种基于折叠线和非等宽耦合三线的宽带超小型耦合器，所述的宽带超小型耦合器构建在单层印刷电路板上，顶层为所设计的耦合器电路结构，中间层为微波介质板，底层为金属地面；所述的耦合器电路包括四个端口，分别为输入端口P1、输出直通端口P2、输出耦合端口P3 和隔离端口P4，还包括两个耦合折叠传输线和一个三线耦合传输线。

进一步地，两个所述的耦合折叠传输线均由平行设置的四根传输线首尾相连，四根所述的传输线具有相同的线宽、线长和间隔。

进一步地，第一个耦合折叠传输线的第一根传输线的一端连接输入端口P1，第四根传输线的另一端与输出直通端口P2相连；第二个耦合折叠传输线的第一根传输线的一端连接隔离端口P4，第四根传输线的另一端与输出耦合端口P3相连。

进一步地，两个耦合折叠传输线顶层电路尺寸分别完全相同，偶模阻抗、奇模阻抗与电长度分别为Z_e2、Z_o2和θ₂。

进一步地，宽带超小型耦合器的四个端口阻抗均为Z₀。

进一步地，所述的三线耦合传输线由平行设置的三根传输线构成，三根传输线具有相同的线长和间隔，中间传输线的线宽与两边传输线不同，两边的传输线对称设置且具有相同的线宽。

进一步地，所述的三线耦合传输线的第一根传输线的一端与输入端口 P1和第一个耦合折叠传输线的第一根传输线相连，另一端与隔离端口P4 和第二个耦合折叠传输线的第一根传输线相连；第二根传输线的一端与第一个耦合折叠传输线的第二、三根传输线相连，另一端与第二个耦合折叠传输线的第二、三根传输线相连；第三根传输线的一端与输出直通端口P2 和第一个耦合折叠传输线的第四根传输线相连，另一端与输出耦合端口P3和第二个耦合折叠传输线的第四根传输线相连。

进一步地，所述的三线耦合传输线在三种标准模式(m,n,p)下的特征阻抗与电长度分别为Z_m1,Z_n1,Z_p1和2θ₁。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、现有改进后平面正交宽带耦合器仍具有较大电路尺寸，改进的小型化正交耦合器的带宽仍存在限制。本发明通过使用折叠线以及多线耦合结构，设计了一种基于折叠线和非等宽耦合三线的宽带超小型耦合器，该耦合器以较小尺寸实现更宽的带宽，解决了传统90度耦合器具有尺寸大及带宽窄的问题。

2、本发明的基于折叠线和非等宽耦合三线的宽带超小型耦合器，作为射频前端的基本部件，与传统解决方法相比，使用小于2到3倍的电路面积即可实现相同带宽。

3、本发明的基于折叠线和非等宽耦合三线的宽带超小型耦合器，电路尺寸较小，成本较低，适用广泛；电路结构简单，易于设计且便于加工制作；电路结构平面化，可采用单层电路板加工，易于集成。

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中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明基于折叠线和非等宽耦合三线的宽带超小型耦合器的原理图；

图2为本发明基于折叠线和非等宽耦合三线的宽带超小型耦合器的结构示意图(中心频率：2GHz)；

图3为本发明基于折叠线和非等宽耦合三线的宽带超小型耦合器的结构示意图(中心频率：4.9GHz)；

图3中：1-输入端口，2-第一个耦合折叠传输线，3-输出直通端口，4- 非等宽三线耦合传输线，5-输出耦合端口，6-第二个耦合折叠传输线，7- 隔离端口；

图4为本发明非等宽耦合三线的等效电路图；

图5为本发明基于折叠线和非等宽耦合三线的宽带超小型耦合器的奇偶模等效电路图；

图6(a)为本发明基于折叠线和非等宽耦合三线的宽带超小型耦合器的S参数的仿真图(中心频率：2GHz)；

图6(b)为本发明基于折叠线和非等宽耦合三线的宽带超小型耦合器的相位不平衡的仿真图(中心频率：2GHz)；

图6(c)为本发明基于折叠线和非等宽耦合三线的宽带超小型耦合器的幅度不平衡的仿真图(中心频率：2GHz)；

图7(a)为本发明基于折叠线和非等宽耦合三线的宽带超小型耦合器的S参数的仿真图(中心频率：4.9GHz)；

图7(b)为本发明基于折叠线和非等宽耦合三线的宽带超小型耦合器的相位不平衡的仿真图(中心频率：4.9GHz)；

图7(c)为本发明基于折叠线和非等宽耦合三线的宽带超小型耦合器的幅度不平衡的仿真图(中心频率：4.9GHz)。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明是基于折叠线和非等宽耦合三线的宽带超小型耦合器，如图1 —图3所示，构建在单层电路板上；顶层为基于折叠线和非等宽耦合三线的宽带超小型耦合器电路结构，底层为金属地面。该发明整体上是一个四端口器件，包括输入端口(P1)1，输出直通端口(P2)3、输出耦合端口 (P3)5、隔离端口(P4)7以及两个耦合折叠传输线(第一个耦合折叠传输线2、第二个耦合折叠传输线6)和一个三线耦合传输线4。

所述两个耦合折叠传输线(第一个耦合折叠传输线2、第二个耦合折叠传输线6)均由平行设置的四根传输线构成，所述四根传输线具有相同的线宽、线长和间隔。

第一个耦合折叠传输线2的第一根传输线一端连接输入端口(P1)1，另一端与第二根传输线相连；第二根传输线一端与第一根传输线相连，另一端与第三根传输线相连；第三根传输线一端与第二根传输线相连，另一端与第四根传输线相连；第四根传输线一端与第三根传输线相连，另一端与输出直通端口(P2)3相连。

第二个耦合折叠传输线6的第一根传输线一端连接隔离端口(P4)7，另一端与第二根传输线相连；第二根传输线一端与第一根传输线相连，另一端与第三根传输线相连；第三根传输线一端与第二根传输线相连，另一端与第四根传输线相连；第四根传输线一端与第三根传输线相连，另一端与输出耦合端口(P3)5相连。

所述一个三线耦合传输线4由平行设置的三根传输线构成，所述三线耦合传输线对称设置，三根传输线具有相同的线长和间隔，中间传输线的线宽与两边传输线不同，且两边的传输线具有相同的线宽。所述三线耦合传输线的第一根传输线一端与输入端口(P1)1和第一个耦合折叠传输线2 的第一根传输线相连，另一端与隔离端口(P4)7和第二个耦合折叠传输线6的第一根传输线相连；第二根传输线一端与第一个耦合折叠传输线2 的第二、三根传输线相连，另一端与第二个耦合折叠传输线6的第二、三根传输线相连；第三根传输线一端与输出直通端口(P2)3和第一个耦合折叠传输线2的第四根传输线相连，另一端与输出耦合端口(P3)5和第二个耦合折叠传输线6的第四根传输线相连。

所述一个三线耦合传输线4由平行非等宽、等长、等间隔的三根传输线左右对称设置，其在三种标准模式(m,n,p)下的特征阻抗与电长度分别为Z_m1,Z_n1,Z_p1和2θ₁；

所述两个耦合折叠传输线(第一个耦合折叠传输线2、第二个耦合折叠传输线6)由平行等宽、等长、等间隔的四根传输线上下对称设置，顶层电路尺寸分别完全相同，偶模阻抗、奇模阻抗与电长度分别为Z_e2,Z_o2, 和θ₂；所述宽带超小型耦合器四个端口阻抗均为Z₀。

所述基于折叠线和非等宽耦合三线的宽带超小型耦合器的设计原理如下：

图4为对称非等宽耦合三线的等效电路。如图4所示，该对称非等宽三线耦合传输线的六端口网络可等效为由两个不对称耦合双线构成的六端口网络。由于耦合折叠传输线及非等宽耦合三线均存在弱耦合，因此耦合折叠传输线可简化为两个终端级联的耦合双线级联，偶模阻抗、奇模阻抗与电长度分别为Z_e2,Z_o2,和θ₂；非等宽耦合三线电路可简化为由三根平行等间隔传输线构成，其中两边的传输线特征阻抗与电长度分别为Z_a1和2θ₁，中间传输线的特征阻抗与电长度分别为Z_b1和2θ₁。

图5为该基于折叠线和非等宽耦合三线的宽带超小型耦合器的奇偶模等效电路。为简化推导，将所有特征导纳值对端口导纳Y₀进行归一化。

根据传输线理论和奇偶模分析，为同时满足输入端口的良好匹配 (S₁₁＝0)、高隔离(S₄₁＝0)以及输出端口功率分配(S₂₁＝jkS₃₁)的条件，我们可以得到以下关系：

y_ineey_ineo＝y_inoey_inoo＝1, (1a)

y_ineoy_inoo＝1+jk(y_ineo-y_inoo). (1b)

“ee”、“eo”、“oe”、“oo”分别表示在偶偶模、偶奇模、奇偶模和偶偶模四种模式下。y_inee,y_ineo,y_inoe,和y_inoo分别表示在此四种模式下的归一化输入导纳。k²为输出端口P2，P3之间的功率分配比。基于图5，可得到四种模式下的归一化输入导纳为：

y_inee＝y_inb1+y_in1,y_ineo＝y_inb1+y_in2. (2a)

y_inoe＝y_inb2+y_in3,y_inoo＝y_inb2+y_in2. (2b)

此外，由传输线理论可得终端级联的两端口耦合线的ABCD矩阵如下：

其中，z_L为不同模式下输出端的负载阻抗。基于传输线理论，可得无耗传输线终端开路及短路情况下的归一化输入阻抗和导纳分别为：

z_inp1＝-jz_p1cotθ₁,y_inp1＝jy_p1tanθ₁.(p＝a,b) (5a)

z_inp2＝jz_p1tanθ₁,y_inp2＝-jy_p1cotθ₁.(p＝a,b) (5b)

根据图5以及公式(3)和(4)，可以得到下述结论：

这里，假设2θ₁＝90°，将公式(5)和(6)带入公式(1)和(2)可得：

其中M的值可以表示为：

M＝y_o2cot²(θ₂)-y_e2 (8)

当满足公式(1a)时，M需要等于0。基于公式(8)，θ₂的值可得：

由上述推导可知，当给定Z_e2,Z_o2和θ₁的值，该耦合器的其他参数值可由公式(7)(8)(9)得到。通过对耦合折叠传输线及非等宽耦合三线的间隔分别进行调优，可得更宽的带宽。

实施例：

本发明展示了一种基于折叠线和非等宽耦合三线的宽带超小型耦合器。为满足当前通信频段要求，本发明分别展示了中心频率在2GHz(例1)和 4.9GHz(例2)的两个实施例。在这两个实施例中，输入端口P1、输出直通端口P2、输出耦合端口P3以及隔离端口P4的特征阻抗均为50欧姆，基于本发明中介质基板为Rogers公司的RO4350B，介电常数为3.66，厚度0.508毫米，介质损耗0.0037，在这两个实施例中，在中心频率为2GHz 处，如图2所示端口宽度w_s1为1.2毫米，端口长度l_s1设为5.91毫米，平面宽带超小型90度耦合器的其他物理参数为(单位:毫米)：d₁＝0.2,w₁₁＝1.3, s₁₁＝2.4,l₁₁＝22,w₁₂＝1.95,s₁₂＝0.73,l₁₂＝10,w₁₃＝0.2。在中心频率为4.9GHz处，如图3所示端口宽度w_s2为1.2毫米，端口长度l_s2设为11.33毫米，平面宽带超小型90度耦合器的其他物理参数为(单位:毫米)：d₂＝0.3,w₂₁＝0.6, s₂₁＝1.4,l₂₁＝8,w₂₂＝2,s₂₂＝0.7,l₂₂＝3.3,w₂₃＝0.37。

如图6所示为实施例1，中心频率为2GHz的S参数仿真结果示意图；

由图6(a)可知，平面超小型宽带90度耦合器的回波损耗|S₁₁|和隔离参数|S₄₁|均大于15dB的频率范围为1.51GHz—2.38GHz(相对带宽为 44.73％)；平面超小型宽带90度耦合器的插入损耗参数，在中心频率4.9 GHz处的|S₂₁|和|S₃₁|的layout仿真值分别为2.73dB和3.38dB。

本发明实施例1相位不平衡仿真结果，如图6(b)所示；本实施例在频率范围为1.38GHz—2.55GHz内相位不平衡度为90±10°(相对带宽为 59.54％)。

本发明实施例2幅度不平衡仿真结果，如图6(c)所示；在通带1.56GHz 到2.37GHz范围内(相对带宽为41.22％)幅度不平衡(|S₂₁|-|S₃₁|)均小于 1dB。

如图7(a)、7(b)、7(c)所示为实施例2中心频率为4.9GHz的 S参数仿真结果示意图；

由图7(a)可知，平面超小型宽带90度耦合器的回波损耗|S₁₁|和隔离参数|S₄₁|均大于15dB的频率范围为3.89GHz—6.08GHz(相对带宽为43.93％)；平面超小型宽带90度耦合器的插入损耗参数，在中心频率4.9 GHz处的|S₂₁|和|S₃₁|的layout仿真值分别为2.71dB和3.52dB。

本发明实施例2相位不平衡仿真结果，如图7(b)所示；本实施例在频率范围为3.49GHz—6.57GHz内相位不平衡度为90±10°(相对带宽为 61.23％)。

本发明实施例2幅度不平衡仿真结果，如图7(c)所示；在通带4.03GHz 到6.4GHz范围内(相对带宽为45.45％)幅度不平衡(|S₂₁|-|S₃₁|)均小于1 dB。

以上实验数据能很好地体现了本实施例平面宽带超小型耦合器的各项性能，通过简单结构，在平面上实现低成本、小尺寸、易集成、宽带正交耦合器，与现有平面正交耦合器相比，该结构在更小尺寸上实现更宽的工作带宽，应用场景广阔。

本发明整个电路的尺寸大小分别为9.98毫米×42.45毫米和10.1毫米×15.11毫米，具有小型化和集成化特点，非常利于进行器件封装。说明使用新型平面超小型宽带90度耦合器能在小型化和集成化方面取得显著的效果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等(如选用三线、四线、…、n线)，均应包含在本发明保护的范围之内。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置实施例、电子设备实施例、计算机可读存储介质实施例和计算机程序产品实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述实施例，仅为本申请的具体实施方式，用以说明本申请的技术方案，而非对其限制，本申请的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特殊进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请实施例技术方案的精神和范围。都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种基于折叠线和非等宽耦合三线的宽带超小型耦合器，其特征在于，所述的宽带超小型耦合器构建在单层印刷电路板上，顶层为所设计的耦合器电路结构，中间层为微波介质板，底层为金属地面；所述的耦合器电路包括四个端口，分别为输入端口P1、输出直通端口P2、输出耦合端口P3和隔离端口P4，还包括两个耦合折叠传输线和一个三线耦合传输线；

所述的三线耦合传输线由平行设置的三根传输线构成，三根传输线具有相同的线长和间隔，中间传输线的线宽与两边传输线不同，两边的传输线对称设置且具有相同的线宽。

2.根据权利要求1所述的基于折叠线和非等宽耦合三线的宽带超小型耦合器，其特征在于，两个所述的耦合折叠传输线均由平行设置的四根传输线首尾相连，四根所述的传输线具有相同的线宽、线长和间隔。

3.根据权利要求2所述的基于折叠线和非等宽耦合三线的宽带超小型耦合器，其特征在于，第一个耦合折叠传输线的第一根传输线的一端连接输入端口P1，第四根传输线的另一端与输出直通端口P2相连；第二个耦合折叠传输线的第一根传输线的一端连接隔离端口P4，第四根传输线的另一端与输出耦合端口P3相连。

4.根据权利要求3所述的基于折叠线和非等宽耦合三线的宽带超小型耦合器，其特征在于，两个耦合折叠传输线顶层电路尺寸分别完全相同，偶模阻抗、奇模阻抗与电长度分别为Z_e2、Z_o2和θ₂。

5.根据权利要求3所述的基于折叠线和非等宽耦合三线的宽带超小型耦合器，其特征在于，宽带超小型耦合器的四个端口阻抗均为Z₀。

6.根据权利要求1所述的基于折叠线和非等宽耦合三线的宽带超小型耦合器，其特征在于，所述的三线耦合传输线的第一根传输线的一端与输入端口P1和第一个耦合折叠传输线的第一根传输线相连，另一端与隔离端口P4和第二个耦合折叠传输线的第一根传输线相连；第二根传输线的一端与第一个耦合折叠传输线的第二、三根传输线相连，另一端与第二个耦合折叠传输线的第二、三根传输线相连；第三根传输线的一端与输出直通端口P2和第一个耦合折叠传输线的第四根传输线相连，另一端与输出耦合端口P3和第二个耦合折叠传输线的第四根传输线相连。

7.根据权利要求1所述的基于折叠线和非等宽耦合三线的宽带超小型耦合器，其特征在于，所述的三线耦合传输线在三种标准模式(m,n,p)下的特征阻抗与电长度分别为Z_m1,Z_n1,Z_p1和2θ₁。