CN114243247B - 一种基于三线耦合结构的宽带通响应同向定向耦合器 - Google Patents

Abstract

一种基于三线耦合结构的宽带通响应同向定向耦合器，包括电感加载平行耦合线、阶跃阻抗微带线、等线宽三线耦合线、并联开路微带线和四个50欧姆匹配端口；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、第一集总电，所述阶跃阻抗微带线包括第一阶跃阻抗微带线、第二阶跃阻抗微带线、第三阶跃阻抗微带线、第四阶跃阻抗微带线，所述等线宽三线耦合线包括第一等线宽三线耦合线、第二等线宽三线耦合线、第三等线宽三线耦合线、第四等线宽三线耦合线，所述并联开路微带线包括第一并联开路微带线、第二并联开路微带线。本发明提供的基于三线耦合结构的宽带通响应同向定向耦合器，具有兼顾小体积的同时具有宽通带、宽阻带、输出振幅平稳、设计简单、成本低廉的特点，适于广泛推广。

Description

一种基于三线耦合结构的宽带通响应同向定向耦合器

技术领域

本发明涉及一种滤波耦合器领域，尤其涉及一种基于三线耦合结构的宽带通响应同向定向耦合器。

背景技术

带通滤波器作为射频终端重要组成部件之一，具有选择信号抑制噪声等功能，对抑制带外杂波，提高无线通信系统的信号传输质量具有十分重要的作用。带通滤波器作为滤波器中最重要的类型之一，目前已经得到了许多功能扩展性的研究，包括多频、宽带、可重构、小型化等方面。定向耦合器作为微波无线通信线路中重要的无源器件，可以实现输出端口信号的不同比列分配、传输和相移等功能，在射频收发信机以及功率放大系统等多方面设计中均起到重要的作用。其中正交定向耦合器由于具有正交的相移输出，在圆极化天线馈网等应用中更具优势。由于正交耦合器和滤波器二者本身的设计就各自具有一定的难度，因此，常见的是，对二者进行50欧姆匹配端口单独设计，然后利用微带传输线或者是阻抗变换设备进行级联，这往往会造成体积大、带宽窄、插入损耗高等不可避免的问题。而对自身就可以实现带通滤波功能的正交定向耦合器的研究设计可以解决上述问题，具有较高的研究价值和现实意义。

目前对滤波型正交定向耦合器的研究中常见的是基于双分支耦合器和平行耦合线结构的基础上进行的滤波性功能扩展。其中基于双分支耦合器结构的研究大多数具有体积大、通带窄的设计缺点，并不适用于大数据现代对无线移动终端设备提出的小型化、宽带化等多方面高要求；通常无法实现紧耦合输出，其应用场合受限。虽然已经有部分研究可以同时实现宽带和小型化，但是缺点是设计复杂且通带标准不高。因此，对兼顾小体积的同时可实现宽通带、宽阻带，高匹配标准的滤波型正交定向耦合器的简单设计，有利于使定向耦合器应用在更多宽带化、集成化、低成本的微波领域当中。

发明内容

一种基于三线耦合结构的宽带通响应同向定向耦合器，包括：电感加载平行耦合线、阶跃阻抗微带线、等线宽三线耦合线、并联开路微带线和四个50欧姆匹配端口；

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、第一集总电感，所述阶跃阻抗微带线包括第一阶跃阻抗微带线、第二阶跃阻抗微带线、第三阶跃阻抗微带线、第四阶跃阻抗微带线，所述等线宽三线耦合线包括第一等线宽三线耦合线、第二等线宽三线耦合线、第三等线宽三线耦合线、第四等线宽三线耦合线，所述并联开路微带线包括第一并联开路微带线、第二并联开路微带线；

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、第四耦合线，所述第一阶跃阻抗微带线包括第一微带线、第二微带线、第三微带线，所述第二阶跃阻抗微带线包括第四微带线、第五微带线、第六微带线，所述第三阶跃阻抗微带线包括第七微带线、第八微带线、第九微带线，所述第四阶跃阻抗微带线包括第十微带线、第十一微带线、第十二微带线，所述第一等线宽三线耦合线包括第五耦合线、第六耦合线、第七耦合线，所述第二等线宽三线耦合线包括第八耦合线、第九耦合线、第十耦合线，所述第三等线宽三线耦合线包括第十一耦合线、第十二耦合线、第十三耦合线，所述第四等线宽三线耦合线包括第十四耦合线、第十五耦合线、第十六耦合线，所述第一并联开路微带线包括第十三微带线、第十四微带线，所述第二并联开路微带线包括第十五微带线、第十六微带线；

所述第一微带线与第二微带线左端连接，第二微带线与第一微带线的右端以及第三微带线的左端连接，第三微带线与第二微带线的右端以及第一耦合线的左端连接；所述第四微带线与第五微带线右端连接，第五微带线与第四微带线的左端以及第六微带线的右端连接，第六微带线与第五微带线的左端以及第三耦合线的右端连接；所述第七微带线与第八微带线左端连接，第八微带线与第七微带线的右端以及第九微带线的左端连接，第九微带线与第八微带线的右端以及第二耦合线的左端连接；所述第十微带线与第十一微带线右端连接，第十一微带线与第十微带线的左端以及第十二微带线的右端连接，第十二微带线与第十一微带线的左端以及第四耦合线的右端连接；所述第一耦合线与第三微带线的右端以及第三耦合线的左端连接，第二耦合线与第九微带线的右端以及第四耦合线的左端连接；所述第三耦合线与第六微带线的左端以及第一耦合线的右端连接，第四耦合线与第十二微带线的左端以及第二耦合线的右端连接；所述第五耦合线上端与第七耦合线上端连接，第六耦合线下端与第一耦合线左端连接；所述第八耦合线上端与第十耦合线上端连接，第九耦合线下端与第三耦合线右端连接；所述第十一耦合线上端与第十三耦合线上端连接，第十二耦合线下端与第二耦合线左端连接；所述第十四耦合线上端与第十六耦合线上端连接，第十五耦合线下端与第四耦合线右端连接；第一并联微带线下端与第一耦合线右端连接、第二并联微带线上端第二耦合线右端连接；所述第一微带线左端与地连接，第四微带线右端与地连接，第七微带线左端与地连接，第十微带线右端与地连接；所述第五耦合线上端和第七耦合线上端与端口连接，第八耦合线上端和第十耦合线上端与端口连接，第十一耦合线上端和第十三耦合线上端与端口连接，第十四耦合线上端和第十六耦合线上端与端口连接；所述第一集总电感位于第一耦合线右端和第二耦合线右端之间；

所述第一段平行耦合线和第二段平行耦合线具有相同的奇偶模特性阻抗和电长度；所述第一等线宽三线耦合线、第二等线宽三线耦合线、第三等线宽三线耦合线、第四等线宽三线耦合线具有相同的奇偶模特性阻抗和电长度；所述第一并联开路微带线和第二并联开路微带线具有相同的特性阻抗和电长度；所述第一微带线、第三微带线、第四微带线、第六微带线、第七微带线、第九微带线、第十微带线和第十二微带线具有相同的特性阻抗和电长度；所述第二微带线、第五微带线、第八微带线和第十一微带线具有相同的特性阻抗和电长度；所述第二微带线的电长度等于第一微带线和第三微带线电长度之和，所述第五微带线的电长度等于第四微带线和第六微带线电长度之和，所述第八微带线的电长度等于第七微带线和第九微带线电长度之和，所述第十一微带线的电长度等于第十微带线和第十二微带线电长度之和；

进一步地，通过采用所述第一段平行耦合线、第二段平行耦合线和第一集总电感，可以实现宽通带响应和小型化；通过采用所述第一等线宽三线耦合线、第二等线宽三线耦合线、第三等线宽三线耦合线和第四等线宽三线耦合线可以在较宽的通带范围内形成三个谐振点；通过采用第一并联开路微带线、第二并联开路微带线可以实现谐波抑制；通过采用第一阶跃阻抗微带线、第二阶跃阻抗微带线、第三阶跃阻抗微带线、第四阶跃阻抗微带线可以在高频部分引入多个谐波抑制形成宽阻带响应；

进一步地，所述第一等线宽三线耦合线、第二等线宽三线耦合线、第三等线宽三线耦合线、第四等线宽三线耦合线中各个微带线的线宽和电长度完全相同；

进一步地，所述第一阶跃阻抗微带线、第二阶跃阻抗微带线、第三阶跃阻抗微带线、第四阶跃阻抗微带线、第一并联开路微带线和第二并联开路微带线的电长度和特性阻抗与电路整体带外滤波效果有关，在兼顾所需通带宽度、加工技术和版图布局等因素上，其特性阻抗越小越好；

进一步地，所述第一等线宽三线耦合线、第二等线宽三线耦合线、第三等线宽三线耦合线、第四等线宽三线耦合线各自的电长度设定为90°；所述第一阶跃阻抗微带线、第二阶跃阻抗微带线、第三阶跃阻抗微带线、第四阶跃阻抗微带线各自的电长度设定为90°；所述第一并联开路微带线、第二并联开路微带线各自的电长度设定为45°以实现二倍频处谐波抑制；

进一步地，根据定向耦合器端口S参数需求，设立算法优化目标函数O_b：

O_b＝m₁+m₂+m₃+m₄

其中，N是采样点数，f_i是第i个采样频点，C_P是电路的耦合系数k对应的耦合度，单位dB，δ是输出端口振幅波动幅度，单位dB

其中

其中

其中，Z₀是50欧姆匹配端口的阻抗值；

其中

Z₁＝-0.5j(Z_ea+Z_oa)cot(θ_(e,o)a)

Z₅＝-0.5j(Z_ea-Z_oa)csc(θ_(e,o)a)

Z₆＝-0.5jK_a(Z_ea-Z_oa)cot(θ_(e,o)a)

其中

其中，ω是角频率；Z_e和Z_o分别是第一段平行耦合线、第二段平行耦合线的偶模特性阻抗和奇模特性阻抗；Z_ea和Z_oa分别是第一等线宽三线耦合线、第二等线宽三线耦合线、第三等线宽三线耦合线、第四等线宽三线耦合线的偶模特性阻抗和奇模特性阻抗；θ_e和θ_o分别是第一段平行耦合线、第二段平行耦合线的偶模电长度和奇模电长度；θ_ea和θ_oa分别是第一等线宽三线耦合线、第二等线宽三线耦合线、第三等线宽三线耦合线、第四等线宽三线耦合线的偶模电长度和奇模电长度；θ_(e,o)a是θ_ea和θ_oa的合并简写形式；Z₁和θ₁分别是第二微带线、第五微带线、第八微带线和第十一微带线的特性阻抗和电长度；Z₂和θ₂分别是第一微带线、第三微带线、第四微带线、第六微带线、第七微带线、第九微带线、第十微带线和第十二微带线的特性阻抗和电长度；Z₃和θ₃分别是第一并联开路微带线和第二并联开路微带线的特性阻抗和电长度；K_a是第一等线宽三线耦合线、第二等线宽三线耦合线、第三等线宽三线耦合线、第四等线宽三线耦合线的耦合系数，通常定义为0.5；L₁是第一集总电感的电感值。

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，同时具有相对小的体积。由于采用了上述技术方案，本发明提供的具有宽通带响应的滤波型正交定向耦合器设计结构简单、加工简单、成本低廉、功能集成，有利于使定向耦合器应用在更多宽带化、集成化、低成本的微波领域当中。

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是本发明所述一种基于三线耦合结构的宽带通响应同向定向耦合器的实际结构示意图；

图2是本发明所述一种基于三线耦合结构的宽带通响应同向定向耦合器的偶-偶模等效电路图；

图3是本发明所述一种基于三线耦合结构的宽带通响应同向定向耦合器的偶-奇模等效电路图；

图4是本发明所述一种基于三线耦合结构的宽带通响应同向定向耦合器的奇-偶模等效电路图；

图5是本发明所述一种基于三线耦合结构的宽带通响应同向定向耦合器的奇-奇模等效电路图；

图6是本发明所述一种基于三线耦合结构的宽带通响应同向定向耦合器的串联等线宽交指耦合三线端口分析示意图；

图7是本发明所述一种基于三线耦合结构的宽带通响应同向定向耦合器的优化算法流程图；

图8是本发明所述一种基于三线耦合结构的宽带通响应同向定向耦合器的S 参数曲线图；

图9是本发明所述一种基于三线耦合结构的宽带通响应同向定向耦合器的输出端口相位差图；

图中：11、第一段平行耦合线，12、第二段平行耦合线，13、第一集总电感，21、第一阶跃阻抗微带线，22、第二阶跃阻抗微带线，23、第三阶跃阻抗微带线， 24、第四阶跃阻抗微带线，31、第一等线宽三线耦合线，32、第二等线宽三线耦合线，33、第三等线宽三线耦合线，34、第四等线宽三线耦合线，41、第一并联开路微带线，42、第二并联开路微带线，111、第一耦合线，112、第二耦合线， 121、第三耦合线，122第四耦合线，311、第五耦合线，312、第六耦合线，313、第七耦合线，321、第八耦合线，322、第九耦合线，323、第十耦合线，331、第十一耦合线，332、第十二耦合线，333、第十三耦合线，341、第十四耦合线， 342、第十五耦合线，343第十六耦合线，211、第一微带线，212、第二微带线， 213、第三微带线，221、第四微带线，222、第五微带线，223、第六微带线，231、第七微带线，232、第八微带线，233、第九微带线，241、第十微带线，242、第十一微带线，243、第十二微带线，第十三微带线，412、第十四微带线，421、第十五微带线，422、第十六微带线。

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为本发明一种基于三线耦合结构的宽带通响应同向定向耦合器实际结构示意图，本实例的耦合器可以包括；

电感加载平行耦合线、阶跃阻抗微带线、等线宽三线耦合线、并联开路微带线和四个50欧姆匹配端口；

所述电感加载平行耦合线包括第一段平行耦合线11、第二段平行耦合线12、第一集总电感13，所述阶跃阻抗微带线包括第一阶跃阻抗微带线21、第二阶跃阻抗微带线22、第三阶跃阻抗微带线23、第四阶跃阻抗微带线24，所述等线宽三线耦合线包括第一等线宽三线耦合线31、第二等线宽三线耦合线32、第三等线宽三线耦合线33、第四等线宽三线耦合线34，所述并联开路微带线包括第一并联开路微带线41、第二并联开路微带线42；

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、第四耦合线122，所述第一阶跃阻抗微带线21包括第一微带线211、第二微带线212、第三微带线213，所述第二阶跃阻抗微带线22包括第四微带线221、第五微带线222、第六微带线223，所述第三阶跃阻抗微带线23包括第七微带线231、第八微带线232、第九微带线233，所述第四阶跃阻抗微带线24包括第十微带线241、第十一微带线242、第十二微带线243，所述第一等线宽三线耦合线31包括第五耦合线311、第六耦合线312、第七耦合线313，所述第二等线宽三线耦合线32包括第八耦合线321、第九耦合线322、第十耦合线323，所述第三等线宽三线耦合线33包括第十一耦合线(331)、第十二耦合线332、第十三耦合线333，所述第四等线宽三线耦合线34包括第十四耦合线341、第十五耦合线342、第十六耦合线343，所述第一并联开路微带线41包括第十三微带线411、第十四微带线412，所述第二并联开路微带线42 包括第十五微带线421、第十六微带线422；

所述第一微带线211与第二微带线212左端连接，第二微带线212与第一微带线211右端连接和第三微带线213左端连接，第三微带线213与第二微带线 212右端连接和第一耦合线111左端连接；所述第四微带线221与第五微带线222 右端连接，第五微带线222与第四微带线221左端连接和第六微带线223右端连接，第六微带线223与第五微带线222左端连接和第三耦合线121右端连接；所述第七微带线231与第八微带线232左端连接，第八微带线232与第七微带线 231右端连接和第九微带线233左端连接，第九微带线233与第八微带线232右端连接和第二耦合线112左端连接；所述第十微带线241与第十一微带线242右端连接，第十一微带线242与第十微带线241左端连接和第十二微带线243右端连接，第十二微带线243与第十一微带线242左端连接和第四耦合线122右端连接；所述第一耦合线111与第三微带线213右端连接和第三耦合线121左端连接，第二耦合线112与第九微带线233右端连接和第四耦合线122左端连接；所述第三耦合线121与第六微带线223左端连接和第一耦合线111右端连接，第四耦合线122与第十二微带线243左端连接和第二耦合线112右端连接；所述第五耦合线311上端与第七耦合线313上端连接，第六耦合线312下端与第一耦合线111左端连接；所述第八耦合线321上端与第十耦合线323上端连接，第九耦合线 322下端与第三耦合线121右端连接；所述第十一耦合线331上端与第十三耦合线333上端连接，第十二耦合线332下端与第二耦合线112左端连接；所述第十四耦合线341上端与第十六耦合线343上端连接，第十五耦合线342下端与第四耦合线122右端连接；第一并联微带线41下端与第一耦合线111右端连接、第二并联微带线42上端第二耦合线112右端连接；所述第一微带线211左端与地连接，第四微带线221右端与地连接，第七微带线231左端与地连接，第十微带线241右端与地连接；所述第五耦合线311上端和第七耦合线313上端与端口连接，第八耦合线321上端和第十耦合线323上端与端口连接，第十一耦合线331 上端和第十三耦合线333上端与端口连接，第十四耦合线341上端和第十六耦合线343上端与端口连接；所述第一集总电感13位于第一耦合线111右端和第二耦合线112右端之间；

所述第一段平行耦合线11和第二段平行耦合线12具有相同的奇偶模特性阻抗和电长度；所述第一等线宽三线耦合线31、第二等线宽三线耦合线32、第三等线宽三线耦合线33、第四等线宽三线耦合线34具有相同的奇偶模特性阻抗和电长度；所述第一并联开路微带线41和第二并联开路微带线42具有相同的特性阻抗和电长度；所述第一微带线211、第三微带线213、第四微带线221、第六微带线223、第七微带线231、第九微带线233、第十微带线241和第十二微带线243具有相同的特性阻抗和电长度；所述第二微带线212、第五微带线222、第八微带线232和第十一微带线242具有相同的特性阻抗和电长度；所述第二微带线212的电长度等于第一微带线211和第三微带线213电长度之和，所述第五微带线222的电长度等于第四微带线221和第六微带线223电长度之和，所述第八微带线232的电长度等于第七微带线231和第九微带线233电长度之和，所述第十一微带线242的电长度等于第十微带线241和第十二微带线243电长度之和；

进一步地，通过采用所述第一段平行耦合线11、第二段平行耦合线12和第一集总电感13，可以实现宽通带响应和小型化；通过采用所述第一等线宽三线耦合线31、第二等线宽三线耦合线32、第三等线宽三线耦合线33和第四等线宽三线耦合线34可以在较宽的通带范围内形成三个谐振点；通过采用第一并联开路微带线41、第二并联开路微带线42可以实现谐波抑制；通过采用第一阶跃阻抗微带线21、第二阶跃阻抗微带线22、第三阶跃阻抗微带线23、第四阶跃阻抗微带线24可以在高频部分引入多个谐波抑制形成宽阻带响应；

进一步地，所述第一等线宽三线耦合线31、第二等线宽三线耦合线32、第三等线宽三线耦合线33、第四等线宽三线耦合线34中各个微带线的线宽和电长度完全相同；

进一步地，所述第一阶跃阻抗微带线21、第二阶跃阻抗微带线22、第三阶跃阻抗微带线23、第四阶跃阻抗微带线24、第一并联开路微带线41和第二并联开路微带线42的电长度和特性阻抗与电路整体带外滤波效果有关，在兼顾所需通带宽度、加工技术和版图布局等因素上，其特性阻抗越小越好；

进一步地，所述第一等线宽三线耦合线31、第二等线宽三线耦合线32、第三等线宽三线耦合线33、第四等线宽三线耦合线34各自的电长度设定为90°；所述第一阶跃阻抗微带线21、第二阶跃阻抗微带线22、第三阶跃阻抗微带线23、第四阶跃阻抗微带线24各自的电长度设定为90°；所述第一并联开路微带线41、第二并联开路微带线42各自的电长度设定为45°以实现二倍频处谐波抑制；

具体来说，本实施例中电感加载平行耦合线的耦合系数为k，其功分比为

可以实现耦合端口和直通端口两个输出端口之间任意的功率分配比。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，计算不同模式电路端口输入阻抗。利用耦合器设计需求，选定部分电路参量，利用优化算法，计算本实施例实际所示的耦合器的剩余电路参量。

根据奇偶模等效原理，偶模激励下定向耦合器对称面上电流为零，等效为开路。奇模激励下定向耦合器对称面上电压为零，等效为短路。图2给出了本发明定向耦合器的偶-偶模等效电路，图3给出了本发明定向耦合器的偶-奇模等效电路。图中，Z_e是第一段平行耦合线11、第二段平行耦合线12的偶模特性阻抗； Z_ea是第一等线宽三线耦合线31、第二等线宽三线耦合线32、第三等线宽三线耦合线33、第四等线宽三线耦合线34的偶模特性阻抗；Z₁是第二微带线212、第五微带线222、第八微带线232和第十一微带线242的特性阻抗；Z₂是第一微带线211、第三微带线213、第四微带线221、第六微带线223、第七微带线231、第九微带线233、第十微带线241和第十二微带线243的特性阻抗；Z₃是第一并联开路微带线41和第二并联开路微带线42的特性阻抗；θ_e是第一段平行耦合线 11、第二段平行耦合线12的偶模电长度；θ_ea是第一等线宽三线耦合线31、第二等线宽三线耦合线32、第三等线宽三线耦合线33、第四等线宽三线耦合线34 的偶模电长度；θ₁是第二微带线212、第五微带线222、第八微带线232和第十一微带线242的电长度；θ₂是第一微带线211、第三微带线213、第四微带线221、第六微带线223、第七微带线231、第九微带线233、第十微带线241和第十二微带线243的电长度；θ₃是第一并联开路微带线41和第二并联开路微带线42的电长度；

图4给出了本发明定向耦合器的奇-偶模等效电路，图5给出了本发明定向耦合器的奇-奇模等效电路。图中，Z_o是第一段平行耦合线11、第二段平行耦合线12的奇模特性阻抗；Z_oa是第一等线宽三线耦合线31、第二等线宽三线耦合线32、第三等线宽三线耦合线33、第四等线宽三线耦合线34的奇模特性阻抗；Z₁是第二微带线212、第五微带线222、第八微带线232和第十一微带线242的特性阻抗；Z₂是第一微带线211、第三微带线213、第四微带线221、第六微带线 223、第七微带线231、第九微带线233、第十微带线241和第十二微带线243的特性阻抗；Z₃是第一并联开路微带线41和第二并联开路微带线42的特性阻抗；θ_o是第一段平行耦合线11、第二段平行耦合线12的奇模电长度；θ_oa是第一等线宽三线耦合线31、第二等线宽三线耦合线32、第三等线宽三线耦合线33、第四等线宽三线耦合线34的奇模电长度；θ₁是第二微带线212、第五微带线222、第八微带线232和第十一微带线242的电长度；θ₂是第一微带线211、第三微带线 213、第四微带线221、第六微带线223、第七微带线231、第九微带线233、第十微带线241和第十二微带线243的电长度；θ₃是第一并联开路微带线41和第二并联开路微带线42的电长度；L₁是第一集总电感13的电感值；

图6给出了本发明定向耦合器的等线宽三线耦合线端口分析示意图。Z_ea是第一等线宽三线耦合线31、第二等线宽三线耦合线32、第三等线宽三线耦合线 33、第四等线宽三线耦合线34的偶模特性阻抗；Z_oa是第一等线宽三线耦合线31、第二等线宽三线耦合线32、第三等线宽三线耦合线33、第四等线宽三线耦合线 34的奇模特性阻抗；θ_ea是第一等线宽三线耦合线31、第二等线宽三线耦合线32、第三等线宽三线耦合线33、第四等线宽三线耦合线34的偶模电长度；θ_oa是第一等线宽三线耦合线31、第二等线宽三线耦合线32、第三等线宽三线耦合线33、第四等线宽三线耦合线34的奇模电长度；V_i(i＝1,2......,6)是等线宽三线耦合线第i端口上的电压；I_i(i＝1,2......,6)是等线宽三线耦合线第i端口上的电流；

图7给出了本发明所述定向耦合器的算法优化流程图。首先要确定电路中心频率f₀、耦合系数k、振幅波动δ和通带带宽；第二步，确定采样点数N和采样频点f_i；第三步，根据电路奇偶模分析方法，计算电路S参数；第四步，根据定向耦合器的传输特性，确定优化目标函数；第五步，确定目标函数收敛误差τ，启动优化算法程序；第六步，判断优化目标函数值是否小于等于目标函数收敛误差τ，，否的话，返回上一步继续优化，是的话，输出此时计算结果，并结束该优化算法程序；

由图2、图3、图4和图5所示的等效电路的输入阻抗，根据定向耦合器的传输特性，设定求解目标函数，利用优化算法，可以得到本发明正交定向耦合器的电路参数，求解步骤如下：

步骤1：为了简便分析，固定第一等线宽三线耦合线31、第二等线宽三线耦合线32、第三等线宽三线耦合线33、第四等线宽三线耦合线34的奇偶模电长度θ_ea和θ_oa均为90°；为了获得宽带响应，固定第一等线宽三线耦合线31、第二等线宽三线耦合线32、第三等线宽三线耦合线33、第四等线宽三线耦合线34的耦合系数K_a均为0.5；设定第一阶跃阻抗微带线21、第二阶跃阻抗微带线22、第三阶跃阻抗微带线23、第四阶跃阻抗微带线24各自总的电长度2θ₂+θ₁＝90°；定义第二微带线212、第五微带线222、第八微带线232和第十一微带线242的电长度θ₁均为45°；第一微带线211和第三微带线213、第四微带线221和第六微带线223、第七微带线231和第九微带线233、第十微带线241和第十二微带线243 的电长度θ₂均为第二微带线212、第五微带线222、第八微带线232和第十一微带线242的电长度θ₁的一半，均为22.5°；为了实现二倍频处谐波抑制，第一并联微带线41、第二并联微带线42各自的电长度θ₃设定为45°，在兼顾电路整体布局以及实际加工精度的问题，微带线宽度不能太宽，最终选定第一并联开路微带线41、第二并联开路微带线42各自的特性阻抗Z₃为50Ω；为了体现出小的体积，第一段平行耦合线11、第二段平行耦合线12的奇偶模电长度θ_e和θ_o均设定为37°(≤90°)；由于实际加工时高频贴片电感的选值限定问题，以及为了减小优化算法因未知量过多造成的无法收敛以及误差较大等问题，在本实施例中，第一集总电感13的电感值L₁设定为1.8nH；

步骤:1：根据图2、图3、图4和图5所示的等效电路计算其输入阻抗的关系表达式为：

其中

Z₁＝-0.5j(Z_ea+Z_oa)cot(θ_(e,o)a)

Z₅＝-0.5j(Z_ea-Z_oa)csc(θ_(e,o)a)

Z₆＝-0.5jK_a(Z_ea-Z_oa)cot(θ_(e,o)a)

其中

步骤:2：以图2、图3、图4和图5所示的等效电路计算其输入阻抗关系表达式Z_ee，Z_eo，Z_oe和Z_oo为自由变量，代入以下二维对称四端口网络的S参数表达式，可以得到包含所有电路设计参数的S参数设计公式(Z_e,Z_o,Z_ea,Z_oa,Z₁,Z₂,Z₃, θ_e,θ_o,θ_ea,θ_oa,θ₁,θ₂,θ₃,L₁)：

其中，Z₀是50欧姆匹配端口的阻抗值；

步骤3：根据定向耦合器端口S参数需求，设立算法优化目标函数O_b：

O_b＝m₁+m₂+m₃+m₄

其中，N是采样点数，f_i是第i个采样频点，C_P是电路的耦合系数k对应的耦合度，单位dB，δ是输出端口振幅波动幅度，单位dB

步骤4：启动优化算法，对剩余未知参数(Z_e,Z_o,Z_ea,Z_oa,Z₁,Z₂)进行算法优化，并最终得到一组结果；

步骤5：对电路进行版图建模仿真，对优化出来的参数进行微调，并根据仿真结果，最终确定电路所有参数值；

在本发明的具体实施例中，该正交定向耦合器的中心频率是3GHz，耦合度 C_P为3dB，对应的耦合系数k是0.707；给定通带范围为2.2GHz到3.7GHz(50％)；给定输出端口振幅波动幅度δ是±0.5dB。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：3GHz

通带：|S₁₁|≤-10dB

阻带：|S₂₁|&|S₃₁|≤-10dB

隔离度：|S₄₁|≤-10dB

端口输出振幅不平衡度：|AP|≤±0.5dB

输出端口相位差：90°±5°

根据表1该实施例所得的阻抗值、电长度以及集总电感值，设计本发明一种基于三线耦合结构的宽带通响应同向定向耦合器。

如图8所示，本发明提出的一种基于三线耦合结构的宽带通响应同向定向耦合器在示例中心频率3GHz处，回波损耗|S₁₁|为-24.4dB、隔离端输出|S₄₁|为 -22.2dB，直通端输出|S₂₁|为-2.85dB、耦合端输出|S₃₁|为-3.85dB，输出端口相位差值为88.2°，仿真结果表明满足预计技术指标，说明本发明提出的定向耦合器同时具有良好的匹配、隔离以及功率均匀分配的性能。本发明提出的定向耦合器在频率2.43GHz到3.93GHz范围内，回波损耗|S₁₁|≤-10dB，计算通带相对带宽为50％，在频率2.51GHz到3.87GHz范围内，回波损耗|S₁₁|≤-15dB，计算通带相对带宽为45.3％，说明本发明提出的定向耦合器具有较宽的匹配效果较好的阻抗带宽。在通带频率范围内|S₂₁|≤-10dB，说明本发明提出的定向耦合器具有较好的端口隔离度。在频率2.58GHz到3.68GHz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36.7％，说明本发明提出的定向耦合器具有良好的输出振幅平稳性。

如图8所示，本发明提出的一种基于三线耦合结构的宽带通响应同向定向耦合器在频率低于1.48GHz范围内(约0.5f₀)、在频率4.2GHz到8.1GHz范围内 (2.7f₀)|S₂₁|&|S₃₁|≤-10dB，说明本发明提出的定向耦合器具有较宽的阻带带宽，较好的带外滤波效果。本发明提出的定向耦合器体积为0.75λ_g×0.6λ_g，其中λ_g是中心频率3GHz对应的波导波长，说明本发明提出的耦合器体积较小。以上描述表明，本发明提出的定向耦合器在兼顾小体积的同时具有宽通带、宽阻带、输出振幅平稳、设计简单成本低廉的优点。

如图9所示，本发明提出的一种基于三线耦合结构的宽带通响应同向定向耦合器在示例中心频率3GHz处及附近频带2.3GHz到3.9GHz内(53.3％)，输出端口相位差满足90°±5°，说明本发明提出的定向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 (4)

1.一种基于三线耦合结构的宽带通响应同向定向耦合器，其特征在于包括：电感加载平行耦合线、阶跃阻抗微带线、等线宽三线耦合线、并联开路微带线和四个50欧姆匹配端口；

所述电感加载平行耦合线包括第一段平行耦合线(11)、第二段平行耦合线(12)、第一集总电感(13)，所述阶跃阻抗微带线包括第一阶跃阻抗微带线(21)、第二阶跃阻抗微带线(22)、第三阶跃阻抗微带线(23)、第四阶跃阻抗微带线(24)，所述等线宽三线耦合线包括第一等线宽三线耦合线(31)、第二等线宽三线耦合线(32)、第三等线宽三线耦合线(33)、第四等线宽三线耦合线(34)，所述并联开路微带线包括第一并联开路微带线(41)、第二并联开路微带线(42)；

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)、第四耦合线(122)，所述第一阶跃阻抗微带线(21)包括第一微带线(211)、第二微带线(212)、第三微带线(213)，所述第二阶跃阻抗微带线(22)包括第四微带线(221)、第五微带线(222)、第六微带线(223)，所述第三阶跃阻抗微带线(23)包括第七微带线(231)、第八微带线(232)、第九微带线(233)，所述第四阶跃阻抗微带线(24)包括第十微带线(241)、第十一微带线(242)、第十二微带线(243)，所述第一等线宽三线耦合线(31)包括第五耦合线(311)、第六耦合线(312)、第七耦合线(313)，所述第二等线宽三线耦合线(32)包括第八耦合线(321)、第九耦合线(322)、第十耦合线(323)，所述第三等线宽三线耦合线(33)包括第十一耦合线(331)、第十二耦合线(332)、第十三耦合线(333)，所述第四等线宽三线耦合线(34)包括第十四耦合线(341)、第十五耦合线(342)、第十六耦合线(343)，所述第一并联开路微带线(41)包括第十三微带线(411)、第十四微带线(412)，所述第二并联开路微带线(42)包括第十五微带线(421)、第十六微带线(422)；

所述第一微带线(211)与第二微带线(212)左端连接，第二微带线(212)与第一微带线(211)的右端以及第三微带线(213)的左端连接，第三微带线(213)与第二微带线(212)的右端以及第一耦合线(111)的左端连接；所述第四微带线(221)与第五微带线(222)右端连接，第五微带线(222)与第四微带线(221)的左端以及第六微带线(223)的右端连接，第六微带线(223)与第五微带线(222)的左端以及第三耦合线(121)的右端连接；所述第七微带线(231)与第八微带线(232)左端连接，第八微带线(232)与第七微带线(231)的右端以及第九微带线(233)的左端连接，第九微带线(233)与第八微带线(232)的右端以及第二耦合线(112)的左端连接；所述第十微带线(241)与第十一微带线(242)右端连接，第十一微带线(242)与第十微带线(241)的左端以及第十二微带线(243)的右端连接，第十二微带线(243)与第十一微带线(242)的左端以及第四耦合线(122)的右端连接；所述第一耦合线(111)与第三微带线(213)的右端以及第三耦合线(121)的左端连接，第二耦合线(112)与第九微带线(233)的右端以及第四耦合线(122)的左端连接；所述第三耦合线(121)与第六微带线(223)的左端以及第一耦合线(111)的右端连接，第四耦合线(122)与第十二微带线(243)的左端以及第二耦合线(112)的右端连接；所述第五耦合线(311)上端与第七耦合线(313)上端连接，第六耦合线(312)下端与第一耦合线(111)左端连接；所述第八耦合线(321)上端与第十耦合线(323)上端连接，第九耦合线(322)下端与第三耦合线(121)右端连接；所述第十一耦合线(331)上端与第十三耦合线(333)上端连接，第十二耦合线(332)下端与第二耦合线(112)左端连接；所述第十四耦合线(341)上端与第十六耦合线(343)上端连接，第十五耦合线(342)下端与第四耦合线(122)右端连接；第一并联微带线(41)下端与第一耦合线(111)右端连接、第二并联微带线(42)上端第二耦合线(112)右端连接；所述第一微带线(211)左端与地连接，第四微带线(221)右端与地连接，第七微带线(231)左端与地连接，第十微带线(241)右端与地连接；所述第五耦合线(311)上端和第七耦合线(313)上端与端口连接，第八耦合线(321)上端和第十耦合线(323)上端与端口连接，第十一耦合线(331)上端和第十三耦合线(333)上端与端口连接，第十四耦合线(341)上端和第十六耦合线(343)上端与端口连接；所述第一集总电感(13)位于第一耦合线(111)右端和第二耦合线(112)右端之间；

所述第一段平行耦合线(11)和第二段平行耦合线(12)具有相同的奇偶模特性阻抗和电长度；所述第一等线宽三线耦合线(31)、第二等线宽三线耦合线(32)、第三等线宽三线耦合线(33)、第四等线宽三线耦合线(34)具有相同的奇偶模特性阻抗和电长度；所述第一并联开路微带线(41)和第二并联开路微带线(42)具有相同的特性阻抗和电长度；所述第一微带线(211)、第三微带线(213)、第四微带线(221)、第六微带线(223)、第七微带线(231)、第九微带线(233)、第十微带线(241)和第十二微带线(243)具有相同的特性阻抗和电长度；所述第二微带线(212)、第五微带线(222)、第八微带线(232)和第十一微带线(242)具有相同的特性阻抗和电长度；所述第二微带线(212)的电长度等于第一微带线(211)和第三微带线(213)电长度之和，所述第五微带线(222)的电长度等于第四微带线(221)和第六微带线(223)电长度之和，所述第八微带线(232)的电长度等于第七微带线(231)和第九微带线(233)电长度之和，所述第十一微带线(242)的电长度等于第十微带线(241)和第十二微带线(243)电长度之和；

根据定向耦合器端口S参数需求，通过设立算法优化目标函数O_b优化定向偶尔器的结构参数

O_b＝m₁+m₂+m₃+m₄

其中，N是采样点数，f_i是第i个采样频点，C_P是电路的耦合系数k对应的耦合度，单位dB，δ是输出端口振幅波动幅度，单位dB

其中

其中

其中，Z₀是50欧姆匹配端口的阻抗值；

其中

Z₁＝-0.5j(Z_ea+Z_oa)cot(θ_(e,o)a)

Z₅＝-0.5j(Z_ea-Z_oa)csc(θ_(e,o)a)

Z₆＝-0.5jK_a(Z_ea-Z_oa)cot(θ_(e,o)a)

其中

其中，ω是角频率；Z_e和Z_o分别是第一段平行耦合线(11)、第二段平行耦合线(12)的偶模特性阻抗和奇模特性阻抗；Z_ea和Z_oa分别是第一等线宽三线耦合线(31)、第二等线宽三线耦合线(32)、第三等线宽三线耦合线(33)、第四等线宽三线耦合线(34)的偶模特性阻抗和奇模特性阻抗；θ_e和θ_o分别是第一段平行耦合线(11)、第二段平行耦合线(12)的偶模电长度和奇模电长度；θ_ea和θ_oa分别是第一等线宽三线耦合线(31)、第二等线宽三线耦合线(32)、第三等线宽三线耦合线(33)、第四等线宽三线耦合线(34)的偶模电长度和奇模电长度；θ_(e,o)a是θ_ea和θ_oa的合并简写形式；Z₁和θ₁分别是第二微带线(212)、第五微带线(222)、第八微带线(232)和第十一微带线(242)的特性阻抗和电长度；Z₂和θ₂分别是第一微带线(211)、第三微带线(213)、第四微带线(221)、第六微带线(223)、第七微带线(231)、第九微带线(233)、第十微带线(241)和第十二微带线(243)的特性阻抗和电长度；Z₃和θ₃分别是第一并联开路微带线(41)和第二并联开路微带线(42)的特性阻抗和电长度；K_a是第一等线宽三线耦合线(31)、第二等线宽三线耦合线(32)、第三等线宽三线耦合线(33)、第四等线宽三线耦合线(34)的耦合系数；L₁是第一集总电感(13)的电感值。

2.根据权利要求1所述的基于三线耦合结构的宽带通响应同向定向耦合器，其特征在于：所述第一等线宽三线耦合线(31)、第二等线宽三线耦合线(32)、第三等线宽三线耦合线(33)和第四等线宽三线耦合线(34)在宽通带范围内形成三个谐振点；所述第一阶跃阻抗微带线(21)、第二阶跃阻抗微带线(22)、第三阶跃阻抗微带线(23)、第四阶跃阻抗微带线(24)在高频部分引入多个谐波抑制形成宽阻带响应。

3.根据权利要求1所述的基于三线耦合结构的宽带通响应同向定向耦合器，其特征在于：所述第一等线宽三线耦合线(31)、第二等线宽三线耦合线(32)、第三等线宽三线耦合线(33)、第四等线宽三线耦合线(34)中各个微带线的线宽和电长度完全相同。

4.根据权利要求1所述的一种基于三线耦合结构的宽带通响应同向定向耦合器，其特征在于：所述第一等线宽三线耦合线(31)、第二等线宽三线耦合线(32)、第三等线宽三线耦合线(33)、第四等线宽三线耦合线(34)各自的电长度设定为90°；所述第一阶跃阻抗微带线(21)、第二阶跃阻抗微带线(22)、第三阶跃阻抗微带线(23)、第四阶跃阻抗微带线(24)各自的电长度设定为90°；所述第一并联开路微带线(41)、第二并联开路微带线(42)各自的电长度设定为45°以实现二倍频处谐波抑制。

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