CN114628876A - 一种微带线定向耦合器、射频收发机和矢量网络分析仪 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种微带线定向耦合器、射频收发机和矢量网络分析仪，微带线定向耦合器包括输入端口、直通端口、耦合端口、隔离端口和微带线电路。其中，微带线电路包括微带主线、微带副线和主副线连接电路，结构相同的微带主线和微带副线相对平行设置，主副线连接电路包括至少两个跨接电路，每个跨接电路包括至少两个电阻器，各个电阻器依次串联，串联后的两端与微带主线和微带副线分别电连接。由于通过串联的电阻器连接在微带主线和微带副线之间，使得微带线定向耦合器匹配频段更宽、插入损耗更小、端口驻波效果更好和耦合度更高，还易于在PCB板电路上集成，使得微带线定向耦合器的成产成本更低，利于大规模生产和适用领域更广。

Description

一种微带线定向耦合器、射频收发机和矢量网络分析仪

技术领域

本发明涉及通信测试仪器仪表技术领域，具体涉及一种微带线定向耦合器、射频收发机和矢量网络分析仪。

背景技术

矢量网络分析仪作为一款通用的S参数测试仪器，广泛应用于各科研院校、实验室和生产线，用于进行S参数测量，如应用于各种天线测试、腔体滤波器测试、介质滤波器测试、环形器测试、耦合器测试、分路器和合路器测试等。矢量网络分析仪的性能与定向耦合器息息相关，既要保证微带线定向耦合器能使矢量网络分析仪正常工作，又要控制微带线定向耦合器的成本。微带线定向耦合器可以连接不同的电路结构，实现发射、接收等多种功能，在矢量网络分析仪等测量仪器中不可或缺。随着无线电子的发展，射频技术朝着高频段、集成化、智能化的方向不断前进，同时这就要求测量仪器的功能要紧随时代发展，矢量网络分析仪工作频段的升高也要求内部耦合器需要提升工作频段，提高工作带宽，减小插入损耗，提高隔离度。通过优化微带线定向耦合器，可以改善矢量网络分析仪的底噪、发射机功率精度、发射机幅度精度等指标。目前市场上矢量网络分析仪大部分的工作频段在9K-4.5GHz、9K-8.5GHz、9K-13.5GHz或者是9K-26.5GHz，有极少部分的工作频段是9K-50GHz。随着工作频段的升高，定向耦合器的成本越来越高，并且对微带线定向耦合器的要求越来越高，由于微带线自身的局限性，肯定不再适用于20GHz往上的工作频段，其插入损耗会随着工作频段的增减而增加，一旦插入损耗大于3dB，此时微带线定向耦合器将不再适用于矢量网络分析仪。采用波导的形式可以实现高频段的定向耦合，然而此种形式的耦合器却有尺寸大、成本高、难集成的缺点。因此需要研发一种微带线定向耦合器，既能控制其自身尺寸，又要容易集成PCB电路，既能提高工作带宽，又能减小插入损耗。

发明内容

本申请提供一种微带线定向耦合器，以解决现有技术中微带线定向耦合器不能满足矢量网络分析仪的参数要求的技术问题。

第一方面，一种实施例中提供一种微带线定向耦合器，包括输入端口、直通端口、耦合端口、隔离端口和微带线电路；

所述微带线电路包括微带主线、微带副线和主副线连接电路；

所述微带主线和微带副线为结构相同的微带线，且相对平行设置；

所述微带主线的两端分别与所述输入端口和所述直通端口电连接，所述微带副线的两端分别与所述耦合端口和所述隔离端口电连接，所述输入端口与所述耦合端口设置在所述微带主线和所述微带副线的同侧；

所述主副线连接电路包括至少两个跨接电路，每个所述跨接电路包括至少两个电阻器，各个电阻器依次串联，串联后的两端分别与所述微带主线和所述微带副线电连接。

一实施例中，所述主副线连接电路包括五个跨接电路。

一实施例中，每个所述跨接电路包括依次串联连接的三个电阻器。

一实施例中，所述跨接电路的每个电阻器的阻值相同。

一实施例中，微带线定向耦合器还包括PCB电路板；所述微带线电路设置在所述PCB电路板上；

相邻两个所述跨接电路之间的间距相同。

一实施例中，每个所述跨接电路两边的电阻器与所述微带主线或所述微带副线的电连接点设置在所述微带主线或所述微带副线上。

一实施例中，在相邻两个所述跨接电路之间的电路板上设有至少一个金属过孔，所述金属过孔用于增加相邻两个所述跨接电路之间的隔离度。

一实施例中，所述跨接电路的电阻器为电阻或电阻粉。

第二方面，一种实施例中提供一种射频收发机，包括第一方面所述的微带线定向耦合器。

第三方面，一种实施例中提供一种矢量网络分析仪，包括第一方面所述的微带线定向耦合器。

依据上述实施例的微带线定向耦合器，由于通过串联的电阻器连接在微带主线和微带副线之间，使得微带线定向耦合器匹配频段更宽、插入损耗更小、端口驻波效果更好和耦合度更高，还易于在PCB板电路上集成，使得微带线定向耦合器的成产成本更低，利于大规模生产和适用领域更广。

附图说明

图1为一种实施例中微带线定向耦合器的电路连接示意图；

图2为另一种实施例中微带线定向耦合器的电路连接示意图；

图3为一种实施例中微带线定向耦合器电路板的电路连接示意图；

图4为一种实施例中微带线定向耦合器的插入损耗曲线示意图；

图5为另一种实施例中微带线定向耦合器的插入损耗曲线示意图；

图6为另一种实施例中微带线定向耦合器的插入损耗曲线示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。

另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接（联接）。

在现有技术方案中，微带线定向耦合器采用电感加载平行耦合线、并联电容、并联开路线和四个50欧姆端口构成，通过电感跨接四段微带平衡线，外加两个并联电阻实现一个四端口网络（参见专利文献CN113437465A，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）。这种方案虽然体积小、易加工、结构简单，但是工作频段为1.6GHz-2.5GHz相对较窄，无法实际运用到仪器的制造中，并且电感、电容的参数值相对不稳定，不利于企业生产。在本申请实施例中，为了提高微带定向耦合电路的工作带宽、降低制作成本、易与PCB集成及减小插入损耗，提出了一种微带线定向耦合器，利用两段相对平行设置的微带线和多个跨接电阻串组成四端口网络，一端口是射频信号的输入端口RFIN，二端口是射频信号输出的直通端口RFOUT，三端口是耦合端口COUPLING，四端口是隔离端口ISOLATED，可以通过改变电阻串中各个电阻的阻值来实现不同的耦合性能指标。

实施例一

请参考图1，为一种实施例中微带线定向耦合器的电路连接示意图，微带线定向耦合器包括输入端口1、直通端口2、耦合端口3、隔离端口4和微带线电路。微带线电路包括微带主线10、微带副线20和主副线连接电路30。微带主线10和微带副线20为结构相同的微带线，且相对平行设置。微带主线10的两端分别与输入端口1和直通端口2电连接，微带副线20的两端分别与耦合端口3和隔离端口4电连接，输入端口1与耦合端口3设置在微带主线10和微带副线20的同侧，直通端口2和隔离端口4设置在微带主线10和微带副线20的另一侧，输入端口1是射频信号的输入端RFIN，直通端口2是射频信号输出的直通端RFOUT，耦合端口3是射频信号的耦合端COUPLING，隔离端口4是射频信号的隔离端ISOLATED。主副线连接电路30包括至少两个跨接电路31，每个跨接电路31包括至少两个电阻器，各个电阻器依次串联，串联后的两端分别与微带主线10和微带副线20电连接。一实施例中，主副线连接电路30包括m个跨接电路31，每个跨接电路31包括n个电阻器，其中，m和n为大于2的自然数。

请参考图2，为另一种实施例中微带线定向耦合器的电路连接示意图，一实施例中，主副线连接电路30包括五个跨接电路31。一实施例中，每个跨接电路31包括依次串联连接的三个电阻器。一实施例中，一个跨接电路31包括依次串联连接的电阻R1、电阻R2和电阻R3，一个跨接电路31包括依次串联连接的电阻R4、电阻R5和电阻R6，一个跨接电路31包括依次串联连接的电阻R7、电阻R8和电阻R9，一个跨接电路31包括依次串联连接的电阻R10、电阻R11和电阻R12，一个跨接电路31包括依次串联连接的电阻R13、电阻R14和电阻R15。一实施例中，跨接电路31的每个电阻器的阻值相同。

请参考图3，为一种实施例中微带线定向耦合器电路板的电路连接示意图，一实施例中，微带线定向耦合器还包括PCB电路板40。微带线电路设置在PCB电路板40上，且相邻两个跨接电路31之间的间距相同。一实施例中，每个跨接电路31两边的电阻器与微带主线10或微带副线20的电连接点设置在微带主线10或微带副线20上，例如，一个跨接电路31包括依次串联连接的电阻R1、电阻R2和电阻R3，则跨接电路31两边的电阻R1和电阻R3与微带主线10和微带副线20的电连接点分别设置在微带主线10和微带副线20上。一实施例中，在相邻两个跨接电路31之间的电路板上设有至少一个金属过孔41，金属过孔41用于增加相邻两个跨接电路31之间的隔离度。一实施例中，跨接电路31的电阻器为电阻或电阻粉。

一实施例中，如图2所示的微带线电路设置在如图3所示的PCB电路板40上时，电阻R1、R2、R3，电阻R4、R5、R6，电阻R7、R8、R9，电阻R10、R11、R12，以及电阻R13、R14、R15是互相并联的，并且各个跨接电路31的电阻连接形成的电阻串相互平行。一实施例中，电阻R1、R2、R3所处的位置在同一直线上，并且所在直线与微带主线10和微带副线20分别垂直。电阻R4、R5、R6所处的位置在同一直线上，并且所在直线与微带主线10和微带副线20分别垂直。电阻R7、R8、R9所处的位置在同一直线上，并且所在直线与微带主线10和微带副线202分别垂直。电阻R10、R11、R12所处的位置在同一直线上，并且所在直线与微带主线10和微带副线20分别垂直。电阻R13、R14、R15所处的位置在同一直线上，并且所在直线与微带主线10和微带副线20分别垂直。一实施例中，输入端口1和耦合端口3的位置是水平相对设置的，直通端口2和隔离端口4是水平相对设置的。耦合端口3与外界电路结构采用等腰直角三角形的微带贴片进行过渡，此种方式在微带传输线需要90度拐角时，可以减小传输损耗。隔离端口4可以接负载或者是接地。

一实施例中，微带线电路采用的电阻均采用水平或垂直的方式排列，是为了减小定向耦合器内部的电子器件工作在高频区域时产生的电磁干扰，并且每个电阻间的距离是均匀分布的，可以有效减小由焊接产生的寄生参数。一实施例中，在跨接电路31的电阻连接形成的电阻串之间均有四个金属过孔41，都均匀分布在矩形区域内，并且金属过孔41的位置都处于矩形区域的对角线上，此种排列方式可以有效增加定向耦合器的隔离度。一实施例中，在PVB电路板上微带线电路的周边均采用多个均匀分布的金属过孔，以此来屏蔽PCB板其他电路的电磁泄露以及干扰。一实施例中，微带主线10和微带副线20的电长度以及之间的距离都是经过精密设计，保持其位置对称，电长度相等。本申请实施例中的微带线定向耦器易于集成在PCB上，有利于与其他电路网络阻抗匹配，减小插入损耗，优化驻波参数，节约空间。

在本申请一实施例中还公开了一种射频收发机，包括如上所述的微带线定向耦合器。

在本申请一实施例中还公开了一种矢量网络分析仪，包括如上所述的微带线定向耦合器。

下面以图2所示的微带线定向耦合器为例，通过矢量网络分析仪对微带线定向耦合器进行S参数测量。

请参考图4、图5和图6，为不同实施例中微带线定向耦合器的插入损耗曲线示意图，均是在室温25摄氏度，输入功率为0dBm的模式下进行，扫频带宽为10MHz-50GHz，扫描点数为2001个。在不同的情形下测试微带线定向耦合器的直通损耗、耦合度、隔离度以及驻波参数等特性。在测量直通损耗时，需要将矢量网络分析仪的一个端口与本设计的定向耦合器的输入端口相连，矢量网络分析仪的另一个端口与本设计的定向耦合器的直通端口相连，然后将微带线定向耦合器的耦合端口与隔离端口均接负载。一实施例中，获取的S参数迹线如图4所示，其中S21表示定向耦合器输入端口到直通端口的插入损耗，S12表示定向耦合器直通端口到输入端口的插入损耗，S11表示定向耦合器输入端口的驻波参数，S22表示定向耦合器直通端口的驻波参数。据实际测试结果图4上的Marker点可知，本设计的微带线定向耦合器在10MHz-15GHz上的直通损耗为-3dB，在10MHz-30GHz上的直通损耗为-6dB，端口驻波在10MHz-40GHz上均小于-10dB。如果在微带定向耦合器的输入端口灌入0dBm的信号，那么在10MHz-15GHz工作频段上，直通端口上的输出功率最小值为0-3=-3dBm；在10MHz-30GHz工作频段内，直通端口上的输出功率最小为0-6=-6dBm。故本申请实施例中的微带定向耦合器可以实现超宽带的工作特性，大大提高工作带宽，运用在矢量网络分析仪等高端精密测量仪器上，缩减生产成本，提高工作效率。

在测量耦合度时，需要将矢量网络分析仪的一个端口与微带线定向耦合器的输入端口相连，矢量网络分析仪的另一个端口与微带线定向耦合器的耦合端口相连，然后本定向耦合器的直通端口与隔离端口均接负载。一实施例中，S参数迹线如图5所示，其中S21表示定向耦合器输入端口到耦合端口的耦合度，S12表示定向耦合器耦合端口到输入端口的耦合度，S11表示定向耦合器输入端口的驻波参数，S22表示定向耦合器耦合端口的驻波参数。

据实际测试结果图5上的Marker点可知，该微带线定向耦合器在10MHz-30GHz上的耦合度为-25dB。如果向微带定向耦合器的输入端口灌入0dBm的信号，那么在10MHz-30GHz工作频段上，耦合端口上的输出功率最小值为0-25=-25dBm。迹线稳定，耦合度好，该微带线定向耦合器可适用于高端精密仪器，尤其是矢量网络分析仪。

在测量隔离度时，需要将矢量网络分析仪的一个端口与本设计的定向耦合器的耦合端口相连，矢量网络分析仪的另一端口与微带线定向耦合器的直通端口相连，然后将微带线定向耦合器的输入端口与隔离端口均接负载。具体S参数迹线如图6所示，其中S21表示定向耦合器耦合端口到直通端口的隔离度，S12表示定向耦合器直通端口到耦合端口的隔离度，S11表示定向耦合器耦合端口的驻波参数，S22表示定向耦合器直通端口的驻波参数。一实施例中，如图6所示的Marker点可知，本申请一实施例中的微带线定向耦合器在10MHz-30GHz上的耦合度为-35dB。如果在微带线定向耦合器的耦合端口灌入0dBm的信号，那么在10MHz-30GHz工作频段上，直通端口上收到的最大输出功率为0-35=-35dBm，也就是说耦合端口与直通端口具有35dB的隔离度，可以有效防止信号干扰，抑制谐波。

综上所述，本申请公开的微带线定向耦合器具有超宽的工作频带，较小的直通损耗，优良的耦合性能，较大的隔离度，可以为矢量网络分析仪等高端精密测量仪器提供稳定工作状态与输出环境。

在本申请实施例中公开的微带线定向耦合器，包括输入端口、直通端口、耦合端口、隔离端口和微带线电路。其中，微带线电路包括微带主线、微带副线和主副线连接电路，结构相同的微带主线和微带副线相对平行设置，主副线连接电路包括至少两个跨接电路，每个跨接电路包括至少两个电阻器，各个电阻器依次串联，串联后的两端与微带主线和微带副线分别电连接。由于通过串联的电阻器连接在微带主线和微带副线之间，使得微带线定向耦合器匹配频段更宽、插入损耗更小、端口驻波效果更好和耦合度更高，还易于在PCB板电路上集成，使得微带线定向耦合器的成产成本更低，适用范围更广。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (10)

1.一种微带线定向耦合器，其特征在于，包括输入端口、直通端口、耦合端口、隔离端口和微带线电路；

所述微带线电路包括微带主线、微带副线和主副线连接电路；

所述微带主线和微带副线为结构相同的微带线，且相对平行设置；

所述微带主线的两端分别与所述输入端口和所述直通端口电连接，所述微带副线的两端分别与所述耦合端口和所述隔离端口电连接，所述输入端口与所述耦合端口设置在所述微带主线和所述微带副线的同侧；

所述主副线连接电路包括至少两个跨接电路，每个所述跨接电路包括至少两个电阻器，各个电阻器依次串联，串联后的两端分别与所述微带主线和所述微带副线电连接。

2.如权利要求1所述的微带线定向耦合器，其特征在于，所述主副线连接电路包括五个跨接电路。

3.如权利要求1所述的微带线定向耦合器，其特征在于，每个所述跨接电路包括依次串联连接的三个电阻器。

4.如权利要求1所述的微带线定向耦合器，其特征在于，所述跨接电路的每个电阻器的阻值相同。

5.如权利要求1所述的微带线定向耦合器，其特征在于，还包括PCB电路板；所述微带线电路设置在所述PCB电路板上；

相邻两个所述跨接电路之间的间距相同。

6.如权利要求5所述的微带线定向耦合器，其特征在于，每个所述跨接电路两边的电阻器与所述微带主线或所述微带副线的电连接点设置在所述微带主线或所述微带副线上。

7.如权利要求5所述的微带线定向耦合器，其特征在于，在相邻两个所述跨接电路之间的电路板上设有至少一个金属过孔，所述金属过孔用于增加相邻两个所述跨接电路之间的隔离度。

8.如权利要求5所述的微带线定向耦合器，其特征在于，所述跨接电路的电阻器为电阻或电阻粉。

9.一种射频收发机，其特征在于，包括如权利要求1至8任一项所述的微带线定向耦合器。

10.一种矢量网络分析仪，其特征在于，包括如权利要求1至8任一项所述的微带线定向耦合器。

Images