CN114709576B - 应用于北斗短报文通信的微带双工器及设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种应用于北斗短报文通信的微带双工器，包括第一段平行耦合线、第二段平行耦合线、第一段终端开路线、第二段终端开路线、电感元件、第一段传输线、第二段传输线、电阻元件、输入端口、第一输出端口和第二输出端口。设计方法包括：S1、得到偶偶模激励、偶奇模激励、奇偶模激励和奇奇模激励下单端口网络的输入阻抗表达式；S2、得到表征该双工器的四端口网络匹配特性的S参数公式；S3、得到电路的未知参量。本发明提供的微带双工器可以适用于北斗短报文通信频段，其无额外匹配网络，具有结构简单、体积小、隔离度高等优点。可在北斗收发系统中得到很好的应用，有利于在低成本北斗射频前端通信系统中得到广泛推广。

Description

应用于北斗短报文通信的微带双工器及设计方法
技术领域
本发明涉及一种应用于北斗短报文通信的微带双工器及设计方法，尤其涉及一种应用于北斗短报文通信的无额外匹配网络的微带双工器。属于电通信技术领域。
背景技术
北斗短报文通信是我国自主研发的北斗卫星导航系统的独有功能，具有覆盖范围广、通信距离远、通信无盲区、安全可靠的优点。目前，北斗卫星短报文通信广泛的应用在电力、渔业、应急救援、军事等多个领域。北斗短报文通信的工作频段分别为L(上行)频段1615.68±4.08MHz，S(下行)频段2491.75±4.08MHz。为了实现北斗短报文信号的接收和发射，其射频前端需要一个单馈双频双极化天线和一个双工器。双工器是一种特殊的三端口滤波器，不仅具备滤波器的性能特点，而且可以隔离接收与发送电路，使得收发信号的传输可以共用一个天线，避免了收发信号之间的相互干扰，并使系统体积得到有效的减小。
传统的双工器通过在两个滤波器与输入端口之间添加连接网络以避开滤波器之间的影响，从本质上讲仍然是独立的实现两个滤波器，在组合起来形成双工器，没有将双工器作为一个整体去设计。即使双工器中滤波结构很小，但是加入的额外匹配网络使得双工器尺寸成倍增大，不利于电路的小型化。为此，无额外匹配网络的双工器的研究受到了学者们的关注。方法之一是采用分布式耦合实现双工器，该方法存在的问题为了达到所需的外部Q值，需要非常小的耦合间隙，增加了加工难度。采用共用谐振器的方法也可以实现无额外匹配网络的双工器，但所设计的双工器的频率比受共用谐振器中两个模式分布的影响。为此，本发明提出了一款可应用于北斗短报文通信的新型的无额外匹配网络的微带双工器，具有体积小、隔离度高等优点。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供了一种应用于北斗短报文通信的微带双工器及设计方法。
本发明的目的是这样实现的：
一种应用于北斗短报文通信的微带双工器，其特点是：包括第一段平行耦合线、第二段平行耦合线、第一段终端开路线、第二段终端开路线、电感元件、第一段传输线、第二段传输线、电阻元件、输入端口、第一输出端口和第二输出端口；
第一段平行耦合线包括第一段耦合线和第二段耦合线；
第二段平行耦合线包括第三段耦合线和第四段耦合线；
第一段平行耦合线和第二段平行耦合线的电路参数及结构相同；
第一段终端开路线分别与第一段耦合线的右端和第三段耦合线的左端连接；第二段终端开路线分别与第二段耦合线的右端和第四段耦合线的左端连接；
第一段终端开路线与第二段终端开路线的电路参数及结构相同；
电感元件跨接在第一段平行耦合线的右端和第二段平行耦合线的左端；
第一段传输线的一端分别与输入端口和第一段耦合线的左端连接，第一段传输线的另一端分别与电阻元件的一端和第二段耦合线的左端连接；电阻元件的另一端接地；
第二段传输线的一端分别与第一输出端口和第三段耦合线的右端连接，第二段传输线的另一端分别与第二输出端口和第四段耦合线的右端连接；
第一段传输线与第二段传输线的电路参数及结构相同，输入端口与北斗短报文通信天线的端口连接。
进一步的，电阻元件的阻值为50欧姆；第一输出端口用于北斗短报文通信上行频段1610－1626.5MHz；第二输出端口用于北斗短报文通信下行频段2483.5MHz－2500MHz。
一种应用于北斗短报文通信的微带双工器的设计方法，包括以下步骤：
S1、将微带双工电路视为一个四端口网络，采用奇偶模分析法，将该四端口网络分解成四个单端口网络进行分析；根据偶偶模激励、偶奇模激励、奇偶模激励和奇奇模激励下该双工器的等效电路图，得到偶偶模激励、偶奇模激励、奇偶模激励和奇奇模激励下单端口网络的输入阻抗表达式为：
其中，Zee为偶偶模激励时的端口输入阻抗，Zeo为偶奇模激励时的端口输入阻抗，Zoe为奇偶模激励时的端口输入阻抗，Zoo为奇奇模激励时的端口输入阻抗，Z1e为第一段平行耦合线、第二段平行耦合线的偶模特性阻抗，Z1o为第一段平行耦合线、第二段平行耦合线的奇模特性阻抗，tc为第一段平行耦合线、第二段平行耦合线的电长度，Z1为第一段终端开路线、第二段终端开路线的特性阻抗，t1为第一段终端开路线、第二段终端开路线的电长度，Z2为第一段传输线、第二段传输线的特性阻抗，t2为第一段传输线、第二段传输线的电长度，L1为电感元件的感值，fo为北斗短报文通信上行频段中心频率，f为该微带双工电路工作的中心频率，包含两种情况，当工作于北斗短报文通信上行频段时，f为北斗短报文通信上行频段中心频率；当工作于北斗短报文通信下行频段时，f为北斗短报文通信下行频段中心频率；
S2、将偶偶模激励、偶奇模激励、奇偶模激励和奇奇模激励下单端口网络的输入阻抗带入表达式得到表征该双工器的四端口网络匹配特性的S参数公式为：
其中，S11为所述微带双工电路输入端口的匹配参数，S21为所述微带双工电路输出端口的传输参数，S31为所述微带双工电路输出的传输参数，S41为所述微带双工电路接电阻端口处的传输参数；
S3、根据如下等式关系式得到电路的未知参量
|S11(f0)|＝|S31(f0)|＝|S41(f0)|＝0
|S21(f0)|＝1
|S11(f1)|＝|S21(f1)|＝|S41(f1)|＝0
|S31(f1)|＝1
式中，fo为北斗短报文通信上行频段中心频率，f1为北斗短报文通信下行频段中心频率。
进一步的，第一段平行耦合线和第二段平行耦合线的偶模和奇模特性阻抗之比小于3，对应于大于6dB的耦合度；所述第一段平行耦合线和第二段平行耦合线2的电长度均小于30°。
进一步的，第一段终端开路线和第二段终端开路线的电长度小于45°；所述第一段传输线和第二段传输线的电长度范围为300°-360°；所述第一段传输线的特性阻抗大于第一段终端开路线3的特性阻抗。
进一步的，通过调节所述第一段传输线和第二段传输线的电长度，可同时调节该双工器的两个谐振频点。
进一步的，通过调节所述第一段终端开路线和第二段终端开路线的电长度，或者通过调节第一段平行耦合线和第二段平行耦合线的电长度，可调节该双工器的高频谐振频点至北斗短报文下行通信频段。
进一步的，通过调节所述第一段终端开路线和第二段终端开路线的阻抗，或者通过调节第一段平行耦合线和第二段平行耦合线的奇偶模阻抗，可获得北斗短报文下行通信频段较优的输入端口匹配与隔离。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明一种应用于北斗短报文通信的微带双工器及设计方法，提供的微带双工器可以适用于北斗短报文通信频段，其无额外匹配网络，具有结构简单、体积小、隔离度高等优点。可在北斗收发系统中得到很好的应用，有利于在低成本北斗射频前端通信系统中得到广泛推广。
附图说明
图1为无额外匹配网络的微带双工器的结构图。
图2为无额外匹配网络的微带双工器偶偶模激励时的等效电路。
图3为无额外匹配网络的微带双工器偶奇模激励时的等效电路。
图4为无额外匹配网络的微带双工器奇偶模激励时的等效电路。
图5为无额外匹配网络的微带双工器奇奇模激励时的等效电路。
图6为无额外匹配网络的S参数曲线。
图中：
第一段平行耦合线1，第一段耦合线11，第二段耦合线12，第二段平行耦合线2，第三段耦合线21，第四段耦合线22，第一段终端开路线3，第二段终端开路线4，电感元件5，第一段传输线6，第二段传输线7，电阻元件8，输入端口9，第一输出端口10，第二输出端口11。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制发明的保护范围。
参见图1，本发明一种应用于北斗短报文通信的微带双工器，包括第一段平行耦合线1、第二段平行耦合线2、第一段终端开路线3、第二段终端开路线4、电感元件5、第一段传输线6、第二段传输线7、电阻元件8、输入端口9、第一输出端口10和第二输出端口11。
所述第一段平行耦合线1包括第一段耦合线11和第二段耦合线12。
所述第二段平行耦合线2包括第三段耦合线21和第四段耦合线22。
所述第一段平行耦合线1和第二段平行耦合线2的电路参数及结构相同。
所述第一段终端开路线3分别与第一段耦合线11的右端和第三段耦合线21的左端连接；所述第二段终端开路线4分别与第二段耦合线12的右端和第四段耦合线22的左端连接。
所述第一段终端开路线3与第二段终端开路线4的电路参数及结构相同。
所述电感元件5跨接在第一段平行耦合线1的右端和第二段平行耦合线2的左端。
所述第一段传输线6的一端分别与输入端口9和第一段耦合线11的左端连接，第一段传输线6的另一端分别与电阻元件8的一端和第二段耦合线12的左端连接；所述电阻元件8的另一端接地。
所述第二段传输线7的一端分别与第一输出端口10和第三段耦合线21的右端连接，第二段传输线7的另一端分别与第二输出端口11和第四段耦合线22的右端连接。
所述第一段传输线6与第二段传输线7的电路参数及结构相同；所述电阻元件8的阻值为50欧姆；所述输入端口9与北斗短报文通信天线的端口连接；所述第一输出端口10用于北斗短报文通信上行频段1610－1626.5MHz；所述第二输出端口11用于北斗短报文通信下行频段2483.5MHz－2500MHz。
本发明一种应用于北斗短报文通信的微带双工器的设计方法，包括以下步骤：
S1、电阻元件8的阻值为50欧姆，各端口阻抗也为50欧姆，可以将该微带双工电路视为一个四端口网络，采用奇偶模分析法，将该四端口网络分解成四个单端口网络进行分析。图2-5分别给出了偶偶模激励、偶奇模激励、奇偶模激励和奇奇模激励下该双工器的等效电路图，可以得到偶偶模激励、偶奇模激励、奇偶模激励和奇奇模激励下单端口网络的输入阻抗表达式为：
其中，Zee为偶偶模激励时的端口输入阻抗，Zeo为偶奇模激励时的端口输入阻抗，Zoe为奇偶模激励时的端口输入阻抗，Zoo为奇奇模激励时的端口输入阻抗，Z1e为第一段平行耦合线1、第二段平行耦合线2的偶模特性阻抗，Z1o为第一段平行耦合线1、第二段平行耦合线2的奇模特性阻抗，tc为第一段平行耦合线1、第二段平行耦合线2的电长度，Z1为第一段终端开路线3、第二段终端开路线4的特性阻抗，t1为第一段终端开路线3、第二段终端开路线4的电长度，Z2为第一段传输线6、第二段传输线7的特性阻抗，t2为第一段传输线6、第二段传输线7的电长度，L1为电感元件5的感值，fo为北斗短报文通信上行频段中心频率，f为该微带双工电路工作的中心频率，包含两种情况，当工作于北斗短报文通信上行频段时，f为北斗短报文通信上行频段中心频率；当工作于北斗短报文通信下行频段时，f为北斗短报文通信下行频段中心频率。
S2、将偶偶模激励、偶奇模激励、奇偶模激励和奇奇模激励下单端口网络的输入阻抗带入表达式得到表征该双工器的四端口网络匹配特性的S参数公式为：
其中，S11为所述微带双工电路输入端口1的匹配参数，S21为所述微带双工电路输出端口2的传输参数，S31为所述微带双工电路输出3的传输参数，S41为所述微带双工电路接电阻端口处的传输参数。
S3、根据如下等式关系式得到电路的未知参量
|S11(f0)|＝|S31(f0)|＝|S41(f0)|＝0
|S21(f0)|＝1
|S11(f1)|＝|S21(f1)|＝|S41(f1)|＝0
|S31(f1)|＝1
式中，fo为北斗短报文通信上行频段中心频率，f1为北斗短报文通信下行频段中心频率。
所述第一段平行耦合线1和第二段平行耦合线2的偶模和奇模特性阻抗之比小于3，对应于大于6dB的耦合度；所述第一段平行耦合线1和第二段平行耦合线2的电长度均小于30°。
所述第一段终端开路线3和第二段终端开路线4的电长度小于45°；所述第一段传输线6和第二段传输线7的电长度范围为300°-360°；所述第一段传输线6的特性阻抗大于第一段终端开路线3的特性阻抗。
通过调节所述第一段传输线6和第二段传输线7的电长度，可同时调节该双工器的两个谐振频点。
通过调节所述第一段终端开路线3和第二段终端开路线4的电长度或第一段平行耦合线1和第二段平行耦合线2的电长度，可调节该双工器的高频谐振频点至北斗短报文下行通信频段。
通过调节所述第一段终端开路线3和第二段终端开路线4的阻抗或第一段平行耦合线1和第二段平行耦合线2的奇偶模阻抗，可获得北斗短报文下行通信频段较优的输入端口匹配与隔离。
具体实施例：
具体实施例中，该双工器的fo为北斗短报文通信上行频段中心频率，f1为北斗短报文通信下行频段中心频率。根据上述设计公式和求解步骤，可以得到该实施例的电路参数的数值，如下表所示。
该实施例的具体电路参数数值
该实施例采用的技术指标如下：
工作频段：1610－1626.5MHz；2483.5MHz－2500MHz
上行端口：输出端口2
下行端口：输出端口3
输入端口匹配：≤-15dB
输出端口损耗：≤0.5dB
上下行端口间隔离度：>20dB
参考上表，该实施例所得的阻抗值、电长度，设计本发明应用于北斗短报文通信的无额外匹配网络的微带双工器。
如图6所示，本发明提出的应用于北斗短报文通信的无额外匹配网络的微带双工器在上行通信频段1610－1626.5MHz范围内，输入端口|S11|小于-20dB、输出端口2的传输参数|S21|小于-0.5dB，与输出端口3的隔离度|S31|大于20dB。在下行通信频段2483.5MHz－2500MHz范围内，输入端口|S11|小于-20dB、输出端口3的传输参数|S31|小于-0.5dB，与输出端口2的隔离度|S21|大于26dB。说明本发明提出的无额外匹配网络的微带双工器具有良好的匹配性能、较低的传输损耗和良好的收发隔离性能。
在上述实施例中，仅对本发明进行示范性描述，但是本领域技术人员在阅读本专利申请后可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明进行各种修改。

Claims (6)

1.一种应用于北斗短报文通信的微带双工器的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、将微带双工电路视为一个四端口网络，采用奇偶模分析法，将该四端口网络分解成四个单端口网络进行分析；根据偶偶模激励、偶奇模激励、奇偶模激励和奇奇模激励下该双工器的等效电路图，得到偶偶模激励、偶奇模激励、奇偶模激励和奇奇模激励下单端口网络的输入阻抗表达式为：
；
其中，Z ee 为偶偶模激励时的端口输入阻抗，Z eo 为偶奇模激励时的端口输入阻抗，Z oe 为奇偶模激励时的端口输入阻抗，Z oo 为奇奇模激励时的端口输入阻抗，Z 1e 为第一段平行耦合线、第二段平行耦合线的偶模特性阻抗，Z 1o 为第一段平行耦合线、第二段平行耦合线的奇模特性阻抗，t c 为第一段平行耦合线、第二段平行耦合线的电长度，Z 1为第一段终端开路线、第二段终端开路线的特性阻抗，t 1为第一段终端开路线、第二段终端开路线的电长度，Z 2为第一段传输线、第二段传输线的特性阻抗，t 2为第一段传输线、第二段传输线的电长度，L 1为电感元件的感值，f o为北斗短报文通信上行频段中心频率，f为该微带双工电路工作的中心频率，包含两种情况，当工作于北斗短报文通信上行频段时，f为北斗短报文通信上行频段中心频率；当工作于北斗短报文通信下行频段时，f为北斗短报文通信下行频段中心频率；
S2、将偶偶模激励、偶奇模激励、奇偶模激励和奇奇模激励下单端口网络的输入阻抗带入表达式，得到表征该双工器的四端口网络匹配特性的S参数公式为：/>、/>、/>、；
其中，S 11为所述微带双工电路输入端口的匹配参数，S 21为所述微带双工电路输出端口的传输参数，S 31为所述微带双工电路输出的传输参数，S 41为所述微带双工电路接电阻端口处的传输参数；
S3、根据如下等式关系式得到电路的未知参量、/>、、/>；
式中，f o为北斗短报文通信上行频段中心频率，f 1为北斗短报文通信下行频段中心频率；
一种应用于北斗短报文通信的微带双工器，包括第一段平行耦合线、第二段平行耦合线、第一段终端开路线、第二段终端开路线、电感元件、第一段传输线、第二段传输线、电阻元件、输入端口、第一输出端口和第二输出端口；
第一段平行耦合线包括第一段耦合线和第二段耦合线；
第二段平行耦合线包括第三段耦合线和第四段耦合线；
第一段平行耦合线和第二段平行耦合线的电路参数及结构相同；
第一段终端开路线分别与第一段耦合线的右端和第三段耦合线的左端连接；第二段终端开路线分别与第二段耦合线的右端和第四段耦合线的左端连接；
第一段终端开路线与第二段终端开路线的电路参数及结构相同；
电感元件跨接在第一段平行耦合线的右端和第二段平行耦合线的左端；
第一段传输线的一端分别与输入端口和第一段耦合线的左端连接，第一段传输线的另一端分别与电阻元件的一端和第二段耦合线的左端连接；电阻元件的另一端接地；
第二段传输线的一端分别与第一输出端口和第三段耦合线的右端连接，第二段传输线的另一端分别与第二输出端口和第四段耦合线的右端连接；
第一段传输线与第二段传输线的电路参数及结构相同，输入端口与北斗短报文通信天线的端口连接；
所述电阻元件的阻值为50欧姆；第一输出端口用于北斗短报文通信上行频段1610－1626.5 MHz；第二输出端口用于北斗短报文通信下行频段2483.5 MHz－2500 MHz。
2.根据权利要求1所述的一种应用于北斗短报文通信的微带双工器及设计方法，其特征在于：第一段平行耦合线和第二段平行耦合线的偶模和奇模特性阻抗之比小于3，对应于大于6 dB的耦合度；所述第一段平行耦合线和第二段平行耦合线2的电长度均小于30°。
3.根据权利要求1所述的一种应用于北斗短报文通信的微带双工器及设计方法，其特征在于：第一段终端开路线和第二段终端开路线的电长度小于45°；所述第一段传输线和第二段传输线的电长度范围为300°-360°；所述第一段传输线的特性阻抗大于第一段终端开路线的特性阻抗。
4.根据权利要求1所述的一种应用于北斗短报文通信的微带双工器及设计方法，其特征在于：通过调节所述第一段传输线和第二段传输线的电长度，可同时调节该双工器的两个谐振频点。
5.根据权利要求1所述的一种应用于北斗短报文通信的微带双工器及设计方法，其特征在于：通过调节所述第一段终端开路线和第二段终端开路线的电长度，或者通过调节第一段平行耦合线和第二段平行耦合线的电长度，可调节该双工器的高频谐振频点至北斗短报文下行通信频段。
6.根据权利要求1所述的一种应用于北斗短报文通信的微带双工器及设计方法，其特征在于：通过调节所述第一段终端开路线和第二段终端开路线的阻抗，或者通过调节第一段平行耦合线和第二段平行耦合线的奇偶模阻抗，可获得北斗短报文下行通信频段较优的输入端口匹配与隔离。
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