CN114759336B - 基于耦合线的四频功分器及其设计方法 - Google Patents

基于耦合线的四频功分器及其设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开的基于耦合线的四频功分器及其设计方法，利用耦合线的双谐振特性，将双段耦合线进行组合，形成等效于四谐振单元的多谐振结构，并将其作为四频功分器的实现基础。输入信号从功分器的输入端口输入进行等分，分别经过双段耦合线和两个隔离电阻，产生了四个频点，最后由功分器的两个输出端口输出，解决现有技术中存在的小型化要求不足、设计结构复杂、隔离度低的技术问题。

Description

基于耦合线的四频功分器及其设计方法
技术领域
本发明涉及多频功分器设计技术领域，具体涉及基于耦合线的四频功分器及其设计方法。
背景技术
随着经济和科技的高速发展，需要多样化的信息服务，因而提出了多种移动通信标准和毫米波雷达频段，如GSM、CDMA、WIMAX、WLAN等。有限的频谱资源对频段的划分提出了更加严格的要求，这也使得微波电路器件向着小型化、高集成度等方向发展。功分器具有分配和合成功率的功能，在微波通信系统领域具有十分重要的意义，因而对多频功分器的研究变得愈发重要。
利用传输线阻抗变换器实现四频功分器。该方案虽然结构简单，但是尺寸较大。利用平行耦合线结构来实现四频功分器。该方案虽然电路效率高，但是耦合结构复杂，不容易实现。利用短路支节或者T型支节结构来实现四频功分器。该方案结构复杂，而且不具有高隔离度。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供基于耦合线的四频功分器及其设计方法，解决现有技术中存在的小型化要求不足、设计结构复杂、隔离度低的技术问题。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种基于耦合线的四频功分器的设计方法，包括以下步骤：
根据耦合线的双谐振特性构建双段耦合线，所述双段耦合线由两段相连且不耦合的耦合线构成，每段耦合线由两根耦合线构成，两根耦合线的终端为一个短路电路；
将双段耦合线等效为四谐振单元的多谐振结构，结合隔离电阻和四个频点形成四频功分器的电路结构，确定四频功分器的电路结构中双段耦合线各段的阻抗参数和隔离电阻的阻值，得到基于双段耦合线的四频功分器。
优选的，所述四个频点的频率依次递增fa＜fb＜fc＜fd，且满足如下关系：
fd＝fb+fc-fa
优选的，所述阻抗参数包括特性阻抗、偶模特性阻抗和奇模特性阻抗。
优选的，根据耦合线的相位常数确定两段耦合线的特性阻抗；
Figure GDA0003677294660000021
Figure GDA0003677294660000022
其中，Z1为第一段耦合线的特性阻抗，Z2第二段耦合线的特性阻抗，Z0为功分器的输入端口的特性阻抗。
优选的，根据两段耦合线的偶模特性阻抗与奇模特性阻抗的比值ρ，以及两段耦合线的特性阻抗确定双段耦合线各段的偶模特性阻抗和奇模特性阻抗。
优选的，根据奇偶模理论，结合双段耦合线各段的偶模特性阻抗和奇模特性阻抗确定功分器的两个隔离电阻R1和R2的阻值。
优选的，两个隔离电阻的阻值计算公式如下：
Figure GDA0003677294660000023
Figure GDA0003677294660000031
优选的，根据双段耦合线各段的特性阻抗值确定各段耦合线的长度和宽度，同时结合隔离电阻的阻值，以及双段耦合线各段的偶模特性阻抗和奇模特性阻抗得到基于双段耦合线的四频功分器。
一种基于耦合线的四频功分器，包括两个双段耦合线和两个隔离电阻，所述双段耦合线包括两段相连且不耦合的耦合线；
两个双段耦合线的输入端接输入端口，两个双段耦合线的输出端分别接一输出端口，第一隔离电阻的两端分别连接两个双段耦合线的两个耦合线的连接端，第二隔离电阻的两端分别连接两个双段耦合线的输出端。
优选的，所述双段耦合线由依次连接的第一段耦合线与第二段耦合线，第一段耦合线的一端接输入端口，第二段耦合线的一端接输出端口；
所述第一段耦合线与第二段耦合线均包括两根耦合线，两根耦合线的一端通过短路电路相连。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供的基于耦合线的四频功分器的设计方法，利用耦合线的双谐振特性，将双段耦合线进行组合，形成等效于四谐振单元的多谐振结构，并将其作为四频功分器的实现基础。输入信号从功分器的输入端口输入进行等分，分别经过双段耦合线和两个隔离电阻，产生了四个频点，最后由功分器的两个输出端口输出。现有技术中基于微带线的四频功分器是建立在多阶Wilkinson功分器上实现的，该设计方法只是将多阶Wilkinson功分器中的传输单元进行简单替换，并没有对替换后的结构以及隔离电阻进行具体分析和设计。本发明将双段耦合线等效于四谐振单元的多谐振结构，作为四频功分器的设计基础，简化了四频功分器的结构，通过本方法设计的四频功分器满足小型化的要求、结构简单、隔离度高。
进一步，四频功分器的四个频点频率设计自由，降低了设计难度。
进一步，对耦合线结构以及隔离电阻进行了分析，同时给出了具体的设计公式，计算方法简单有效提高设计效率。
附图说明
图1为本发明公开的一种四频功分器设计方法的流程图；
图2为本发明双段耦合线的原理图；
图3为本发明基于耦合线的四频功分器的原理图；
图4为本发明基于耦合线的四频功分器框图。
图中：1、输入端口；2、第一输出端口；3、第二输出端口；4、第一段耦合线；5、第二段耦合线；6、第三耦合线；7、第四耦合线；8、第一隔离电阻；9、第二隔离电阻；耦合线(41、42、51、52、61、62、71、72)。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
功分器全称功率分配器，是一种将一路输入信号能量分成两路或多路输出相等或不相等能量的器件，也可反过来将多路信号能量合成一路输出，此时可也称为合路器。一个功分器的输出端口之间应保证一定的隔离度。功分器的主要技术参数有功率损耗(包括插入损耗、分配损耗和反射损耗)、各端口的电压驻波比，功率分配端口间的隔离度、功率容量和频带宽度等。
功分器也叫过流分配器，分有源和无源两种，可平均分配一路信号变为几路输出，一般每分一路都有几dB的衰减，信号频率不同，分配器不同衰减也不同，为了补偿衰减，在其中加了放大器后做出了无源功分器。本发明的目的是提供一种基于耦合线的四频功分器。
参阅图1-4，一种基于耦合线的四频功分器的设计方法，包括以下步骤：
步骤1、根据设计要求确定四频功分器的四个频点，四个频点的频率依次递增fa＜fb＜fc＜fd，且需要如下关系：
fd＝fb+fc-fa
步骤2、根据耦合线的双谐振特性构建双段耦合线，该双段耦合线由两段相连且不耦合的耦合线构成，每段耦合线由两根耦合线构成，两根耦合线的终端为一个短路电路；
步骤3、将双段耦合线等效为四谐振单元的多谐振结构，并作为四频功分器的设计基础，结合隔离电阻和四个频点形成四频功分器的电路结构。
步骤4、确定电路结构中双段耦合线各段的阻抗参数和隔离电阻的阻值。
双段耦合线各段的阻抗参数包括特性阻抗、偶模特性阻抗和奇模特性阻抗。
S401、两段耦合线的偶模特性阻抗与奇模特性阻抗的比值ρ相同，根据偶模特性阻抗与奇模特性阻抗的比值ρ，确定频点fa对应的电长度θa和频点fb对应的电长度θb，进而确定偶模特性阻抗与奇模特性阻抗的比值ρ。
ρ＝tanθa·tanθb
S402、确定第一段耦合线的相位常数
Figure GDA0003677294660000051
根据相位常数/>
Figure GDA0003677294660000052
得到两段耦合线的特性阻抗，公式如下：
Figure GDA0003677294660000053
Figure GDA0003677294660000061
其中，Z1为第一段耦合线的特性阻抗，Z2第二段耦合线的特性阻抗，Z0为该功分器的输入端口的特性阻抗，阻值为50Ω。
S403、两段耦合线的偶模特性阻抗与奇模特性阻抗的比值ρ，以及两段耦合线的特性阻抗计算双段耦合线各段的偶模特性阻抗和奇模特性阻抗。
S404、根据奇偶模理论，结合双段耦合线各段的偶模特性阻抗和奇模特性阻抗确定功分器的两个隔离电阻R1和R2的阻值，公式如下：
Figure GDA0003677294660000062
Figure GDA0003677294660000063
其中，Z1o为第一段耦合线的奇模特性阻抗，Z2o为第二段耦合线的奇模特性阻抗。
步骤5、根据双段耦合线各段的特性阻抗值确定各段耦合线的长度和宽度，同时结合隔离电阻的阻值，以及双段耦合线各段的偶模特性阻抗和奇模特性阻抗得到基于双段耦合线的四频功分器。
下面对本发明基于耦合线的四频功分器的工作原理进行详细的阐述。
本发明利用耦合线的双谐振特性，将双段耦合线进行组合，形成等效于四谐振单元的多谐振结构，并将其作为四频功分器的实现基础。输入信号从功分器的输入端口输入进行等分，分别经过双段耦合线和两个隔离电阻，产生了四个频点，最后由功分器的两个输出端口输出。
本发明提供的一种四频功分器的设计方法，采用耦合线的结构，有利于小型化的需求，并且加载了两个隔离电阻，实现了高隔离度。该设计方法完备、步骤简单，设计出来的四频功分器可以用平面结构进行实物加工。
下述为本发明基于耦合线的四频功分器的实施例，对于四频功分器实施例中未纰漏的细节，请参照本发明设计方法的实施例。
实施例1
参阅图4，本发明的实施例1中，提供一种基于耦合线的四频功分器，包括两个双段耦合线和两个隔离电阻，所述双段耦合线包括两段相连且不耦合的耦合线。
两个双段耦合线的输入端接输入端口，两个双段耦合线的输出端分别接一输出端口，第一隔离电阻的两端分别连接两个双段耦合线的两个耦合线的连接端，第二隔离电阻的两端分别连接两个双段耦合线的输出端。
两个双段耦合线分别为第一双段耦合线和第二双段耦合线，第一双段耦合线由依次连接的第一段耦合线4与第二段耦合线5构成双段耦合线，形成等效于四谐振单元的多谐振结构。
所述第一段耦合线4包括耦合线41和耦合线42，耦合线41和耦合线42的一端通过短路电路43相连；第二段耦合线5包括耦合线51和耦合线52，耦合线51和耦合线52的一端通过短路电路53相连，耦合线42的另一端与耦合线51的另一端连接。
第二双段耦合线由依次连接的第三耦合线6与第四耦合线7构成双段耦合线，形成等效于四谐振单元的多谐振结构。
第三耦合线6包括耦合线61和耦合线62，耦合线61和耦合线62的一端通过短路电路63相连；第四耦合线7包括耦合线71和耦合线72，耦合线71和耦合线72的一端通过由短路电路73相连，耦合线62的另一端与耦合线71的另一端连接。
耦合线41和耦合线61的另一端相连后连接输入端口1，耦合线52的另一端连接第一输出端口2，耦合线72的另一端第二输出端口3，第一隔离电阻8的一端与耦合线42和耦合线51的连接端相连，第一隔离电阻8的另一端与耦合线62和耦合线71的连接端相连；第二隔离电阻9的一端连接第一输出端口2，第二隔离电阻9的另一端连接第二输出端口3。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于耦合线的四频功分器，其特征在于，包括两个双段耦合线和两个隔离电阻，所述双段耦合线包括两段相连且不耦合的耦合线；
两个双段耦合线的输入端接输入端口，两个双段耦合线的输出端分别接一输出端口，第一隔离电阻的两端分别连接两个双段耦合线的两个耦合线的连接端，第二隔离电阻的两端分别连接两个双段耦合线的输出端；
所述双段耦合线由依次连接的第一段耦合线与第二段耦合线，第一段耦合线的一端接输入端口，第二段耦合线的一端接输出端口；
所述第一段耦合线与第二段耦合线均包括两根耦合线，两根耦合线的一端通过短路电路相连；
所述基于耦合线的四频功分器的设计方法，包括以下步骤：
根据耦合线的双谐振特性构建双段耦合线，所述双段耦合线由两段相连且不耦合的耦合线构成，每段耦合线由两根耦合线构成，两根耦合线的终端为一个短路电路；
将双段耦合线等效为四谐振单元的多谐振结构，结合隔离电阻和四个频点形成四频功分器的电路结构，确定四频功分器的电路结构中双段耦合线各段的阻抗参数和隔离电阻的阻值，得到基于双段耦合线的四频功分器；
根据耦合线的相位常数确定两段耦合线的特性阻抗；
Figure QLYQS_1
Figure QLYQS_2
其中，Z1为第一段耦合线的特性阻抗，Z2第二段耦合线的特性阻抗，Z0为功分器的输入端口的特性阻抗，
Figure QLYQS_3
为耦合线的相位常数；
根据两段耦合线的偶模特性阻抗与奇模特性阻抗的比值ρ，以及两段耦合线的特性阻抗确定双段耦合线各段的偶模特性阻抗和奇模特性阻抗。
2.根据权利要求1所述的一种基于耦合线的四频功分器，其特征在于，所述四个频点的频率依次递增fa<fb<fc<fd，且满足如下关系：
fd＝fb+fc-fa 。
3.根据权利要求1所述的一种基于耦合线的四频功分器，其特征在于，所述阻抗参数包括特性阻抗、偶模特性阻抗和奇模特性阻抗。
4.根据权利要求1所述的一种基于耦合线的四频功分器，其特征在于，根据奇偶模理论，结合双段耦合线各段的偶模特性阻抗和奇模特性阻抗确定功分器的两个隔离电阻R1和R2的阻值。
5.根据权利要求4所述的一种基于耦合线的四频功分器，其特征在于，两个隔离电阻的阻值计算公式如下：
Figure QLYQS_4
/>
Figure QLYQS_5
其中，Z1o为第一段耦合线的奇模特性阻抗，Z2o为第二段耦合线的奇模特性阻抗。
6.根据权利要求5所述的一种基于耦合线的四频功分器，其特征在于，根据双段耦合线各段的特性阻抗值确定各段耦合线的长度和宽度，同时结合隔离电阻的阻值，以及双段耦合线各段的偶模特性阻抗和奇模特性阻抗得到基于双段耦合线的四频功分器。
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