CN115513633A - 一种高方向性定向耦合器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种高方向性定向耦合器，该定向耦合器由两个平行微带定向耦合器T1和T2串接组成，对外提供四个端口。平行微带定向耦合器T1与平行微带定向耦合器T2串接，其中平行微带定向耦合器T1的直通端口连接平行微带定向耦合器T2的隔离端口，平行微带定向耦合器T1的耦合端口连接平行微带定向耦合器T2的输入端口；连接完成之后，两个平行微带定向耦合器等效成一个大的平行微带定向耦合器。该等效后的平行微带定向耦合器相对于平行微带定向耦合器单个结构在工作的中心频率上方向性有明显提高。

Description

一种高方向性定向耦合器
技术领域
本发明涉及射频电路技术领域，具体指一种高方向性定向耦合器。
背景技术
定向耦合器是一种具有方向性的功率耦合元件。它是一种四端口元件，通常由称为直通线和耦合线的两段传输线组合而成。直通线和耦合线之间通过一定的耦合机制把直通线功率的一部分耦合到耦合线中，并且要求功率在耦合线中只传向某一输出端口，另一端口则无功率输出，它在功率监视系统、测量系统、功率的分配与合成系统中均有广泛的应用。
市面上的定向耦合器通常采用平行微带定向耦合器，在矢量网络分析仪中，信号分离电路通常采用单个平行微带定向耦合器实现，由于其工作原理很难在工作的中心频率得到较好的方向性，就算得到较好的方向性但实现起来也非常不易。因此，本发明提出了一种高方向性定向耦合器的结构设计，使其在工作的中心频率得到较好的方向性，而且实现起来也相对比较容易。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出了一种高方向性定向耦合器，通过两个平行微带定向耦合器的串接，提高了定向耦合器在工作中心频率的方向性指标。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：
一种高方向性定向耦合器，包括平行微带定向耦合器T1和平行微带定向耦合器T2，所述平行微带定向耦合器T1和平行微带定向耦合器T2完全相同，所述平行微带定向耦合器T1和平行微带定向耦合器T2串接对外提供4个端口，分别为：输入端Port1、直通端Port2、耦合端Port3、隔离端Port4。
作为优选，所述平行微带定向耦合器T1和平行微带定向耦合器T2采用50欧姆特性阻抗微带线，每个平行微带定向耦合器均有四个端口，分别为：输入端口，直通端口，耦合端口，隔离端口。
作为优选，所述平行微带定向耦合器T1的直通端口连接平行微带定向耦合器T2的隔离端口，所述平行微带定向耦合器T1的耦合端口连接平行微带定向耦合器T2的输入端口。
作为优选，所述平行微带定向耦合器T1的输入端口作为等效后的输入端Port1，隔离端口作为等效后的隔离端Port4；第二平行微带定向耦合器T2的直通端口作为等效后的耦合端Port3，直通端口作为等效后的直通端口Port2。
作为优选，所述平行微带定向耦合器T1和平行微带定向耦合器T2在工作中心频率处的S参数矩阵为：
Figure BDA0003919966040000021
所述平行微带定向耦合器T1和平行微带定向耦合器T2的S参数满足|S11S13|＜|S12S14|。
作为优选，所述平行微带定向耦合器T1包括基板、贴合在基板上的微带线介质基片和贴合在微带线介质基片上且平行设置的两块微带线金属片。
作为优选，所述微带线金属片的尺寸宽W为1.188mm、长L为10.664mm、厚度T为0.0017mm，两块所述微带线金属片的缝隙间距S为0.076mm。
作为优选，所述微带线金属片的电导率Cond为5.88E+7S/m，所述微带线金属片的损耗角正切TanD为1e-4。
作为优选，所述微带线介质基片厚度H为0.8mm，所述微带线介质基片的相对介电常数Er为4.3，所述微带线介质基片的相对磁导率Mur为1。
本发明具有以下的特点和有益效果：
采用上述技术方案，利用两个平行微带定向耦合器通过特定的串接方式，由于在选取单个平行微带定向耦合器的时候S参数是已知的，因此选取单个平行微带定向耦合器并且使其S参数满足|S11S13|＜|S12S14|条件，具体结构方式通过使用满足该条件的两个平行微带定向耦合器的串接，并通过数学方法验证其方向性提高的条件，使其在工作的中心频率得到较好的方向性，且实现更加容易。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明串接等效后的平行微带定向耦合器结构示意图。
图2为本发明实施例中所采用单个平行微带定向耦合器结构示意图。
图3为本发明实施例所采用介质基板的结构参数图。
图4为本发明实施例中单个平行微带定向耦合器与两个平行微带定向耦合器串接后的ADS仿真示意图。
图中：1-微带线金属片、2-微带线介质基片、3-基板。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图做详细说明。
本发明提供了一种高方向性定向耦合器，如图1所示，该定向耦合器由满足|S11S13|＜|S12S14|条件的两个平行微带定向耦合器T1和T2串接组成，对外提供四个端口分别为：输入端Port1、直通端Port2、耦合端Port3、隔离端Port4。
其中，平行微带定向耦合器T1与平行微带定向耦合器T2完全相同，均采用50欧姆特性阻抗微带线，每个平行微带定向耦合器均有四个端口，分别为：输入端口，直通端口，耦合端口，隔离端口。
本实施例中，平行微带定向耦合器T1与平行微带定向耦合器T2的串接方法如下：其中平行微带定向耦合器T1的直通端口连接平行微带定向耦合器T2的隔离端口，平行微带定向耦合器T1的耦合端口连接平行微带定向耦合器T2的输入端口；连接完成之后，两个平行微带定向耦合器等效成一个定向耦合器，其中平行微带定向耦合器T1的输入端口作为等效后的输入端Port1，隔离端口作为等效后的隔离端Port4；平行微带定向耦合器T2的直通端口作为等效后的耦合端Port3，耦合端口作为等效后的直通端Port2。
平行微带定向耦合器T1和平行微带定向耦合器T2串接之后，隔离端Port4接匹配负载，输入信号通过输入端Port1进入耦合器，通过直通端Port2输出信号；与此同时，耦合信号较多的一部分则通过耦合端Port3进行输出，仅有较少的一部分通过隔离端Port4输出。
单个平行微带定向耦合器在工作中心频率处的S参数矩阵为
Figure BDA0003919966040000041
其中，耦合度C定义为耦合端口的耦合输出功率P3与输入端口的输入功率P1之比，通常用dB表示，即
Figure BDA0003919966040000042
隔离度I定义为隔离端口的隔离输出功率P4与输入端口的输入功率P1之比，用dB表示，即
Figure BDA0003919966040000051
故方向性系数
Figure BDA0003919966040000052
对于平行微带定向耦合器T1和平行微带定向耦合器T2串接后等效为一个平行微带定向耦合器在工作中心频率处的S参数矩阵为
Figure BDA0003919966040000053
该串接等效后的平行微带定向耦合器的耦合度：
Figure BDA0003919966040000054
串接后的隔离度：
Figure BDA0003919966040000055
故串接后方向性系数：
Figure BDA0003919966040000056
对于给定的每一个平行微带定向耦合器得S参数都是已知的，选取单个平行微带定向耦合器并且使其S参数满足|S11S13|＜|S12S14|条件，串接后的平行微带定向耦合器的方向性系数大于单个平行微带定向耦合器的方向性系数。
证明过程如下：
Figure BDA0003919966040000057
即得到：
|S11S12+S13S14||S13|＜|S12 2+S13 2||S14|
上式两边移项，乘方，取对数得：
Figure BDA0003919966040000061
即：D′＜D
根据方向性系数的定义可知，方向性系数的数值恒小于0，即-D′＞-D，故|D′|＞|D|。因此，当单个平行微带定向耦合器的S参数满足|S11S13|＜|S12S14|条件时，串接后的平行微带定向耦合器的方向性系数大于单个平行微带定向耦合器的方向性系数。
本实施例结合上述技术方案给出如下实施示例：
如图2和图3所示，所述平行微带定向耦合器T1包括基板3、贴合在基板3上的微带线介质基片2和贴合在微带线介质基片2上且平行设置的两块微带线金属片1。所述微带线金属片1的尺寸宽W为1.188mm、长L为10.664mm、厚度T为0.0017mm，两块所述微带线金属片1的缝隙间距S为0.076mm。所述微带线金属片1的电导率Cond为5.88E+7S/m，所述微带线金属片1的损耗角正切TanD为1e-4。所述微带线介质基片2厚度H为0.8mm，所述微带线介质基片2的相对介电常数Er为4.3，所述微带线介质基片2的相对磁导率Mur为1。由于微带电路的上方是空气介质，所以封装高度Hu趋近无穷。
将上述的单个平行微带定向耦合器按照本专利要求的连接方式进行串接，并在ADS软件上进行仿真。
如图4所示，其中上图为单个平行微带定向耦合器在ADS软件中的仿真结果图，下图为串接后平行微带定向耦合器在ADS软件中的仿真结果图。
由仿真结果图可知，对于单个平行微带定向耦合器，在工作中心频率为4GHz时的耦合度：
Figure BDA0003919966040000062
隔离度：
Figure BDA0003919966040000063
方向性系数：D＝I-C＝-14.081dB。
串接后的平行微带定向耦合器在工作中心频率为4GHz时的耦合度：
Figure BDA0003919966040000071
隔离度：
Figure BDA0003919966040000072
方向性系数：
D′＝I′-C′＝-23.772dB。
通过实例可知，由本发明改进后的平行微带定向耦合器在工作中心频率处的方向性有明显提高。
为了达到较好的方向性系数，在实物制作过程中，可以适当增加两个平行微带定向耦合器的间距或者每个平行微带定向耦合器使用隔离罩，以减少两个耦合器的相互干扰。
本发明实施例的具体工作过程如下：
平行微带定向耦合器T1和平行微带定向耦合器T2串接之后，隔离端Port4接匹配负载，输入信号通过输入端Port1进入定向耦合器，通过直通端Port2输出信号；与此同时，耦合信号较多的一部分则通过耦合端Port3进行输出，仅有较少的一部分通过隔离端Port4输出。
以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式包括部件进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种高方向性定向耦合器，其特征在于，包括平行微带定向耦合器T1和平行微带定向耦合器T2，所述平行微带定向耦合器T1和平行微带定向耦合器T2完全相同，所述平行微带定向耦合器T1和平行微带定向耦合器T2串接对外提供4个端口，分别为：输入端Port1、直通端Port2、耦合端Port3、隔离端Port4。
2.根据权利要求1所述的高方向性定向耦合器，其特征在于，所述平行微带定向耦合器T1和平行微带定向耦合器T2采用50欧姆特性阻抗微带线，每个平行微带定向耦合器均有四个端口，分别为：输入端口，直通端口，耦合端口，隔离端口。
3.根据权利要求2所述的高方向性定向耦合器，其特征在于，所述平行微带定向耦合器T1的直通端口连接平行微带定向耦合器T2的隔离端口，所述平行微带定向耦合器T1的耦合端口连接平行微带定向耦合器T2的输入端口。
4.根据权利要求2所述的高方向性定向耦合器，其特征在于，所述平行微带定向耦合器T1的输入端口作为等效后的输入端Port1，隔离端口作为等效后的隔离端Port4；第二平行微带定向耦合器T2的直通端口作为等效后的耦合端Port3，直通端口作为等效后的直通端口Port2。
5.根据权利要求1所述的高方向性定向耦合器，其特征在于，所述平行微带定向耦合器T1和平行微带定向耦合器T2在工作中心频率处的S参数矩阵为：
Figure FDA0003919966030000011
所述平行微带定向耦合器T1和平行微带定向耦合器T2的S参数满足|S11S13|＜|S12S14|。
6.根据权利要求1所述的高方向性定向耦合器，其特征在于，所述平行微带定向耦合器T1包括基板、贴合在基板上的微带线介质基片和贴合在微带线介质基片上且平行设置的两块微带线金属片。
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