CN115603688A - 一种大功率宽带集总参数3dB正交定向耦合器及其制作方法 - Google Patents

一种大功率宽带集总参数3dB正交定向耦合器及其制作方法 Download PDF

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CN115603688A CN202211130927.8A CN202211130927A CN115603688A CN 115603688 A CN115603688 A CN 115603688A CN 202211130927 A CN202211130927 A CN 202211130927A CN 115603688 A CN115603688 A CN 115603688A
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陈云刚
李鹏飞
陈伟明
朱文欢
温卓宾
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Abstract

本发明公开了一种大功率宽带集总参数3dB正交定向耦合器及其制作方法，包括第一电感、第二电感、第三电感、第四电感，第一电容，第二电容、第三电容，第一端口，第二端口，第三端口，第四端口；第一电感与第一端口电性连接；第一电感与第二电感的一端电性连接；第二电感与第二端口电性连接；第三电感与第三端口电性连接；第三电感与第四电感的一端电性连接；第四电感与第四端口电性连接；第一电容接在第一电感、第二电感之间；第一电容接在第三电感、第四电感之间；第二电容与第一电容的一端电性连接，第二电容接地；第三电容与第一电容电性连接，第三电容接地。本发明实现了功率容量大、工作频带宽、成本低的优点。

Description

一种大功率宽带集总参数3dB正交定向耦合器及其制作方法
技术领域
本发明涉及定向耦合器技术领域，更具体的，涉及一种大功率宽带集总参数3dB正交定向耦合器及其制作方法。
背景技术
3dB正交定向耦合器又叫3dB正交电桥，其作为一种可以将信号功率按照比例分配、合成的器件，广泛应用于通信、雷达、电子战中的功率放大、混频、功率检测、射频合路等电路。
3dB正交定向耦合器的实现方式有分布参数、集总参数两大类。分布参数的3dB正交定向耦合器虽然功率容量大，便于制造，但是在频率较低的时候，尤其在VHF频段，占用的电路面积过大，不利于通信、雷达、电子战设备的小型化设计。而采用集总元件设计的3dB正交定向耦合器，尺寸小，重量轻，特别适用于VHF和UHF波段。在一些公开的专利或技术文献库中，有不少关于集总参数3dB正交定向耦合器的实现方法，这些方法都有一定的局限性或缺点。例如：集总参数正交电桥采用同轴传输线耦合，功率容量大，但是带宽小，只能支持25％的窄带使用；一种磁芯式3dB电桥覆盖频带宽，但是采用磁芯耦合的方式，功率容量很小。
发明内容
本发明为了解决以上现有技术存在的不足与缺陷的问题，提供了一种大功率宽带集总参数3dB正交定向耦合器及其制作方法，其能同时实现工作频带宽、功率容量大、体积小的要求。
为实现上述本发明目的，采用的技术方案如下：
一种大功率宽带集总参数3dB正交定向耦合器，包括电感值为Lx的第一电感、第二电感、第三电感、第四电感，电容值为Ca的第一电容，电容值为Cb的第二电容、第三电容；
所述的第一电感的一端作为第一端口；
所述的第一电感的另一端与第二电感的一端电性连接；
所述的第二电感的另一端作为第二端口；
所述的第三电感的一端作为第三端口；
所述的第三电感的另一端与第四电感的一端电性连接；
所述的第四电感的另一端作为第四端口；
所述的第一电容的一端接在第一电感、第二电感之间；
所述的第一电容的另一端接在第三电感、第四电感之间；
所述的第二电容的一端与第一电容的一端电性连接，第二电容的另一端接地；
所述的第三电容的一端与第一电容的另一端电性连接，第三电容的另一端接地。
所述的第一电感、第二电感之间耦合系数为1；所述的第三电感、第四电感之间耦合系数为1；所述的第一电感、第三电感之间电感耦合系数为k；所述的第二电感、第四电感之间电感耦合系数为k。
本发明创新性的将第一电感、第二电感、第二电容关于第一电容与第三电感、第四电感、第三电容设置成对称结构，实现了功率容量大、工作频带宽、成本低的3dB正交定向耦合器。
优选地，当信号从第一端口输入，在第二端口和第三端口分别输出等幅正交信号，其中第二端口为0度相位，第三端口为90度相位，第四端口作为隔离端无信号输出；
当信号从第二端口输入，在第一端口和第四端口分别输出等幅正交信号，其中第一端口为0度相位，第四端口为90度相位，第三端口作为隔离端无信号输出；
当信号从第三端口输入，在第一端口和第四端口分别输出等幅正交信号，其中第四端口为0度相位，第一端口为90度相位，第二端口作为隔离端无信号输出；
当信号从第四端口输入，在第二端口和第三端口分别输出等幅正交信号，其中第三端口为0度相位，第二端口为90度相位，第一端口作为隔离端无信号输出。
一种正交定向耦合器的制作方法，
将两条铜漆包线采用双绞线绕法缠绕形成一条双绞线，绕制成两个电感，且两个电感之间实现全耦合，也就是耦合系数为1；
通过绕制得到两条双绞线；采用螺旋双绞线的形式，将两条双绞线并排绕制成电感，以实现两条双绞线之间的电感耦合系数为k；
将一条双绞线内的两条铜漆包线的一端连接在一起接耦合第一电容的一端；将另一条双绞线内的两条铜漆包线的一端连接在一起接耦合第一电容的另一端；
将两条双绞线内铜漆包线未连接第一电容的一端作为电桥的端口，共形成4个端口；
电容值为Cb的第二电容的一端与第一电容的一端电性连接，第二电容的另一端接地；
电容值为Cb的第三电容的一端与第一电容的另一端电性连接，第三电容的另一端接地。
优选地，通过调整双绞线的长度实现对耦合量和电感量的调整。
优选地，所述的正交定向耦合器的功率容量主要由绕制螺旋双绞线的铜漆包线直接大小以及第一电容、第二电容、第三电容的耐压值决定。
优选地，所述的铜漆包线的直径0.7mm；两条双绞线形成的螺旋直径为6mm、圈数11圈、长度30mm。
一种正交定向耦合器，所述的正交定向耦合器用于将信号功率按照比例分配、合成，应用于包括但不限于功率放大、混频、功率检测、射频合路几种电路中。
优选地，所述的正交定向耦合器采用如所述的制作方法制作而成。
本发明的有益效果如下：
1.本发明创新性的将第一电感、第二电感、第二电容关于第一电容与第三电感、第四电感、第三电容设置成对称结构，实现了功率容量大、工作频带宽、成本低的3dB正交定向耦合器。
2.采用螺旋双绞线耦合的方法实现集总参数3dB正交定向耦合器，各项指标优良，特别是在保证工作频段宽的同时，功率容量提升巨大。
附图说明
图1是实施例所述的正交定向耦合器的原理图。
图2是实施例所述的螺旋双绞线的结构图。
图3是实施例所述的螺旋双绞线等效原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做详细描述。
实施例1
如图1所示，一种大功率宽带集总参数3dB正交定向耦合器，包括电感值为Lx的第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第四电感L4，电容值为Ca的第一电容C1，电容值为Cb的第二电容C2、第三电容C3；
所述的第一电感L1的一端作为第一端口Term1；
所述的第一电感L1的另一端与第二电感L2的一端电性连接；
所述的第二电感L2的另一端作为第二端口Term2；
所述的第三电感L3的一端作为第三端口Term3；
所述的第三电感L3的另一端与第四电感L4的一端电性连接；
所述的第四电感L4的另一端作为第四端口Term4；
所述的第一电容C1的一端接在第一电感L1、第二电感L2之间；
所述的第一电容C1的另一端接在第三电感L3、第四电感L4之间；
所述的第二电容C2的一端与第一电容C1的一端电性连接，第二电容C2的另一端接地；
所述的第三电容C3的一端与第一电容C1的另一端电性连接，第三电容C3的另一端接地。
本实施例创新性的将第一电感L1、第二电感L2、第二电容C2关于第一电容C1与第三电感L3、第四电感L4、第三电容C3设置成对称结构，实现了功率容量大、工作频带宽、成本低的3dB正交定向耦合器。
在一个具体的实施例中，所述的第一电感L1、第二电感L2之间耦合系数为1；所述的第三电感L3、第四电感L4之间耦合系数为1；所述的第一电感L1、第三电感L3之间电感耦合系数为k；所述的第二电感L2、第四电感L4之间电感耦合系数为k。
在一个具体的实施例中，当信号从第一端口Term1输入，在第二端口Term2和第三端口Term3分别输出等幅正交信号，其中第二端口Term2为0度相位，第三端口Term3为90度相位，第四端口Term4作为隔离端无信号输出；
当信号从第二端口Term2输入，在第一端口Term1和第四端口Term4分别输出等幅正交信号，其中第一端口Term1为0度相位，第四端口Term4为90度相位，第三端口Term3作为隔离端无信号输出；
当信号从第三端口Term3输入，在第一端口Term1和第四端口Term4分别输出等幅正交信号，其中第四端口Term4为0度相位，第一端口Term1为90度相位，第二端口Term2作为隔离端无信号输出；
当信号从第四端口Term4输入，在第二端口Term2和第三端口Term3分别输出等幅正交信号，其中第三端口Term3为0度相位，第二端口Term2为90度相位，第一端口Term1作为隔离端无信号输出。
3dB正交定向耦合器结构对称，不同情况下各端口关系见表1
输入端口 0度端口 90度端口 隔离端口
情况1 第一端口 第二端口 第三端口 第四端口
情况2 第三端口 第四端口 第一端口 第二端口
情况3 第二端口 第一端口 第四端口 第三端口
情况4 第四端口 第三端口 第二端口 第一端口
在一个具体的实施例中，所述的正交定向耦合器的耦合度为3dB。
在一个具体的实施例中，电容值Ca＝80pF，Cb＝62pF。本实施例中，所述的电容值的具体值可以根据实际正交定向耦合器的工作频率确定，在此只是举一个例子。实施例2
基于实施例1所述的大功率宽带集总参数3dB正交定向耦合器，本实施例还提供了一种正交定向耦合器的制作方法，
将两条铜漆包线采用双绞线绕法缠绕形成一条双绞线，绕制成两个电感，且两个电感之间实现全耦合，也就是耦合系数为1；本实施例中，两条铜漆包线形成电感值为Lx的两个电感；
通过绕制得到两条双绞线；采用螺旋双绞线的形式，将两条双绞线并排绕制成电感，以实现两条双绞线之间的电感耦合系数为k；
将一条双绞线内的两条铜漆包线的一端连接在一起接耦合第一电容C1的一端；将另一条双绞线内的两条铜漆包线的一端连接在一起接耦合第一电容C1的另一端；
将两条双绞线内铜漆包线未连接第一电容的一端作为电桥的端口，共形成4个端口；
电容值为Cb的第二电容C2的一端与第一电容C1的一端电性连接，第二电容C2的另一端接地；
电容值为Cb的第三电容C3的一端与第一电容C1的另一端电性连接，第三电容C3的另一端接地。
在一个具体的实施例中，Lx、k、Ca，Cb的值随工作频率变化，可通过计算或者软件仿真优化得出。本实施所述的正交定向耦合器的电路实现的难点和关键在于实现电感间的互感量，采用在磁芯上绕制耦合的方式容易实现，但是由于磁性材料磁饱的限制，功率容量都很低。如图2所示，所述的第一电感L1与第二电感L2、第三电感L3与第四电感L4均将用于全耦合的两电感的铜漆包线采用双绞线绕法缠绕在一起，绕制成两电感间实现全耦合。
本实施例中，所述的第一电感L1与第二电感L2通过绕制得到第一双绞线，所述的第三电感L3与第四电感L4通过绕制得到第二双绞线；采用螺旋双绞线的形式，将第一双绞线、第二双绞线并排绕制成电感，以实现耦合系数k。将第一双绞线、第二双绞线并排绕制成螺旋。其等效电路图如下如3所示。
在一个具体的实施例中，将电感并排绕制成螺旋，通过调整第一双绞线、第二双绞线的长度实现对耦合量和电感量的调整。
在一个具体的实施例中，所述的正交定向耦合器的功率容量主要由绕制螺旋双绞线的铜漆包线直接大小以及第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3的耐压值决定。
在一个具体的实施例中，所述的正交定向耦合器的耦合度为3dB。
在一个具体的实施例中，所述的第一双绞线、第二双绞线均由两条铜漆包线绕制而成。
本实施例给出一个具体做法为：
(1)用于全耦合两电感的两条铜漆包线缠绕在一起形成双绞线，耦合系数接近于1。共需两条双绞线。其中假定第一双绞线包含铜漆包线A和铜漆包线B，第二双绞线包含铜漆包线C和铜漆包线D。每条双绞线有两个端口。
(2)将两条双绞线并排绕制成电感，以实现耦合系数k。
(3)如原理图所示，在印制板上，将铜漆包线A的一端a1和铜漆包线B的一端a2连接在一起接耦合电容C1的一端；将铜漆包线C的一端c1和铜漆包线D的一端c2连接在一起接耦合电容C1的另一端；剩余的铜漆包线A的另一端a2、铜漆包线B的另一端b1、铜漆包线C的另一端c2、铜漆包线D的另一端c1分别为电桥的4个不同的端口。
本实施例中，绕制的铜漆包线A、铜漆包线B可以相当于第一电感L1、第二电感L2，或可以相当于第三电感L3、第四电感L4；绕制的铜漆包线C、铜漆包线D可以相当于第三电感L3、第四电感L4，或可以相当于第一电感L1、第二电感L2。
由于本实施例采用螺旋双绞线耦合，不存在磁芯耦合时磁饱和导致的功率限制。其功率容量主要由绕制螺旋双绞线的漆包线决定。采用粗的铜漆包线绕制设计，3dB正交定向耦合器的功率容量能到数百瓦。同时，仅绕制在一起的两个螺旋双绞线外加3个电容器就实现了整个3dB正交耦合器，电路损耗低，体积小，各项性能指标优越。
以下为本发明的一个实例，实际可根据应用需求选择合适的元器件，实现不同的3dB正交定向耦合器。
本实施例采用铜漆包线的直径均为0.7mm；两条双绞线形成的螺旋直径为6mm、圈数11圈、长度30mm。电容值Ca＝80pF，电容值Cb＝62pF，所述的正交定向耦合器，其性能如下：
1)工作频率范围：30MHz～90MHz；
2)插入损耗：≤0.2dB；
3)端口驻波比：≤1.2:1；
4)幅度平衡度：≤±0.5dB；
5)相位平衡度：≤±1°；
6)隔离度：≥20dB。
7)功率容量：≥100W。
本实施例中，所述的电容值的具体值可以根据实际正交定向耦合器的工作频率确定，所述的铜漆包线的直径大小；两条双绞线形成的螺旋直径大小、圈数、长度均可以根据正交定向耦合器的实际工作需求进行相应的设置，在此只是举一个例子。
实施例3
一种正交定向耦合器，所述的正交定向耦合器如实施例1所示，其用于将信号功率按照比例分配、合成，应用于包括但不限于功率放大、混频、功率检测、射频合路几种电路中。
所述的正交定向耦合器，包括电感值为Lx的第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第四电感L4，电容值为Ca的第一电容C1，电容值为Cb的第二电容C2、第三电容C3；
所述的第一电感L1的一端作为第一端口Term1；
所述的第一电感L1的另一端与第二电感L2的一端电性连接；
所述的第二电感L2的另一端作为第二端口Term2；
所述的第三电感L3的一端作为第三端口Term3；
所述的第三电感L3的另一端与第四电感L4的一端电性连接；
所述的第四电感L4的另一端作为第四端口Term4；
所述的第一电容C1的一端接在第一电感L1、第二电感L2之间；
所述的第一电容C1的另一端接在第三电感L3、第四电感L4之间；
所述的第二电容C2的一端与第一电容C1的一端电性连接，第二电容C2的另一端接地；
所述的第三电容C3的一端与第一电容C1的另一端电性连接，第三电容C3的另一端接地。
所述的第一电感L1、第二电感L2之间耦合系数为1；所述的第三电感L3、第四电感L4之间耦合系数为1；所述的第一电感L1、第三电感L3之间电感耦合系数为k；所述的第二电感L2、第四电感L4之间电感耦合系数为k。
在一个具体的实施例中，所述的正交定向耦合器采用实施例2所述的制作方法制作而成。
所述的制作方法，如下：
将两条铜漆包线采用双绞线绕法缠绕形成一条双绞线，绕制成两个电感，且两个电感之间实现全耦合，也就是耦合系数为1；本实施例中，两条铜漆包线形成电感值为Lx的两个电感；
通过绕制得到两条双绞线；采用螺旋双绞线的形式，将两条双绞线并排绕制成电感，以实现两条双绞线之间的电感耦合系数为k；
将一条双绞线内的两条铜漆包线的一端连接在一起接耦合第一电容C1的一端；将另一条双绞线内的两条铜漆包线的一端连接在一起接耦合第一电容C1的另一端；
将两条双绞线内铜漆包线未连接第一电容的一端作为电桥的端口，共形成4个端口；
电容值为Cb的第二电容C2的一端与第一电容C1的一端电性连接，第二电容C2的另一端接地；
电容值为Cb的第三电容C3的一端与第一电容C1的另一端电性连接，第三电容C3的另一端接地。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种大功率宽带集总参数3dB正交定向耦合器，其特征在于：包括电感值为Lx的第一电感(L1)、第二电感(L2)、第三电感(L3)、第四电感(L4)，电容值为Ca的第一电容(C1)，电容值为Cb的第二电容(C2)、第三电容(C3)；
所述的第一电感(L1)的一端作为第一端口(Term1)；
所述的第一电感(L1)的另一端与第二电感(L2)的一端电性连接；
所述的第二电感(L2)的另一端作为第二端口(Term2)；
所述的第三电感(L3)的一端作为第三端口(Term3)；
所述的第三电感(L3)的另一端与第四电感(L4)的一端电性连接；
所述的第四电感(L4)的另一端作为第四端口(Term4)；
所述的第一电容(C1)的一端接在第一电感(L1)、第二电感(L2)之间；
所述的第一电容(C1)的另一端接在第三电感(L3)、第四电感(L4)之间；
所述的第二电容(C2)的一端与第一电容(C1)的一端电性连接，第二电容(C2)的另一端接地；
所述的第三电容(C3)的一端与第一电容(C1)的另一端电性连接，第三电容(C3)的另一端接地；
所述的第一电感(L1)、第二电感(L2)之间耦合系数为1；所述的第三电感(L3)、第四电感(L4)之间耦合系数为1；所述的第一电感(L1)、第三电感(L3)之间电感耦合系数为k；所述的第二电感(L2)、第四电感(L4)之间电感耦合系数为k。
2.根据权利要求1所述的一种大功率宽带集总参数3dB正交定向耦合器，其特征在于：
当信号从第一端口(Term1)输入，在第二端口(Term2)和第三端口(Term3)分别输出等幅正交信号，其中第二端口(Term2)为0度相位，第三端口(Term3)为90度相位，第四端口(Term4)作为隔离端无信号输出；
当信号从第二端口(Term2)输入，在第一端口(Term1)和第四端口(Term4)分别输出等幅正交信号，其中第一端口(Term1)为0度相位，第四端口(Term4)为90度相位，第三端口(Term3)作为隔离端无信号输出；
当信号从第三端口(Term3)输入，在第一端口(Term1)和第四端口(Term4)分别输出等幅正交信号，其中第四端口(Term4)为0度相位，第一端口(Term1)为90度相位，第二端口(Term2)作为隔离端无信号输出；
当信号从第四端口(Term4)输入，在第二端口(Term2)和第三端口(Term3)分别输出等幅正交信号，其中第三端口(Term3)为0度相位，第二端口(Term2)为90度相位，第一端口(Term1)作为隔离端无信号输出。
3.根据权利要求1所述的一种大功率宽带集总参数3dB正交定向耦合器，其特征在于：所述的正交定向耦合器的耦合度为3dB。
4.根据权利要求1所述的一种大功率宽带集总参数3dB正交定向耦合器，其特征在于：电容值Ca＝80pF，Cb＝62pF。
5.一种基于权利要求1～4任一项所述的正交定向耦合器的制作方法，其特征在于：
将两条铜漆包线采用双绞线绕法缠绕形成一条双绞线，绕制成两个电感，且两个电感之间实现全耦合，也就是耦合系数为1；
通过绕制得到两条双绞线；采用螺旋双绞线的形式，将两条双绞线并排绕制成电感，以实现两条双绞线之间的电感耦合系数为k；
将一条双绞线内的两条铜漆包线的一端连接在一起接耦合第一电容(C1)的一端；将另一条双绞线内的两条铜漆包线的一端连接在一起接耦合第一电容(C1)的另一端；
将两条双绞线内铜漆包线未连接第一电容的一端作为电桥的端口，共形成4个端口；
电容值为Cb的第二电容(C2)的一端与第一电容(C1)的一端电性连接，第二电容(C2)的另一端接地；
电容值为Cb的第三电容(C3)的一端与第一电容(C1)的另一端电性连接，第三电容(C3)的另一端接地。
6.根据权利要求5所述的正交定向耦合器的制作方法，其特征在于：通过调整双绞线的长度实现对耦合量和电感量的调整。
7.根据权利要求5所述的正交定向耦合器的制作方法，其特征在于：所述的正交定向耦合器的功率容量主要由绕制螺旋双绞线的铜漆包线直接大小以及第一电容(C1)、第二电容(C2)、第三电容(C3)的耐压值决定。
8.根据权利要求5所述的正交定向耦合器的制作方法，其特征在于：所述的铜漆包线的直径0.7mm；两条双绞线形成的螺旋直径为6mm、圈数11圈、长度30mm。
9.一种基于权利要求1～4任一项所述的正交定向耦合器，其特征在于：所述的正交定向耦合器用于将信号功率按照比例分配、合成，应用于包括但不限于功率放大、混频、功率检测、射频合路几种电路中。
10.根据权利要求9所述的正交定向耦合器，其特征在于：所述的正交定向耦合器采用如权利要求6～8任一项所述的制作方法制作而成。
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