CN115911805A - 一种定向耦合器及其设计方法和射频电路 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供一种定向耦合器及其设计方法和射频电路，该定向耦合器包括平行设置的两条微带线、位于平行微带线之间的两个调节单元、与第二微带线连接的另一调节单元，以及第二微带线与耦合端口之间还设有匹配单元。基于该结构设计的定向耦合器可以实现在较宽的工作带宽范围内具有较好的方向度。

Description

一种定向耦合器及其设计方法和射频电路

技术领域

本申请涉及射频电路技术领域，尤其涉及一种定向耦合器及其设计方法和射频电路。

背景技术

定向耦合器作为一种微波/毫米波器件，可以用来分配或合成微波信号功率，常被应用于功率合成，频率和频谱分析仪，源输出功率稳幅和传输等。目前平行耦合微带线构成的定向耦合器，如图1所示，其中，Term G1是该定向耦合器的输入端口，Term G2是该定向耦合器的输出端口，Term G3是该定向耦合器的耦合输出端口，而R1＝50Ω为隔离电阻，该定向耦合微带线的线长为1/4波长，并且波长对应于中心频率。

然而，现有的定向耦合器存在工作带宽窄的问题，通常只适用在窄带电路中。即使设计为较宽带宽，又存在方向度差的问题。例如，以图1所示为定向耦合器的结构为例，通过对该定向耦合器进行ADS仿真，可得到如图2所示的S参数仿真结果，其中，S(2，1)表示输出端口与输入端口的直通系数；S(3，1)表示耦合端口与输入端口的耦合系数；S(3，2)表示耦合端口与输出端口之间的耦合系数。可以看出，该定向耦合器的中心频率为6.372GHz，其耦合度在17.8-20.8dB内的频率范围是3.181GHz-9.579GHz，但方向度很差，在-3.7dB到6.101dB之间。可知，现有的定向耦合器很难满足需要同时兼容带宽宽和方向度高的应用场合。

发明内容

本申请实施例提供一种定向耦合器及其设计方法和射频电路，该定向耦合器可以实现在较宽的工作带宽范围内具有较好的方向度。

本申请的实施例提供一种定向耦合器，包括：第一微带线、第二微带线、第一调节单元、第二调节单元、匹配单元、第一电阻、第二电阻和第一至第三端口；

所述第一微带线和所述第二微带线平行设置，所述第一微带线的两端分别连接第一端口和第二端口，所述第二微带线的第一端连接第三端口；

所述第一调节单元的两端分别连接所述第一微带线和所述第二微带线的第一端；所述第二调节单元的两端分别连接所述第一微带线和所述第二微带线的第二端；所述第三调节单元的第一端连接所述第二微带线的第一端，所述第三调节单元的第二端分别连接所述第二微带线的第二端和所述第二调节单元，所述第三调节单元的第三端接地；所述匹配单元的两端分别连接所述第二微带线的第一端和所述第三端口。

在一种实施例中，所述第一调节单元和所述第二调节单元均包括串联设置的一个调节电阻和一个调节电容。

在一种实施例中，所述第三调节单元包括串联设置的第一电阻和第二电阻；

所述第一电阻的第一端作为所述第三调节单元的第一端，所述第一电阻的第二端与所述第二电阻的第一端连接，所述第一电阻和所述第二电阻的串联连接端作为所述第三调节单元的第二端，所述第二电阻的第二端作为所述第三调节单元的第三端。

在一种实施例中，所述匹配单元包括第三电阻、第四电阻和第五电阻；

所述第三电阻和所述第四电阻的一端连接后作为所述匹配单元的第一端，所述第三电阻的另一端和所述第五电阻的一端连接后作为所述匹配单元的第二端，所述第四电阻和所述第五电阻的另一端接地。

在一种实施例中，所述第一微带线和所述第二微带线的电长度的范围为48～56度。

在一种实施例中，所述第一调节单元和所述第二调节单元中的所述调节电容的取值范围均为0.1pF～1pF。

在一种实施例中，所述第一调节单元和所述第二调节单元中的所述调节电阻的取值范围均为500Ω～700Ω。

本申请的实施例还提供一种双向定向耦合器，包括背靠背设置的第一耦合单元和第二耦合单元，每个所述耦合单元为上述的定向耦合器。

本申请的实施例还提供一种射频电路，包括上述的定向耦合器或双向定向耦合器。

本申请的实施例还提供一种电子设备，包括上述的射频电路。

本申请的实施例还提供一种定向耦合器的设计方法，结构采用上述的定向耦合器，所述定向耦合器的设计方法包括：

根据所述定向耦合器的目标工作频段及所述第一微带线和所述第二微带线的电长度取值范围确定所述第一微带线和所述第二微带线的物理长度；

根据所述定向耦合器的目标耦合度和特征阻抗分别对应确定所述第一微带线和所述第二微带线的缝隙和线宽；

根据所述定向耦合器的目标方向度确定所述第一调节单元和所述第二调节单元中的器件取值；

根据所述定向耦合器的目标平坦度确定所述第三调节单元中的器件取值；

根据所述定向耦合器的目标反射值确定所述匹配单元中的器件取值。

在一种实施例中，所述第一微带线和所述第二微带线的电长度取值范围为48～56度。

本申请的实施例具有如下有益效果：

本申请实施例的定向耦合器通过在平行微带线的两端分别设置一个调节单元，并在第二微带线的两端设置一个另一调节单元，以及在耦合端口与第二微带线之间还设置匹配电路等，通过在相应位置设计相应的电路及合适的器件取值，基于上述结构设计的定向耦合器可以有效地改善现有定向耦合器的工作带宽窄、方向度差的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下所示附图仅为本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1所示为现有的定向耦合器的一种仿真结构图；

图2所示为图1的定向耦合器的S参数仿真测试结果；

图3所示为本申请实施例的定向耦合器的一种仿真结构示意图；

图4所示为本申请实施例的定向耦合器的另一种仿真结构示意图；

图5所示为本申请实施例的定向耦合器的一种S参数仿真测试结果；

图6所示为本申请实施例的定向耦合器的设计方法的流程示意图。

主要元件符号说明：

100-定向耦合器；110-第一微带线；120-第二微带线；130-第一调节单元；140-第二调节单元；150-第三调节单元；160-匹配单元。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。

通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在下文中，可在本申请的各种实施例中使用的术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本申请的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本申请的各种实施例中被清楚地限定。

由于现有的定向耦合器并不能很好地满足在较宽的工作带宽内又具有较好的方向度，为此，本申请实施例提出一种定向耦合器及其通用设计方法，该定向耦合器通过对平行耦合微带线进行改进，通过在平行耦合微带线的相应位置处设置不同的器件以实现调节及匹配等，可以实现同时满足在较宽的工作频段范围内具有高方向度。下面结合具体的实施例进行说明。

实施例1

请参照图3，本实施例提出一种定向耦合器100，可应用于如手机通信、雷达通信、仪表测试等需要用到耦合器的场景，该定向耦合器100可以实现宽带高方向度的定向信号耦合。

示范性地，如图3所示，该定向耦合器100包括第一微带线110、第二微带线120、第一调节单元130、第二调节单元140、第三调节单元150、匹配单元160、以及第一端口TermG1、第二端口TermG2和第三端口Term G3；其中，作为主线的第一微带线110和作为副线的第二微带线120平行设置，以构成一对平行耦合微带线。

基于该平行耦合微带线，第一调节单元130的两端分别连接第一微带线110和第二微带线120的第一端，第二调节单元140的两端分别连接第一微带线110和第二微带线120的第二端，即两个调节单元130和140分别位于该平行微带线的两端。第三调节单元150为三端结构，其第一端连接第二微带线120的第一端，其第二端分别连接第二微带线120的第二端和第二调节单元140，其第三端接地。而匹配单元160的两端则分别连接第二微带线120的第一端和第三端口TermG3。

本实施例的定向耦合器100为三端口器件，其中，第一微带线110的两端分别连接第一端口Term G1和第二端口TermG2，该第一端口TermG1和第二端口Term G2分别作为该定向耦合器100的信号输入端口和输出端口；而第二微带线120的第一端通过匹配单元160连接的第三端口Term G3，作为该定向耦合器100的耦合端口。

基于上述的平行耦合微带线结构，为保证该定向耦合器100能够满足预期的工作频带、方向度及耦合度等相应性能指标，本实施例将结合该平行微带线的自身参数以及其他器件的取值等进行选取说明。其中，工作频带是指该定向耦合器100的工作频率范围；耦合度为该定向耦合器100的输入端口的输入功率与耦合端口的输出功率之比；方向度为该定向耦合器100的耦合端口的输出功率与隔离端口(已接地)的输出功率之比。

对于上述的第一微带线110和第二微带线120，这里主要对微带线的物理长度和线宽，以及两微带线之间的缝隙等参数来进行说明。其中，上述的物理长度又称线长，通过调节该平行耦合微带线的线长可以调节该定向耦合器100的中心频段和工作带宽。通过设置合适的线宽可以调节微带线的特征阻抗。而通过设置合适的缝隙大小则可以调节该定向耦合器100的耦合度。

在实际设计过程中，可根据所需定向耦合器100的目标工作带宽计算出该微带线的线长。例如，可通过定向耦合器100的目标工作带宽可知晓该微带线的中心频率，进而可计算出传输的电磁波波长，然后根据电磁波波长与物理长度之间的关系，则可计算出理论上微带线所需的线长。

其中，微带线的物理长度与其所传输的电磁波波长之比称为电长度。值得注意的是，现有的定向耦合器100的微带线的都是选取1/4波长的物理长度，此时的电长度是90度。然而本实施例中，在确定第一微带线110和第二微带线120的物理长度时，不再以电长度为90度的规则来确定该平行耦合微带长的线长，而是小于90度，即此时的物理长度不再对应于1/4波长。

示范性地，该微带线的电长度的范围可为48～56度，具体可根据实际需求来选取，在此并不作限定。例如，当工作频率为0.6-7.1G，中心频率为3.85G时，电长度为54度，对应的线长L＝7mm。或者，当工作频率0.8-8.2G，中心频率为4.3G，电长度为51度，对应的线长L＝6mm；又或者，当工作频率为0.96-9.9G，中心频率为5.5G，电长度52度，对应的线长L＝5mm。

通过改变电长度的取值而不再采用现有的90度的电长度，可以使得该定向耦合器100工作具有较宽的工作带宽，满足需要工作在极宽工作频段的场合；并通过进一步结合各个调节单元及匹配单元160等器件的综合调节，使得该定向耦合器100可以在满足宽带宽的情况下实现很好的方向性。

同样，根据微带线的特征阻抗及目标耦合度，可确定来微带线的线宽以及两微带线的缝隙大小。其中，对于两个耦合的微带线，其缝隙越小，耦合度越大；反之，耦合度越小。因此，在实际设计过程中，可根据上述原则及实际的仿真结果来不断调整得到合适的缝隙大小。

由于微带线的特征阻抗主要与微带线的线宽、板厚及板材介电常数有关，其中，Z₀为微带线的特征阻抗；W和H分别为微带线的线宽和板厚；ε_e为板材介电常数，它们满足如下关系：

于是对于微带线的线宽设计，可在初步确定板厚及板材介电常数后，通过基于上述关系来初步估计该微带线的线宽。应当理解的是，在实际设计时，以仿真测试结果为准来相应调整，得到满足阻抗需求的线宽。

本实施例中，通过第一调节单元130和第二调节单元140可共同调节该定向耦合器100的方向度，产生方向度的两个极大值点。例如，在一种实施方式中，该第一调节单元130和第二调节单元140具有相同的结构。例如，对于这两个调节单元130和140，如图4所示，每个调节单元均可包括一个调节电阻和一个调节电容，且该调节电阻和调节电容串联设置，如图4中的R11与C11串联而R12与C12串联。

例如，调节单元130和140中的调节电容的取值范围均可为0.1pF～1pF。调节单元130和140中的调节电阻的取值范围均可为500Ω～700Ω等。可以理解，调节单元130和140中的调节电阻和调节电容的取值大小可根据实际场景的目标方向度、极大值点的目标位置等要求来选取，两个调节电阻的大小可以相同，也可以不同，两个调节电容的大小同理。

考虑到当平坦度较差时，将同样会影响该定向耦合器100的方向度。本实施例中，通过第三调节单元150可用于调节该定向耦合器100的方向度的平坦度，以保证所需的高方向度。

在一种实施方式中，如图4所示，该第三调节单元150可包括串联设置的第一电阻R1和第二电阻R2，通过调节这两个电阻R1和R2的取值可以调节平坦度的大小。示范性地，如图4所示，第一电阻R1的非串联连接端(即不与第二电阻R2连接的一端)作为该第三调节单元150的第一端，第一电阻R1和第二电阻R2的串联连接端作为第三调节单元150的第二端，而第二电阻R2的非串联端则作为第三调节单元150的第三端，可以理解为，第一电阻R1并联于第二微带线120的两端，而与第二调节单元140连接的第二微带线120的第二端还通过第二电阻R2接地。

本实施例中，匹配单元160位于第二微带线120和耦合端口之间，用于改善该定向耦合器100的端口反射性，以尽量减小耦合端口的信号反射系数，从而保证信号的传输效率。此外，基于上述的两个微带线的缝隙来调节耦合度外，例如，当耦合端口不匹配等时，可能会导致耦合度较差等情况，因此还可以通过该匹配单元160来进一步微调整该定向耦合器100的耦合度等。

示范性地，该匹配单元160主要由电阻等器件构成。例如，在一种实施方式中，如图4所示，该匹配单元160包括第三电阻、第四电阻和第五电阻，其中，第三电阻和第四电阻各自的一端连接后作为该匹配单元160的第一端，用于连接该第二微带线120的第一端；第三电阻的另一端和第五电阻的一端连接后则作为该匹配单元160的第二端，用于连接该耦合端口；而第四电阻和第五电阻的另一端均接地。

下面结合上述结构设计得到的定向耦合器100进行仿真测试验证。示范性地，对于图4所示的定向耦合器100，若其目标工作频段为0.6GHz-7.1GHz，则设计该定向耦合器100的微带线的线长L为7mm，线宽为0.08mm，缝隙为0.08mm，第一调节单元130中的调节电阻R11和调节电容C11的取值分别为620Ω和0.5pF，第二调节单元140中的调节电阻R12和调节电容C12的取值分别为540Ω和0.6pF，第三调节单元150中的第一电阻R1和第二电阻R2的阻值分别为10Ω和7Ω，以及匹配单元160中的第三电阻R3、第四电阻R4和第五电阻R5依次为36Ω、1000Ω和500Ω。可以理解，上述的各器件取值仅为一种示例。

于是，通过对上述的定向耦合器100进行ADS仿真，可得到如图5所示的测试结果。从图5可知，该定向耦合器100的工作频宽实测为597MHz-7.171GHz，覆盖了手机终端的全部频段。该耦合器的耦合度(S3,1)在30-33dB之间，整个工作带宽内方向度D均在20dB以上，并且带内有两个极值点。可以理解，该定向耦合器100可以实现在宽的带宽范围内具有高方向度的性能。

本实施例的定向耦合器通过在平行微带线的两端分别设置一个由电容和电阻串联构成的调节单元，并在第二微带线的两端还设置有由若干电阻构成的另一调节单元，以及在耦合端口与第二微带线之间设置有由若干电阻构成的匹配电路等，通过在相应位置设置相应的电路及合适的器件取值，可以有效地改善现有的基于平行耦合微带线构成的定向耦合器的工作带宽窄、方向度差的问题。

实施例2

请参照图6，本实施例还提出一种定向耦合器100的通用设计方法，基于上述实施例1的定向耦合器100的结构，示范性地，该设计方法包括：

步骤S10，根据定向耦合器100的目标工作频段及第一微带线110和第二微带线120的电长度取值范围确定第一微带线110和第二微带线120的物理长度。

步骤S20，根据定向耦合器100的目标耦合度和特征阻抗分别对应确定第一微带线110和第二微带线120的缝隙和线宽。

步骤S30，根据定向耦合器100的目标方向度确定第一调节单元130和第二调节单元140中的器件取值。

步骤S40，根据定向耦合器100的目标平坦度确定第三调节单元150中的器件取值。

步骤S50，根据定向耦合器100的目标反射值确定匹配单元160中的器件取值。

关于如何确定，可参见上述实施例1中的描述，这里并不作限定。可以理解，在实际设计过程中，可根据理论计算的值进行仿真测试，考虑到有些计算值为估计值，则可以通过测试结果来不断调整相应的参数，以使得该定向耦合器100的性能最终能够满足要求。此外，应当明白的是，本实施例的各个步骤主要是以需要各项参数来描述，并不作为对各步骤的参数计算顺序的限定。

本申请实施例还提供了一种射频电路，示范性地，该射频电路可包括上述的定向耦合器。

本申请实施例还提供了一种电子设备，例如，可包括但不限于为智能手机、平板、雷达通讯装置、射频测试仪等，示范性地，该电子设备包括上述的射频电路。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种定向耦合器，其特征在于，包括：第一微带线、第二微带线、第一调节单元、第二调节单元、第三调节单元、匹配单元和第一至第三端口；

所述第一微带线和所述第二微带线平行设置，所述第一微带线的两端分别连接第一端口和第二端口，所述第二微带线的第一端连接第三端口；

所述第一调节单元的两端分别连接所述第一微带线和所述第二微带线的第一端；所述第二调节单元的两端分别连接所述第一微带线和所述第二微带线的第二端；所述第三调节单元的第一端连接所述第二微带线的第一端，所述第三调节单元的第二端分别连接所述第二微带线的第二端和所述第二调节单元，所述第三调节单元的第三端接地；所述匹配单元的两端分别连接所述第二微带线的第一端和所述第三端口。

2.根据权利要求1所述的定向耦合器，其特征在于，所述第一调节单元和所述第二调节单元均包括串联设置的一个调节电阻和一个调节电容。

3.根据权利要求1所述的定向耦合器，其特征在于，所述第三调节单元包括串联设置的第一电阻和第二电阻；

所述第一电阻的第一端作为所述第三调节单元的第一端，所述第一电阻的第二端与所述第二电阻的第一端连接，所述第一电阻和所述第二电阻的串联连接端作为所述第三调节单元的第二端，所述第二电阻的第二端作为所述第三调节单元的第三端。

4.根据权利要求1所述的定向耦合器，其特征在于，所述匹配单元包括第三电阻、第四电阻和第五电阻；

所述第三电阻和所述第四电阻的一端连接后作为所述匹配单元的第一端，所述第三电阻的另一端和所述第五电阻的一端连接后作为所述匹配单元的第二端，所述第四电阻和所述第五电阻的另一端接地。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的定向耦合器，其特征在于，所述第一微带线和所述第二微带线的电长度的范围为48～56度。

6.根据权利要求2所述的定向耦合器，其特征在于，所述第一调节单元和所述第二调节单元中的所述调节电容的取值范围均为0.1pF～1pF。

7.根据权利要求2或6所述的定向耦合器，其特征在于，所述第一调节单元和所述第二调节单元中的所述调节电阻的取值范围均为500Ω～700Ω。

8.一种射频电路，其特征在于，包括如权利要求1至7中任一项所述的定向耦合器。

9.一种电子设备，其特征在于，包括如权利要求8所述的射频电路。

10.一种定向耦合器的设计方法，其特征在于，结构采用如权利要求1至7中任一项所述的定向耦合器，所述定向耦合器的设计方法包括：

根据所述定向耦合器的目标工作频段及所述第一微带线和所述第二微带线的电长度取值范围确定所述第一微带线和所述第二微带线的物理长度；

根据所述定向耦合器的目标耦合度和特征阻抗分别对应确定所述第一微带线和所述第二微带线的缝隙和线宽；

根据所述定向耦合器的目标方向度确定所述第一调节单元和所述第二调节单元中的器件取值；

根据所述定向耦合器的目标平坦度确定所述第三调节单元中的器件取值；

根据所述定向耦合器的目标反射值确定所述匹配单元中的器件取值。

11.根据权利要求10所述的定向耦合器的设计方法，其特征在于，所述第一微带线和所述第二微带线的电长度取值范围为48～56度。

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