CN116111970A - 一种基于集总元件的八端口3dB耦合器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于集总元件的八端口3dB耦合器，通过将16个电感元件首尾相连构成电感环形结构，并在每两个电感连接处并联一个电容，通过灵活调整集总参数，不仅实现了差分信号幅值和相位的分配功能，还能有效抑制共模信号。该电路结构具有优良的共模抑制性能和高隔离度，同时兼具小型化、集成化特点，有利于解决当前集成滤波差分耦合器面积大、设计复杂、不利于高集成化系统的发展，并且存在隔离性能差、共模抑制不佳等问题。

Description

一种基于集总元件的八端口3dB耦合器
技术领域
本发明涉及一种耦合器，尤其涉及一种基于集总元件的八端口3dB耦合器。
背景技术
随着第五代通信技术标准的提出，万物互联的时代已经到来，射频前端电路作为整个无线通信链路的基础，在新一代通信系统的要求中起着至关重要的作用。目前随着通信系统高集成化的发展，射频有源电路的设计框架也日益成熟，满足不同需求的射频功放、低噪声放大器、射频开关等已经集成化到芯片级别。但射频前端电路由于自身特点以及特殊的工作应用场景，还不能完全实现集成化，仍然面临着小型化、平面化、易于集成等高性能的技术问题。
耦合器作为重要的无源电路，在射频前端电路一般用于功率分配和组合。耦合器为四端口网络器件，电磁波信号从输入端进入，功率输出分别通过直通端和耦合端口，其中输出信号不仅在幅度上有差别，信号在相位上又有所不同，典型的输出相位为90°相位和180°相位。第四个端口为隔离端口，理想的无耗网络条件下没有信号功率输出。
信息化时代带来的飞速增长的流量，使得基于平衡式传输线和电路的无源器件被广泛应用于通信系统中。平衡式定向耦合器不仅具有分配差分信号的幅值和相位的功能，还能够有效抑制环境噪声和系统内部噪声，是近些年来通信系统中备受青睐的无源器件。现有的平衡式耦合器主要采用枝节线和耦合微带线结构来实现，但往往结构尺寸较大且电路结构复杂，不利于现代射频前端集成化、小型化的发展。而采用半模基片集成波导结构(HMSIW)设计的平衡式定向耦合器，尽管能在保持基片集成波导(SIW)优良传输特性基础上将结构尺寸缩小一半，但整体结构尺寸仍然较大，并且需要单独设计端口的阻抗匹配段，结构较复杂。
综上所述，现有的基于微带线、耦合线以及基片集成波导的平衡式耦合器电路复杂、结构尺寸大，并且存在隔离性能差、共模抑制不佳等问题，不利于通信系统向超小型化、集成化发展。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提出一种基于集总元件的八端口3dB耦合器，解决现有电路结构复杂、尺寸较大，并且隔离性能差、共模抑制不佳的问题。
技术方案：一种基于集总元件的八端口3dB耦合器，包括一对差分输入端口1+/1-、一对差分直通端口2+/2-、一对差分隔离端口3+/3-、一对差分耦合端口4+/4-、一个电感环形结构以及16个电容组成；
所述电感环形结构由16个电感依次首尾相连构成，在平面上，电感环形结构的电感参数分布分别关于水平中轴线上下对称、竖直中轴线左右对称；在每两个电感连接处并联一个电容，构成16个电感和16个电容交替并联结构；
差分输入端口1+/1-、差分直通端口2+/2-、差分隔离端口3+/3-、差分耦合端口4+/4-分别对应连接所述电感环形结构上的一个电容，且同一对端口之间间隔2个电感，相邻的一对端口之间同样间隔2个电感，所述电感环形结构上的剩余电容的另一端均接地。
进一步的，差分输入端口1+/1-和差分隔离端口3+/3-位于所述竖直中轴线的一侧，差分直通端口2+/2-和差分耦合端口4+/4-位于所述竖直中轴线的另一侧，并且差分输入端口1+/1-和差分直通端口2+/2-对称设置，差分隔离端口3+/3-和差分耦合端口4+/4-对称设置。
有益效果：本发明设计了一种超小型化八端口3-dB耦合器电路，相比于现有的微带线型以及基片集成波导型平衡式定向耦合器具有更紧凑、集成化更高的优势，并且兼顾了高隔离、良好共模抑制、高方向性等性能，对于减小通信系统体积和设计难度，提升射频前端集成化性能具有重要的应用价值。
具体的，本发明将16个电感首尾相连构成电感环结构，并在每两个电感连接处并联一个电容，整个电路结构参数呈现出上下对称、左右对称的特点。通过灵活调控各部分集总元件参数值，实现了平衡式高方向性定向耦合器，易于小型化和集成化，并具有宽共模抑制、高隔离、高方向性的特点。
在电容201/203、电容213/215、电容205/207以及电容209/211两端各引出一组传输线路，构成八端口网路，实现差分信号的输入、传输、耦合以及隔离。
电感101与电感102串联，在电感101与电感102连接处并联电容202，电感101另一端连接电容201，电容201另一端连接平衡端口1+；电感103另一端连接电容203，电容203另一端连接差分端口1-，构成共模抑制的差分输入端口，实现差分信号传输而对宽带共模信号进行有效抑制。
附图说明
图1为本发明八端口3-dB耦合器电路结构图；
图2为本发明电路电感环形结构；
图3为本发明八端口3-dB耦合器电路结构集总参数示意图；
图4为本发明基于IPD工艺的版图结构示意图；
图5为本发明实施例中差模响应曲线；
图6为本发明实施例中共模响应曲线；
图7为发明实施例中方向性参数曲线；
图8为本发明实施例中端口2和端口4之间的相位差曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
本发明为解决现有设计结构复杂、尺寸较大不利于集成化、小型化，且隔离性能差、共模抑制不佳等关键问题，提出了一种八端口3-dB耦合器电路方案，如图1所示，一种八端口3-dB耦合器，包括一对差分输入端口1+/1-、一对差分直通端口2+/2-、一对差分隔离端口3+/3-、一对差分耦合端口4+/4-、一个电感环形结构以及16个电容组成。
电感环形结构如图2所示，电感环形结构由16个电感101～116依次首尾相连构成，在平面上，电感环形结构的电感参数分布分别关于对称线1上下对称、对称线2左右对称。在每两个电感连接处并联一个电容，构成16个电感和16个电容交替并联结构。
其中，电感101和电感102连接处并联电容202，电容202另一端接地；电感103和电感104连接处并联电容204，电容204另一端接地；电感105和电感106连接处并联电容206，电容206另一端接地；电感107和电感108连接处并联电容208，电容208另一端接地；电感109和电感110连接处并联电容210，电容210另一端接地；电感111和电感112连接处并联电容212，电容212另一端接地；电感113和电感114连接处并联电容214，电容214另一端接地；电感115和电感116连接处并联电容216，电容216另一端接地。
电感101和电感116之间并联电容201，电容201的另一端和差分输入端口1+相连接；电感102和电感103之间并联电容203，电容203的另一端和差分输入端口1-相连接；电感104和电感105之间并联电容205，电容205的另一端和差分隔离端口3+相连接；电感106和电感107之间并联电容207，电容207的另一端和差分隔离端口3-相连接；电感114和电感115之间并联电容215，电容215的另一端和差分直通端口2+相连接；电感112和电感113之间并联电容213，电容213的另一端和差分直通端口2-相连接；电感110和电感111之间并联电容211，电容211的另一端和差分耦合端口4+相连接；电感108和电感109之间并联电容209，电容209的另一端和差分耦合端口4-相连接。
当等幅反相的差模信号从差分输入端口1+/1-输入电路时，差分信号通过电感115、116以及电容216路径至差分直通端口2+/2-和差分耦合端口4+/4-，一部分差模信号从端口2+/2-直通输出，一部分差模信号从端口4+/4-耦合输出，调整电路结构中集总参数，使得差分输入端口1+/1-沿着端口2+/2-、4+/4-路径传输的信号和沿着端口3+/3-路径传输的信号在端口3+/3-处抵消，构成一个差分隔离端口3+/3。当等幅同相的共模信号从差分输入端口1+/1-输入电路时，在差分输入端口处等幅同相的信号经过电感101、102以及电容201、202、203后相互抵消，共模信号被抑制。
本发明构造了一种超小型化八端口3-dB耦合器电路，通过将16个电感元件首尾相连构成电感环形结构，并在每两个电感连接处并联一个电容，通过灵活调整集总参数，不仅实现了差分信号幅值和相位的分配功能，还能有效抑制共模信号。该电路结构具有优良的共模抑制性能和高隔离度，同时兼具小型化、集成化特点，有利于解决当前集成滤波差分耦合器面积大、设计复杂、不利于高集成化系统的发展，并且存在隔离性能差、共模抑制不佳等问题。
为了更好地说明本发明的技术效果，图3给出了实施案例的集总元件参数示意图。其中，实施例中的中心频率设计在2.3GHz，对应的集总元件参数值为：L1＝3.5nH，C1＝2.75pF，L2＝1.42nH，C2＝2.82pF，L3＝3.11nH，C3＝2.44pF，C4＝3.27pF。
图4给出了采用IPD工艺技术构造的本发明超小型化八端口3-dB耦合器版图结构示意图，可以看出整个版图尺寸仅为为1.55mm*2.368mm*0.1mm，对应的电尺寸为
，为中心频点处空气波长,，具有超小型化特点。
图5给出了模拟得到的差模工作信号传输、耦合以及隔离响应曲线，从图中可以看出，在2.26-2.34GHz频率范围内回波损耗Sdd11小于-10dB，中心频点处的插入损耗Sdd21为-3.8dB，耦合参数Sdd41为-2.3dB，端口1和端口3的隔离在2.28-2.32GHz频率范围内大于20dB，中心频点的隔离达到60dB。图6给出了共模信号响应曲线，可以看出在2.2-2.4GHz频带范围内的共模抑制大于30dB，工作频带范围内的共模抑制大于48dB。
图7给出了本发明实施例的方向性参数曲线，其中方向性D定义为定向耦合器中耦合端口与隔离端口的微波信号功率之比dB。工程应用中方向性越高越好，通常普通微带线耦合器的方向性只有20dB左右，而本设计中可以看出在中心频率的方向性D达到66dB，具有较高的方向性能。图8给出了直通端口2和耦合端口4之间的相位差参数曲线，在中心频点处两个差分输出端口2和端口4之间的相位差△Phase＝(ang(Sdd21)-ang(Sdd41))＝90°。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于集总元件的八端口3dB耦合器，其特征在于，包括一对差分输入端口1+/1-、一对差分直通端口2+/2-、一对差分隔离端口3+/3-、一对差分耦合端口4+/4-、一个电感环形结构以及16个电容组成；
所述电感环形结构由16个电感依次首尾相连构成，在平面上，电感环形结构的电感参数分布分别关于水平中轴线上下对称、竖直中轴线左右对称；在每两个电感连接处并联一个电容，构成16个电感和16个电容交替并联结构；
差分输入端口1+/1-、差分直通端口2+/2-、差分隔离端口3+/3-、差分耦合端口4+/4-分别对应连接所述电感环形结构上的一个电容，且同一对端口之间间隔2个电感，相邻的一对端口之间同样间隔2个电感，所述电感环形结构上的剩余电容的另一端均接地。
2.根据权利要求1所述的基于集总元件的八端口3dB耦合器，其特征在于，差分输入端口1+/1-和差分隔离端口3+/3-位于所述竖直中轴线的一侧，差分直通端口2+/2-和差分耦合端口4+/4-位于所述竖直中轴线的另一侧，并且差分输入端口1+/1-和差分直通端口2+/2-对称设置，差分隔离端口3+/3-和差分耦合端口4+/4-对称设置。
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