CN117060036A - 一种基于平行耦合四线的宽带滤波耦合器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于平行耦合四线的宽带滤波耦合器，具体方案为：平行耦合四线、并联开路线和50Ω端口；所述平行耦合四线包括第一耦合线、第二耦合线、第三耦合线和第四耦合线；所述并联开路线包括第一并联开路线、第二并联开路线、第三并联开路线和第四并联开路线；所述第一并联开路线包括第一传输线和第一开路线；所述第二并联开路线包括第二传输线和第二开路线；所述第三并联开路线包括第三传输线和第三开路线；所述第四并联开路线包括第四传输线和第四开路线；所述50Ω端口包括50Ω端口1、50Ω端口2、50Ω端口3和50Ω端口4；本发明提供了基于平行耦合四线的宽带滤波耦合器，具有宽通带、输出平坦度高、频率选择性好、带外抑制性好、体积小、结构简单易加工和低成本等特点，适于广泛推广。
Description
技术领域
本发明涉及微波无源器件领域，具体涉及基于平行耦合四线的宽带滤波耦合器。
背景技术
定向耦合器是用来分配或合成信号功率并具有定向耦合特性的微波/毫米波的无源器件，被广泛应用于信号提取、功率监测、天线馈电、传输和反射的扫频测试等。
微带形式的定向耦合器主要有微带分支线定向耦合器、微带平行耦合线定向耦合器和微带横跨定向耦合器。其中，平行耦合双线耦合器因其体积小、无需加载阻容感等元器件、结构简单易加工的特点广泛应用于微波电路中。相比微带平行耦合双线，微带平行耦合多线有更多的参数，具有可调节范围大、紧耦合、有多端口可用等优点，目前已成为研究的热点。
近年来，移动通信系统朝着集成化、小型化的方向发展，要求系统中的器件具有多功能融合的性能。多功能融合不是简单地将两种或多种不同功能的器件直接连接起来，而是采用一体化设计将两种或多种器件的功能合并在一个器件中。滤波器和耦合器在射频前端常以级联的方式连接，为了减少级间的损耗和失配，研究滤波耦合器具有重要的价值。
发明内容
根据现有技术存在的问题，本发明公开了基于平行耦合四线的宽带滤波耦合器，其特征在于包括：平行耦合四线、并联开路线和50Ω端口；
所述平行耦合四线包括第一耦合线、第二耦合线、第三耦合线和第四耦合线；所述并联开路线包括第一并联开路线、第二并联开路线、第三并联开路线和第四并联开路线；所述第一并联开路线包括第一传输线和第一开路线；所述第二并联开路线包括第二传输线和第二开路线；所述第三并联开路线包括第三传输线和第三开路线；所述第四并联开路线包括第四传输线和第四开路线；所述50Ω端口包括50Ω端口1、50Ω端口2、50Ω端口3和50Ω端口4；
所述50Ω端口1与第二耦合线的左端相连；所述50Ω端口2与第三耦合线的左端相连；所述50Ω端口3与第一耦合线的右端相连；所述50Ω端口4与第四耦合线的右端相连；所述第一开路线的下端与第一传输线的上端相连，所述第一传输线的下端并联在50Ω端口1和第二耦合线之间；所述第二开路线的上端与第二传输线的下端相连，所述第二传输线的上端并联在50Ω端口2和第三耦合线之间；所述第三开路线的下端与第三传输线的上端相连，所述第三传输线的下端并联在第一耦合线和50Ω端口3之间；所述第四开路线的上端与第四传输线的下端相连，所述第四传输线的上端并联在第四耦合线和50Ω端口4之间；
进一步地，根据权利要求1所述的基于平行耦合四线的宽带滤波耦合器，其特征在于：所述平行耦合四线沿水平中心线对称，即第一耦合线和第四耦合线的参数相同，第二耦合线和第三耦合线的参数相同。
进一步地，根据权利要求1所述的基于平行耦合四线的宽带滤波耦合器，其特征在于：所述第一耦合线与第四耦合线的偶模和奇模特性阻抗分别为Zea和Zoa；所述第二耦合线与第三耦合线的偶模和奇模特性阻抗分别为Zeb和Zob；所述平行耦合四线的电长度为θ，对应中心频点处的90°。
进一步地，根据权利要求1所述的基于平行耦合四线的宽带滤波耦合器，其特征在于，所述平行耦合四线的Z矩阵为：
其中，
α＝-jcotθ,β＝-jcscθ
k1为不相邻不等宽耦合线(即第一耦合线与第三耦合线、第二耦合线与第四耦合线)之间的耦合系数与相邻不等宽耦合线(第一耦合线与第二耦合线、第三耦合线与第四耦合线)之间的耦合系数的比值；
k2为不相邻不等宽耦合线(即第一耦合线与第三耦合线、第二耦合线与第四耦合线)之间的耦合系数与中间耦合线(第二耦合线与第三耦合线)之间的耦合系数的比值；
k3为外侧两耦合线(即第一耦合线与第四耦合线)之间的耦合系数与相邻不等宽耦合线(即第一耦合线与第二耦合线、第三耦合线与第四耦合线)之间的耦合系数的比值；
进一步地，所述第一并联开路线与第二并联开路线的参数相同，所述第三并联开路线与第四并联开路线的参数相同。所述第一传输线与第二传输线的特性阻抗均为Z1，电长度均为θ1；所述第一开路线与第二开路线的特性阻抗均为Z2，电长度均为θ2；所述第三传输线与第四传输线的特性阻抗均为Z3，电长度均为θ3；所述第三开路线与第四开路线的特性阻抗均为Z4，电长度均为θ4。其中，θ1、θ2、θ3和θ4均对应中心频点处的90°。可以得到第一并联开路线、第二并联开路线、第三并联开路线和第四并联开路线的端口输入阻抗Zin1、Zin2、Zin3和Zin4的表达式分别为：
进一步地，S21表示信号从50Ω端口1输入，在50Ω端口2输出，50Ω端口3和50Ω端口4接匹配负载；S31表示信号从50Ω端口1输入，在50Ω端口3输出，50Ω端口2和50Ω端口4接匹配负载。则整体电路的S参数表达式为：
其中，
Δ1＝(Z33+Z0)(Z44+Z0)-Z34Z43
Δ2＝(Z22+Z0)(Z44+Z0)-Z24Z42
进一步地，通过调整所述第一耦合线和第四耦合线的线宽可以改变输出端口间的相位平坦度；通过调整所述第二耦合线和第三耦合线的线宽可以改变输出端口间的相位平坦度和功率分配比；通过调整所述第一耦合线与第二耦合线、第二耦合线与第三耦合线、第三耦合线与第四耦合线之间的缝宽可以改变输出端口间的功率分配比；
进一步地，通过调整所述第一开路线、第二开路线、第三开路线、第四开路线、第一传输线、第二传输线、第三传输线和第四传输线的长度可以改变传输零点的位置，提高频率选择性；通过调整所述第一开路线与第一传输线、第二开路线与第二传输线、第三开路线与第三传输线、第四开路线与第四传输线的线宽之比，可以提高带外抑制性能；
根据本发明推导出的公式，基于平行耦合四线的耦合器可以实现宽通带、输出平坦度高、良好的带外抑制及频率选择特性。由于采用了上述技术方案，本发明提出的一种基于平行耦合四线的宽带滤波耦合器，具有易加工、体积小和成本低的特点，适于广泛推广。
附图说明
图1是本发明所述基于平行耦合四线的宽带滤波耦合器的结构示意图。
图2是本发明所述基于平行耦合四线的宽带滤波耦合器的优化算法流程图。
图3是本发明所述基于平行耦合四线的宽带滤波耦合器的仅中间平行耦合四线的S参数结果图。
图4是本发明所述基于平行耦合四线的宽带滤波耦合器的S参数结果图。
图5是本发明所述基于平行耦合四线的宽带滤波耦合器的输出端口间幅度曲线。
图6是本发明所述基于平行耦合四线的宽带滤波耦合器的输出端口间相位曲线。
图中：1、平行耦合四线，11、第一耦合线，12、第二耦合线，13、第三耦合线，14、第四耦合线，2、并联开路线，21、第一并联开路线，22、第二并联开路线，23、第三并联开路线，24、第四并联开路线，211、第一传输线，212、第一开路线，221、第二传输线，222、第二开路线，231、第三传输线，232、第三开路线，241、第四传输线，242、第四开路线，3、50Ω端口，31、50Ω端口1，32、50Ω端口2，33、50Ω端口3，34、50Ω端口4；
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
图1为本发明所述基于平行耦合四线的宽带滤波耦合器的结构示意图，本实例的基于平行耦合四线的宽带滤波耦合器，可以包括：平行耦合四线1、并联开路线2和50Ω端口3；
所述平行耦合四线1包括第一耦合线11、第二耦合线12、第三耦合线13和第四耦合线14；所述并联开路线2包括第一并联开路线21、第二并联开路线22、第三并联开路线23和第四并联开路线24；所述第一并联开路线21包括第一传输线211和第一开路线212；所述第二并联开路线22包括第二传输线221和第二开路线222；所述第三并联开路线23包括第三传输线231和第三开路线232；所述第四并联开路线24包括第四传输线241和第四开路线242；所述50Ω端口3包括50Ω端口1 31、50Ω端口2 32、50Ω端口3 33和50Ω端口4 34；
所述50Ω端口1 31与第二耦合线12的左端相连；所述50Ω端口2 32与第三耦合线13的左端相连；所述50Ω端口3 33与第一耦合线11的右端相连；所述50Ω端口4 34与第四耦合线14的右端相连；所述第一开路线212的下端与第一传输线211的上端相连，所述第一传输线211的下端并联在50Ω端口1 31和第二耦合线12之间；所述第二开路线222的上端与第二传输线221的下端相连，所述第二传输线221的上端并联在50Ω端口2 32和第三耦合线13之间；所述第三开路线232的下端与第三传输线231的上端相连，所述第三传输线231的下端并联在第一耦合线11和50Ω端口3 33之间；所述第四开路线242的上端与第四传输线241的下端相连，所述第四传输线241的上端并联在第四耦合线14和50Ω端口4 34之间；
进一步地，根据权利要求1所述的基于平行耦合四线的宽带滤波耦合器，其特征在于：所述平行耦合四线1沿水平中心线对称，即第一耦合线11和第四耦合线14的参数相同，第二耦合线12和第三耦合线13的参数相同。
进一步地，根据权利要求1所述的基于平行耦合四线的宽带滤波耦合器，其特征在于：所述第一耦合线11与第四耦合线14的偶模和奇模特性阻抗分别为Zea和Zoa；所述第二耦合线12与第三耦合线13的偶模和奇模特性阻抗分别为Zeb和Zob；所述平行耦合四线1的电长度为θ，对应中心频点处的90°。
进一步地，根据权利要求1所述的基于平行耦合四线的宽带滤波耦合器，其特征在于，所述平行耦合四线1的Z矩阵为：
其中，
α＝-jcotθ,β＝-jcscθ
k1为不相邻不等宽耦合线(第一耦合线11与第三耦合线13、第二耦合线12与第四耦合线14)之间的耦合系数与相邻不等宽耦合线(第一耦合线11与第二耦合线12、第三耦合线13与第四耦合线14)之间的耦合系数的比值；
k2为不相邻不等宽耦合线(第一耦合线11与第三耦合线13、第二耦合线12与第四耦合线14)之间的耦合系数与中间耦合线(第二耦合线12与第三耦合线13)之间的耦合系数的比值；
k3为外侧两耦合线(第一耦合线11与第四耦合线14)之间的耦合系数与相邻不等宽耦合线(第一耦合线11与第二耦合线12、第三耦合线13与第四耦合线14)之间的耦合系数的比值；
进一步地，根据权利要求1所述的基于平行耦合四线的宽带滤波耦合器，其特征在于：所述第一并联开路线21与第二并联开路线22的参数相同，所述第三并联开路线23与第四并联开路线24的参数相同。所述第一传输线211与第二传输线221的特性阻抗均为Z1，电长度均为θ1；所述第一开路线212与第二开路线222的特性阻抗均为Z2，电长度均为θ2；所述第三传输线231与第四传输线241的特性阻抗均为Z3，电长度均为θ3；所述第三开路线232与第四开路线242的特性阻抗均为Z4，电长度均为θ4。其中，θ1、θ2、θ3和θ4均对应中心频点处的90°。可以得到第一并联开路线21第二并联开路线22、第三并联开路线23和第四并联开路线24的端口输入阻抗Zin1、Zin2、Zin3和Zin4的表达式分别为：
进一步地，根据权利要求1所述的基于平行耦合四线的宽带滤波耦合器，其特征在于：S21表示信号从50Ω端口1 31输入，在50Ω端口2 32输出，50Ω端口3 33和50Ω端口4 34接匹配负载；S31表示信号从50Ω端口1 31输入，在50Ω端口3 33输出，50Ω端口2 32和50Ω端口4 34接匹配负载。则整体电路的S参数表达式为：
其中，
Δ1＝(Z33+Z0)(Z44+Z0)-Z34Z43
Δ2＝(Z22+Z0)(Z44+Z0)-Z24Z42
进一步地，根据定向耦合器端口S参数的要求，建立目标函数Ob，并采用优化算法进行优化求解。目标函数Ob的表达式为：
Ob＝m1+m2+m3
其中，N为采样点数，fn表示第n个采样点，C是电路的耦合系数k对应的dB值，δ是输出端口幅度的波动范围，单位为dB；
图2给出了本发明所述基于平行耦合四线的宽带滤波耦合器的算法优化流程图。首先要确定电路中心频率f0、耦合系数k、振幅波动范围δ和通带带宽；第二步，确定采样点数N和采样频点fn；第三步，根据电路Z矩阵得到电路S参数的表达式；第四步，根据定向耦合器的传输特性，确定优化目标函数；第五步，确定目标函数收敛误差τ，运行优化算法程序；第六步，判断优化目标函数值是否小于等于目标函数收敛误差τ。否的话，返回上一步继续优化；是的话，输出此时计算结果，并结束该优化算法程序；
表1中给出了该实施例优化后的具体电路参数数值：
本发明该实施例采用的技术指标如下：
中心频率：2GHz；
10-dB通带带宽：>70％；
阻带抑制电平：>20dB；
隔离度：>20dB；
输出端口间幅度误差：0.5dB；
输出端口间相位误差：5°；
根据表1该实施例所得的奇偶模阻抗值、特性阻抗值及电长度，设计本发明一种基于平行耦合四线的宽带滤波耦合器。
图3给出了本发明提出的基于平行耦合四线的宽带滤波耦合器仅中间平行耦合四线的S参数结果图。在示例中心频率2GHz处，输入端口回波损耗|S11|为-24.5dB，隔离端的隔离度为30.2dB，直通端输出|S31|为-3.3dB，耦合端输出|S21|为-2.9dB。平行耦合四线耦合器在0GHz和4GHz频率处有两个传输零点，具有良好的滤波特性。S参数结果满足滤波耦合器的技术指标要求，说明本发明提出的滤波耦合器具有良好功率分配以及隔离性能，同时具有一定的滤波性能。
图4给出了本发明提出的基于平行耦合四线的宽带滤波耦合器的S参数结果图。其10-dB相对带宽为72.5％，15-dB相对带宽为42.5％，在较宽的频率范围内匹配良好，具有宽带特性。本发明提出的基于平行耦合四线的宽带滤波耦合器在0GHz～0.79GHz、3.18GHz～4.75GHz频率范围内|S21|&|S31|≤-20dB，说明本发明提出的滤波耦合器具有较宽的阻带，带外抑制性能较好。与图3所示的结果相比，本发明提出的滤波耦合器，可将矩形系数(RC＝BW 20dB/BW 3dB)由原来的2.15降为1.36，显著提高了电路的频率选择性。
图5和图6给出了本发明提出的基于平行耦合四线的宽带滤波耦合器的输出端口间幅度和相位的关系曲线。两个输出端口间的相位差在±5°以内的相对带宽为87.5％，幅度差在±0.5dB以内的相对带宽为55％，说明本发明提出的定向耦合器输出具有高平坦度特性。
本发明提出的滤波耦合器的体积为：0.3λg×0.3λg(λg为中心频率2GHz对应的波导波长)，说明本发明提出的滤波耦合器在兼顾体积小的同时具备宽通带、输出平坦度高、频率选择性好、带外抑制性好以及设计简单成本低廉的优点。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明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发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于平行耦合四线的宽带滤波耦合器，其特征在于包括：平行耦合四线(1)、并联开路线(2)和50Ω端口(3)；
所述平行耦合四线(1)包括第一耦合线(11)、第二耦合线(12)、第三耦合线(13)和第四耦合线(14)；所述并联开路线(2)包括第一并联开路线(21)、第二并联开路线(22)、第三并联开路线(23)和第四并联开路线(24)；所述第一并联开路线(21)包括第一传输线(211)和第一开路线(212)；所述第二并联开路线(22)包括第二传输线(221)和第二开路线(222)；所述第三并联开路线(23)包括第三传输线(231)和第三开路线(232)；所述第四并联开路线(24)包括第四传输线(241)和第四开路线(242)；所述50Ω端口(3)包括50Ω端口1(31)、50Ω端口2(32)、50Ω端口3(33)和50Ω端口4(34)；
所述50Ω端口1(31)与第二耦合线(12)的左端相连接；所述50Ω端口2(32)与第三耦合线(13)的左端相连接；所述50Ω端口3(33)与第一耦合线(11)的右端相连接；所述50Ω端口4(34)与第四耦合线(14)的右端相连接；所述第一开路线(212)的下端与第一传输线(211)的上端相连接，所述第一传输线(211)的下端并联在50Ω端口1(31)和第二耦合线(12)之间；所述第二开路线(222)的上端与第二传输线(221)的下端相连接，所述第二传输线(221)的上端并联在50Ω端口2(32)和第三耦合线(13)之间；所述第三开路线(232)的下端与第三传输线(231)的上端相连接，所述第三传输线(231)的下端并联在第一耦合线(11)和50Ω端口3(33)之间；所述第四开路线(242)的上端与第四传输线(241)的下端相连接，所述第四传输线(241)的上端并联在第四耦合线(14)和50Ω端口4(34)之间。
2.根据权利要求1所述的基于平行耦合四线的宽带滤波耦合器，其特征在于：所述平行耦合四线(1)沿水平中心线对称，第一耦合线(11)和第四耦合线(14)的参数相同，第二耦合线(12)和第三耦合线(13)的参数相同。
3.根据权利要求1所述的基于平行耦合四线的宽带滤波耦合器，其特征在于：所述第一耦合线(11)与第四耦合线(14)的偶模和奇模特性阻抗分别为Zea和Zoa；所述第二耦合线(12)与第三耦合线(13)的偶模和奇模特性阻抗分别为Zeb和Zob；所述平行耦合四线(1)的电长度为θ，对应中心频点处的90°。
4.根据权利要求1所述的基于平行耦合四线的宽带滤波耦合器其特征在于，所述平行耦合四线(1)的Z矩阵为：
其中，
α＝-jcotθ,β＝-jcscθ
k1为不相邻不等宽耦合线即第一耦合线(11)与第三耦合线(13)、第二耦合线(12)与第四耦合线(14)之间的耦合系数与相邻不等宽耦合线即第一耦合线(11)与第二耦合线(12)、第三耦合线(13)与第四耦合线(14)之间的耦合系数的比值；
k2为不相邻不等宽耦合线即第一耦合线(11)与第三耦合线(13)、第二耦合线(12)与第四耦合线(14)之间的耦合系数与中间耦合线即第二耦合线(12)与第三耦合线(13)之间的耦合系数的比值；
k3为外侧两耦合线即第一耦合线(11)与第四耦合线(14)之间的耦合系数与相邻不等宽耦合线即第一耦合线(11)与第二耦合线(12)、第三耦合线(13)与第四耦合线(14)之间的耦合系数的比值。
5.根据权利要求1所述的基于平行耦合四线的宽带滤波耦合器，其特征在于：所述第一并联开路线(21)与第二并联开路线(22)的参数相同，所述第三并联开路线(23)与第四并联开路线(24)的参数相同，所述第一传输线(211)与第二传输线(221)的特性阻抗均为Z1，电长度均为θ1；所述第一开路线(212)与第二开路线(222)的特性阻抗均为Z2，电长度均为θ2；所述第三传输线(231)与第四传输线(241)的特性阻抗均为Z3，电长度均为θ3；所述第三开路线(232)与第四开路线(242)的特性阻抗均为Z4，电长度均为θ4，其中，θ1、θ2、θ3和θ4均对应中心频点处的90°，得到第一并联开路线(21)、第二并联开路线(22)、第三并联开路线(23)和第四并联开路线(24)的端口输入阻抗Zin1、Zin2、Zin3和Zin4的表达式分别为：
6.根据权利要求1所述的基于平行耦合四线的宽带滤波耦合器，其特征在于：S21表示信号从50Ω端口1(31)输入，在50Ω端口2(32)输出，50Ω端口3(33)和50Ω端口4(34)接匹配负载；S31表示信号从50Ω端口1(31)输入，在50Ω端口3(33)输出，50Ω端口2(32)和50Ω端口4(34)接匹配负载，则整体电路的S参数表达式为：
其中，
Δ1＝(Z33+Z0)(Z44+Z0)-Z34Z43
Δ2＝(Z22+Z0)(Z44+Z0)-Z24Z42。
7.根据权利要求1所述的基于平行耦合四线的宽带滤波耦合器，其特征在于：通过调整所述第一耦合线(11)和第四耦合线(14)的线宽从而改变输出端口间的相位平坦度；通过调整所述第二耦合线(12)和第三耦合线(13)的线宽从而改变输出端口间的相位平坦度和功率分配比；通过调整所述第一耦合线(11)与第二耦合线(12)、第二耦合线(12)与第三耦合线(13)、第三耦合线(13)与第四耦合线(14)之间的缝宽改变输出端口间的功率分配比。
8.根据权利要求1所述的基于平行耦合四线的宽带滤波耦合器，其特征在于：通过调整所述第一开路线(212)、第二开路线(222)、第三开路线(232)、第四开路线(242)、第一传输线(211)、第二传输线(221)、第三传输线(231)和第四传输线(241)的长度改变传输零点的位置，提高频率选择性；通过调整所述第一开路线(212)与第一传输线(211)、第二开路线(222)与第二传输线(221)、第三开路线(232)与第三传输线(231)、第四开路线(242)与第四传输线(241)的线宽之比，提高带外抑制性能。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310980169.7A CN117060036A (zh) | 2023-08-04 | 2023-08-04 | 一种基于平行耦合四线的宽带滤波耦合器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310980169.7A CN117060036A (zh) | 2023-08-04 | 2023-08-04 | 一种基于平行耦合四线的宽带滤波耦合器 |
Publications (1)
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| CN117060036A true CN117060036A (zh) | 2023-11-14 |
Family
ID=88660126
Family Applications (1)
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| CN202310980169.7A Pending CN117060036A (zh) | 2023-08-04 | 2023-08-04 | 一种基于平行耦合四线的宽带滤波耦合器 |
Country Status (1)
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-
2023
- 2023-08-04 CN CN202310980169.7A patent/CN117060036A/zh active Pending
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