CN117335120A - 一种融合滤波功能的定向耦合器 - Google Patents

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    • H01P5/16—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port
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Abstract

本发明公开了一种融合滤波功能的定向耦合器，将四条L型带状线与四条单端短路的旁侧耦合带状线置于中心耦合带状线的四端，利用L型带状线与单端短路的旁侧耦合带状线形成的主通道及耦合通道传输零点及匹配与隔离的调节，结合中心耦合带状线自身的定向耦合作用，形成融合滤波功能的与定向耦合器，并且能够兼顾小尺寸、较高的定向性及简单结构。

Description

一种融合滤波功能的定向耦合器
技术领域
本发明涉及一种微波通信器件，尤其涉及一种定向耦合器。
背景技术
定向耦合器作为射频前端重要的四端口器件，其四个端口分别为输入端口、直通端口、耦合端口与隔离端口，定向耦合器的主要作用是将输入端口的信号按一定比例耦合至耦合端口，并且要求隔离端口的信号远小于耦合端口的信号。将定向耦合器与滤波器进行融合设计，可以同时实现定向耦合与滤波两种功能，减少系统的器件数目，进而减小系统整体尺寸，降低整体损耗，因此融合滤波功能的定向耦合器具有重要的工程价值和应用价值。对于滤波定向耦合器来说，带宽、匹配、频率选择性、定向性及尺寸决定了该器件的适用能力。
目前融合滤波功能的定向耦合器的相关设计未见报道，未融合滤波功能的定向耦合器的实现方法有三类：第一类是采用多节耦合微带线、耦合带状线或基片集成同轴耦合线级联，主要用于拓展定向耦合器的工作带宽，但是阶梯性耦合系数导致耦合系数较低，且定向性不高，电路尺寸较大；第二类是采用宽边耦合的基片集成同轴耦合线，或公共地开槽的双层基片集成同轴线，实现高耦合度的定向耦合器，相比第一类而言，电路尺寸有所减少，但定向性不高的问题依然存在，且电路层结构较复杂；第三类是在共面微带耦合线的基础上增加过孔金属壁或交指电容等结构，用于调整微带耦合线奇偶模相速相近，提升微带定向耦合器的定向性，但是结构相对复杂。
鉴于目前定向耦合器相关技术现状，有必要提出一种融合滤波功能的定向耦合器，能够同时实现滤波及定向耦合的功能，并且兼顾小尺寸、较高的定向性及简单结构。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提出一种融合滤波功能的定向耦合器，解决现有定向耦合器无法同时实现滤波及定向耦合两种功能的问题，并能兼顾小尺寸、较高的定向性及简单结构。
技术方案：一种融合滤波功能的定向耦合器，包括中心耦合带状线、旁侧耦合带状耦合线一至四、L型带状线一至四、带状线一至四、微带线一至四；其中，所述旁侧耦合带状耦合线一至四的一端分别对应连接所述中心耦合带状线的四端，所述旁侧耦合带状耦合线一至四的另一端短路；所述L型带状线一至四的一端分别对应连接所述中心耦合带状线的四端，所述L型带状线一至四的另一端分别对应与带状线一至四的一端相连，所述带状线一至四的另一端分别对应与微带线一至四的一端相连，所述微带线一至四的另一端作为所述定向耦合器的四个端口。
进一步的，所述L型带状线一至四的电长度在0.23λg ~0.27λg之间，所述中心耦合带状线、旁侧耦合带状耦合线一至四电的长度均在0.23λg ~0.27λg之间，λg为中心频率所对应的导波波长。
有益效果：现有的定向耦合器只有定向耦合功能，没有融入滤波功能，并且部分设计还存在尺寸较大、定向性较差或结构复杂等问题。本发明将四条L型带状线与四条单端短路的旁侧耦合带状线置于中心耦合带状线的四端，利用L型带状线与单端短路的旁侧耦合带状线形成的主通道及耦合通道传输零点及匹配与隔离的调节，结合中心耦合带状线自身的定向耦合作用，形成融合滤波功能的与定向耦合器，并且能够兼顾小尺寸、较高的定向性及简单结构。
具体的，中心耦合带状线位于整个电路结构的中心位置，是形成主通道、耦合通道与隔离通道的核心结构，为融合滤波功能的定向耦合器的直通、耦合和隔离提供基础。L型带状线一、二连接中心耦合带状线及带状线一、二，旁侧耦合带状线一、二的一端短路，另一端连接中心耦合带状线，其中L型带状线一、二和单端短路的旁侧耦合带状线一、二为主通道提供谐振点，产生主通道上的两个带内传输极点及四个带外传输零点，提供良好的主通道滤波特性，同时产生耦合通道的两个传输零点，并对隔离通道的隔离度也产生影响。L型带状线三、四连接于中心耦合带状线及带状线三、四，旁侧耦合带状线三、四的一端短路，另一端连接中心耦合带状线，其中L型带状线三、四和单端短路的旁侧耦合带状线三、四用于产生耦合通道的两个额外的带外传输零点，同时影响隔离通道的隔离度。
附图说明
图1为本发明定向耦合器的层结构图；
图2为本发明定向耦合器的顶部金属层结构图；
图3为本发明定向耦合器的第一介质层及中间金属层结构图；
图4为本发明定向耦合器的仿真响应。
实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1所示，一种融合滤波功能的定向耦合器，包含顶部金属层1、第一介质层2、中间金属层3、第二介质层4、底部金属层5以及金属化通孔6。其中，金属化通孔6从顶部贯穿至底部。
顶部金属层1为金属地，含有四个矩形金属缺口101~104，分别位于矩形金属地的四角。第一介质层2同样含有四个矩形介质缺口201~204，并与顶部金属层1的四个矩形金属缺口101~104的形状完全一致，且上下正对设置。
中间金属层3包含金属条带一至八301~308、L型金属条带一至四309~312、中心金属耦合条带313、旁侧金属耦合条带一至四314~317以及金属片一至四318~321。其中，L型金属条带一至四309~312的一端分别连接在中心金属耦合条带313的四端；金属条带一301、金属条带五305按顺序连接至L型金属条带一309另一端；金属条带二302、金属条带六306按顺序连接至L型金属条带二310另一端；金属条带三303、金属条带七307按顺序连接至L型金属条带三311另一端；金属条带四304、金属条带八308按顺序连接至L型金属条带四312另一端；并且金属条带一至四301~304同宽，金属条带五至八305~308同宽。旁侧金属耦合条带一至四314~317各自的其中一端分别连接中心金属耦合条带313的四端，对角端分别连接金属片一至四318~321；金属片一至四318~321通过金属化通孔6与顶部金属层1及底部金属层5相连。
金属条带一至四301~304、第二介质层4、底部金属层5组成微带线一至四，微带线一至四分别作为定向耦合器的端口一至四。金属条带五至八305~308、第一介质层2、第二介质层4、顶部金属层1、底部金属层5组成带状线一至四。L型金属条带一至四309~312、第一介质层2、第二介质层4、顶部金属层1、底部金属层5组成L型带状线一至四。中心金属耦合条带313、第一介质层2、第二介质层4、顶部金属层1、底部金属层5组成中心耦合带状线。旁侧金属耦合条带一至四314~317、第一介质层2、第二介质层4、顶部金属层1、底部金属层5组成旁侧耦合带状线一至四。L型带状线一至四电长度在0.23λg ~0.27λg（λg为中心频率所对应的导波波长）之间，中心耦合带状线、旁侧耦合带状耦合线一至四电长度在0.23λg ~0.27λg之间。
本发明中，信号从微带线一输入，经过带状线一、L型带状线一，以及旁侧耦合带状线一后馈入中心耦合带状线，主通道信号经旁侧耦合带状线二、L型带状线二和带状线二后从微带线二输出，耦合通道经旁侧耦合带状线三、L型带状线三和带状线三后从微带线三输出，隔离通道经旁侧耦合带状线四、L型带状线四和带状线四后从微带线四输出，在整体电路的作用下形成融合滤波功能的定向耦合器。
在此过程中，旁侧耦合带状线一至四因一端通过金属化通孔与顶部金属地及底部金属地导通，视为单端短路的旁侧耦合带状线。位于中心耦合带状线上支路两侧的L型带状线一、二和单端短路的旁侧耦合带状线一、二，为主通道提供谐振点，产生两个带内传输极点，形成主通道基础滤波功能，带内匹配主要受L型带状线一、二的线宽影响；同时，L型带状线一、二和单端短路的旁侧耦合带状线一、二在主通道的通带附近高低频处各产生两个传输零点，从而形成高低频阻带，提供良好的主通道滤波特性，并且单端短路的旁侧耦合带状线一、二的耦合系数也可以控制带外传输零点的位置。
另一方面，L型带状线一至四、单端短路的旁侧耦合带状线一至四，对耦合通道与隔离通道都产生影响。对于耦合通道，L型带状线一至四和单端短路的旁侧耦合带状线一至四在耦合通道形成了耦合通带，并在耦合通带上下边延处各产生两个耦合通道的传输零点，形成耦合通道阻带并提供良好的耦合通道滤波特性；其中L型带状线三的线宽主要影响耦合通带的起伏，单端短路的旁侧耦合带状线一、三的耦合系数主要控制耦合通道传输零点的位置。对于隔离通道，L型带状线一至四和单端短路的旁侧耦合带状线一至四在隔离通道展现了覆盖主通道匹配带宽的宽频带隔离，其中隔离带宽内的隔离度主要受单端短路的旁侧耦合带状线四的耦合系数与L型带状线四的线宽影响，用于提高整体系统的定向性。
此外，中心耦合带状线是形成主通道、耦合通道与隔离通道的基础结构，为整个系统的直通、耦合和隔离提供基础。综上，该种融合滤波功能的定向耦合器，能够同时实现滤波及定向耦合两个功能，并能够保持较小的尺寸和较高的定向性。
下面列出了本发明的一个设计案例，其电路结构示意图如图1至图3所示，本实施例采用RO4003C基板，核心部分电尺寸仅为0.75λg× 0.267λg。频率响应如图4所示，从图4可以看出，中心频率为1.8 GHz，-10-dB相对匹配带宽为22.2%，主通道实现了四个传输零点与两个传输极点，通带两侧的阻带带宽频率范围分别为1.11GHz-1.48GHz和2.04GHz-2.30GHz，中心频点处的插入损耗为1.2dB；耦合度为10dB，耦合起伏在±1.5dB内的耦合相对带宽为20%，匹配频带内的隔离度大于35dB，匹配频带内的定向性可达25dB以上，实现了四个耦合零点用于形成耦合通道上的阻带，赋予耦合通道滤波功能。
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)

1.一种融合滤波功能的定向耦合器，其特征在于，包括中心耦合带状线、旁侧耦合带状耦合线一至四、L型带状线一至四、带状线一至四、微带线一至四；其中，所述旁侧耦合带状耦合线一至四的一端分别对应连接所述中心耦合带状线的四端，所述旁侧耦合带状耦合线一至四的另一端短路；所述L型带状线一至四的一端分别对应连接所述中心耦合带状线的四端，所述L型带状线一至四的另一端分别对应与带状线一至四的一端相连，所述带状线一至四的另一端分别对应与微带线一至四的一端相连，所述微带线一至四的另一端作为所述定向耦合器的四个端口。
2.根据权利要求1所述的融合滤波功能的定向耦合器，其特征在于，所述L型带状线一至四的电长度在0.23λg ~0.27λg之间，所述中心耦合带状线、旁侧耦合带状耦合线一至四电的长度均在0.23λg ~0.27λg之间，λg为中心频率所对应的导波波长。
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