本發(fā)明涉及射頻微波領(lǐng)域，具體涉及一種具有寬頻比的雙頻分支線耦合器。

背景技術(shù)：

3dB分支線耦合器是微波工程中的基本器件，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)化為兩路等幅、正交輸出信號(hào)且可實(shí)現(xiàn)良好的隔離特性，在微波電路與系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。隨著無(wú)線通信的快速發(fā)展，通信系統(tǒng)運(yùn)行在不同的通信標(biāo)準(zhǔn)與不同的頻段上，例如中國(guó)移動(dòng)通信的GSM上行運(yùn)行在890MHz-909MHz，TD-LTE運(yùn)行在2300MHz-2400MHz，因此，工作在雙頻段乃至多頻段的3dB分支線耦合器引起了廣泛的研究。

文獻(xiàn)“Anovel approach to the design and implementation of dual-band compact planar 90branch-line coupler[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2004,52(11):2458-2463.”通過(guò)替換傳統(tǒng)3dB分支線耦合器的四條耦合臂為π型雙頻阻抗變換器，從而實(shí)現(xiàn)了雙頻工作的分支線耦合器。但是，在保證電路尺寸小的情況下，上述耦合器只能實(shí)現(xiàn)1.7到3.75的頻率比。

文獻(xiàn)“Design of dual-band-3dB couplers with a wide range of dual-band frequency ratios[J].Electronics Letters,2016,52(14):1231-1233.”提出了一種利用耦合線加載枝節(jié)的方式實(shí)現(xiàn)了頻率比為2.75到5的分支線耦合器，由于其在輸入輸出端采用了耦合線結(jié)構(gòu)，因此對(duì)加工精度要求高。

文獻(xiàn)“A novel compact dual-band branch-line coupler[C].2009Asia Pacific Microwave Conference.IEEE,2009:2595-2597.”提出了一種在傳統(tǒng)分支線耦合器的傳輸線中間加載開(kāi)路枝節(jié)，在端口加載短路枝節(jié)的雙頻分支線耦合器。由于該耦合器結(jié)構(gòu)具有設(shè)計(jì)變量，設(shè)計(jì)過(guò)程十分繁瑣，并且可實(shí)現(xiàn)的頻率比調(diào)節(jié)范圍也小。

文獻(xiàn)“A stub tapped branch-line coupler for dual-band operations[J].IEEE microwave and wireless components letters,2007,17(2):106-108.”提出了一種通過(guò)替換傳統(tǒng)3dB分支線耦合器的四條耦合臂為T(mén)型雙頻阻抗變換器，從而實(shí)現(xiàn)雙頻工作。但在更高頻率比時(shí)，該耦合器難以實(shí)現(xiàn)小型化。

已有報(bào)道的雙頻分支線耦合器的設(shè)計(jì)方法中，有通過(guò)加載集總元件、利用耦合線結(jié)構(gòu)或者采用理論可行的高阻抗線等方案，但是這些方案要么損耗高，要么不利于加工甚至無(wú)法工程實(shí)現(xiàn)。目前，很少有同時(shí)實(shí)現(xiàn)尺寸小、損耗低、頻率比調(diào)節(jié)范圍寬等特性的雙頻段分支線耦合器。因此，如何實(shí)現(xiàn)尺寸小、損耗低、頻率比調(diào)節(jié)范圍寬的雙頻分支線耦合器，是微波工程中富有挑戰(zhàn)性的課題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)及其問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種具有寬頻比的雙頻分支線耦合器。本發(fā)明通過(guò)在傳統(tǒng)分支線耦合器的四條耦合臂的中間加載枝節(jié)實(shí)現(xiàn)雙頻功能，并且在耦合器的四個(gè)端口加載枝節(jié)實(shí)現(xiàn)更寬頻率比的調(diào)節(jié)范圍。該耦合器可以實(shí)現(xiàn)在兩個(gè)頻段下各端口的理想匹配和端口間的理想隔離，以及兩個(gè)頻段下的正交輸出。該雙頻分支線耦合器僅由微帶線構(gòu)成，不需要集總元件，具有低損耗、容易加工實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)；同時(shí)，該耦合器全部由四分之一波長(zhǎng)開(kāi)路或者短路枝節(jié)構(gòu)成，在微帶線可實(shí)現(xiàn)的阻抗范圍內(nèi)(通常認(rèn)為在20到130歐之間)，可實(shí)現(xiàn)頻率比的范圍為：1.75-2.4，3.95-8。因此，該雙頻分支線耦合器也具有尺寸小、頻率比可調(diào)節(jié)范圍大的特點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

本發(fā)明由以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種具有寬頻比的雙頻分支線耦合器，兩個(gè)工作頻段的中心頻率分別為f₁、f₂，f₂>f₁，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括第一對(duì)傳輸線11和第二對(duì)傳輸線12，在第一對(duì)傳輸線11兩端分別設(shè)有端口1和端口2，在第二對(duì)傳輸線12兩端分別設(shè)有端口3和端口4，端口1和端口4通過(guò)第三對(duì)傳輸線13連接，端口2和端口3通過(guò)第三對(duì)傳輸線14連接，此時(shí)，四對(duì)傳輸線11、12、13、14形成閉合矩形結(jié)構(gòu)；

所述四對(duì)傳輸線，每一對(duì)均由兩個(gè)枝節(jié)串聯(lián)而成；對(duì)于第一對(duì)傳輸線11及第二對(duì)傳輸線12，其各自的兩個(gè)枝節(jié)中間分別加載有一個(gè)并聯(lián)枝節(jié)16；對(duì)于第三對(duì)傳輸線13及第四對(duì)傳輸線14，其各自的兩個(gè)枝節(jié)中間分別加載有一個(gè)并聯(lián)枝節(jié)15；

端口1、2、3、4處分別加載有一個(gè)并聯(lián)枝節(jié)17；

特別要指出的是該耦合器中每個(gè)枝節(jié)的長(zhǎng)度是對(duì)應(yīng)于兩個(gè)工作頻率f₁、f₂的中心頻點(diǎn)f₀＝(f₁+f₂)/2的四分之一波長(zhǎng)。

進(jìn)一步的，若要實(shí)現(xiàn)頻率比不大于3，即f₂/f₁≤3，則此時(shí)所述并聯(lián)加載枝節(jié)15、16、17的末端均為短路；若要實(shí)現(xiàn)頻率比大于3，則此時(shí)所述并聯(lián)加載枝節(jié)15、16、17的末端均為開(kāi)路。

進(jìn)一步的，為使電路緊湊尺寸小，可將加載枝節(jié)15、16和17放在所述矩形結(jié)構(gòu)內(nèi)部。

進(jìn)一步的，所述第一對(duì)傳輸線11的兩個(gè)串聯(lián)枝節(jié)的歸一化特性阻抗Z₁₁與第二對(duì)傳輸線12的兩個(gè)串聯(lián)枝節(jié)的歸一化特性阻抗Z₁₂相等，且可由以下公式確定：

$Z_{11}=Z_{12}=\frac{1}{2*sin\left(\frac{\mathrm{\π}}{1+k}\right)},$

其中，k為頻率比：k＝f₂/f₁。

同理，所述第三對(duì)傳輸線13的兩個(gè)串聯(lián)枝節(jié)的歸一化特性阻抗Z₁₃與第四對(duì)傳輸線14的兩個(gè)串聯(lián)枝節(jié)的歸一化特性阻抗Z₁₄相等，且可由以下公式確定：

$Z_{13}=Z_{14}=\frac{1}{\sqrt{2}*sin\left(\frac{\mathrm{\π}}{1+k}\right)}.$

進(jìn)一步的，若要實(shí)現(xiàn)頻率比不大于3，即f₂/f₁≤3，則此時(shí)所述并聯(lián)加載枝節(jié)15、16、17的歸一化特性阻抗Z₁₅、Z₁₆、Z₁₇可由以下公式確定：

$Z_{15}=\frac{-\sqrt{2}*\cot \left(\frac{\mathrm{\π}}{1+k}\right)}{(4*\cos (\frac{\mathrm{\π}}{1+k})-2*\sqrt{2})},$

$Z_{16}=\frac{-\cot \left(\frac{\mathrm{\π}}{1+k}\right)}{(4*cos(\frac{\mathrm{\π}}{1+k})-2*\sqrt{2})},$

$Z_{17}=\frac{-\sqrt{2}*\cot \left(\frac{\mathrm{\π}}{1+k}\right)}{(2*\cos (\frac{\mathrm{\π}}{1+k})-\sqrt{2})(1+\sqrt{2})};$

若要實(shí)現(xiàn)頻率比大于3，則此時(shí)所述并聯(lián)加載枝節(jié)15、16、17的歸一化特性阻抗Z₁₅、Z₁₆、Z₁₇可由以下公式確定：

$Z_{15}=\frac{\sqrt{2}*tan\left(\frac{\mathrm{\π}}{1+k}\right)}{(4*cos(\frac{\mathrm{\π}}{1+k})-2*\sqrt{2})},$

$Z_{16}=\frac{tan\left(\frac{\mathrm{\π}}{1+k}\right)}{(4*cos(\frac{\mathrm{\π}}{1+k})-2*\sqrt{2})},$

$Z_{17}=\frac{\sqrt{2}*tan\left(\frac{\mathrm{\π}}{1+k}\right)}{(2*cos(\frac{\mathrm{\π}}{1+k})-\sqrt{2})(1+\sqrt{2})}.$

本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明提供了一種具有寬頻比的雙頻分支線耦合器，該耦合器僅由微帶單線構(gòu)成，不需要集總元件和耦合微帶結(jié)構(gòu)，因此損耗較低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易加工實(shí)現(xiàn)；同時(shí)，該耦合器全部由四分之一波長(zhǎng)枝節(jié)構(gòu)成，在微帶線可實(shí)現(xiàn)的阻抗范圍內(nèi)(通常認(rèn)為在20到130歐之間)，可實(shí)現(xiàn)頻率比的范圍為：1.75-2.4,3.95-8；因此，該雙頻分支線耦合器具有尺寸小、頻率比可調(diào)節(jié)范圍大的特點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明提供的分支線耦合器的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例1提供的分支線耦合器的直通端和耦合端插入損耗的仿真結(jié)果；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例1提供的分支線耦合器的輸入端回波損耗及隔離度的仿真結(jié)果；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例1提供的分支線耦合器的耦合端與直通端之間相差的仿真結(jié)果；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例2提供的分支線耦合器的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D；

圖6為本發(fā)明實(shí)施例2提供的分支線耦合器的直通端口和耦合端口插入損耗的仿真及測(cè)試結(jié)果；

圖7為本發(fā)明實(shí)施例2提供的分支線耦合器輸入端回波損耗及隔離度的仿真和測(cè)試結(jié)果；

圖8為本發(fā)明實(shí)施例2提供的分支線耦合器耦合端與直通端之間相差的仿真和測(cè)試結(jié)果。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述。

實(shí)施例1

基于本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的中心工作頻率在1GHz和8GHz的雙頻分支線耦合器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖1所示，其直通端口2與耦合端口3的幅度不平衡度為±0.5dB；耦合端口3與直通端口2兩路輸出的相位差∠31-∠21在1GHz為90°±2.5°，在8GHz為-90°±2.5°；端口回波損耗大于15dB；直通端口2和耦合端口3之間的隔離度大于15dB。具體設(shè)計(jì)參數(shù)為：第一對(duì)傳輸線11、第二對(duì)傳輸線12對(duì)應(yīng)的兩對(duì)串聯(lián)微帶線特性阻抗為73Ω，第三對(duì)傳輸線13、第四對(duì)傳輸線14對(duì)應(yīng)的兩對(duì)串聯(lián)微帶線對(duì)應(yīng)的特性阻抗為103Ω，枝節(jié)17對(duì)應(yīng)的兩對(duì)開(kāi)路微帶線枝節(jié)的特性阻抗為23Ω，枝節(jié)16對(duì)應(yīng)的一對(duì)開(kāi)路微帶線枝節(jié)的特性阻抗為20Ω；枝節(jié)15對(duì)應(yīng)的一對(duì)微帶線開(kāi)路枝節(jié)的特性阻抗為27.6Ω；其直通端口2和耦合端口3插入損耗的仿真結(jié)果如圖2所示；回波損耗和隔離度的仿真結(jié)果如圖3所示；耦合端口3與直通端口2之間的相差∠31-∠21仿真結(jié)果如圖4所示。

實(shí)施例2

基于本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的中心工作頻率在2.4GHz和5.2GHz的雙頻分支線耦合器，其直通端口與耦合端口的插入損耗的不平衡度為0.5dB；耦合端口與直通端口兩路輸出的相位差在2.4GHz為90°±2.5°，在5.2GHz為-90°±2.5°；端口回波損耗大于15dB；輸入端口和隔離端口之間的隔離度大于15dB。本實(shí)施例采用微帶傳輸線，介質(zhì)基板的相對(duì)介電常數(shù)為2.65，介質(zhì)板厚度為1mm，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示，各部分具體參數(shù)如下：

S1為特性阻抗50歐姆的輸入、輸出端口傳輸線，對(duì)應(yīng)的微帶線寬度為2.71mm，長(zhǎng)度為4mm；

S2為特性阻抗29.8歐姆的傳輸線，對(duì)應(yīng)的微帶線寬度為5.3mm，長(zhǎng)度為29.7mm；

S3為特性阻抗42.2歐姆的傳輸線，對(duì)應(yīng)的微帶線寬度為3.8mm，長(zhǎng)度為28.1mm；

S4為特性阻抗59.7歐姆的傳輸線加載短路枝節(jié)，對(duì)應(yīng)的微帶線寬度為1.85mm，長(zhǎng)度為12.9mm；

S6為特性阻抗51歐姆的傳輸線加載短路枝節(jié)，對(duì)應(yīng)的微帶線寬度為2.64mm，長(zhǎng)度為13.3mm；

S7為特性阻抗51歐姆的傳輸線加載短路枝節(jié)，對(duì)應(yīng)的微帶線寬度為1.46mm，長(zhǎng)度為9.73mm；

S5金屬化過(guò)孔，對(duì)應(yīng)的孔直徑為0.8mm。

本發(fā)明實(shí)施例2設(shè)計(jì)的樣件經(jīng)加工測(cè)試，與仿真結(jié)果進(jìn)行比較，其結(jié)果如圖6、7、8所示。結(jié)果表明，本實(shí)施例提供的中心工作頻率在2.4GHz和5.2GHz的雙頻分支線耦合器，由于加工誤差中心工作頻率2.4GHz偏移至2.46GHz，5.2GHz偏移至5.38GHz。在2.46GHz直通端的插入損耗S21和隔離端口的插入損耗S31分別為3.2dB和3.7dB，輸入端口的回波損耗S11、輸入端口和隔離端口的隔離損耗S41均大于15dB，耦合端口和直通端口之間的相位差∠31-∠21為-91.7°；在5.38GHz直通端口的插入損耗S21和隔離端口的插入損耗S31分別為4.2dB和4.3dB，輸入端口的回波損耗S11、輸入端口和隔離端口的隔離損耗S41均大于15dB，耦合端口和直通端口之間的相位差∠31-∠21為-90°；上述測(cè)試結(jié)果滿足要求。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、電路排布緊湊、占用面積小、易于實(shí)現(xiàn)、且具有頻率比調(diào)節(jié)范圍寬的特點(diǎn)，具有廣闊的工程應(yīng)用前景。