本實用新型涉及一種任意輸出功率比的180°環(huán)形電橋，具體的說是一種利用集總參數(shù)模型的小型化寬頻帶新型環(huán)形電橋。

背景技術：

在現(xiàn)代通信系統(tǒng)設備中，環(huán)形電橋因其良好的隔離度已經(jīng)廣泛應用在各種90°，180°的功率分配和功率合成網(wǎng)絡中。目前大多數(shù)環(huán)形電橋采用微帶線的平面結構，由于它的體積小且易于和其他器件集成；而隨著通訊業(yè)的不斷發(fā)展，人們對于小型化和寬帶的要求越來越高，在現(xiàn)代工藝條件下，進一步實現(xiàn)小型化和寬帶化的要求，滿足現(xiàn)代無線通信的需求，利用多層結構設計小型寬頻帶環(huán)形電橋更加具有優(yōu)勢。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型為了實現(xiàn)小型化和寬帶化的設計要求，實用新型了一種現(xiàn)代工藝下多層結構的小型化寬頻帶新型環(huán)形電橋。

理論設計參考傳統(tǒng)微帶線環(huán)形電橋模型，利用微帶線集總電路模型等效將傳統(tǒng)環(huán)形電橋中3個λ/4枝節(jié)傳輸線和1個3λ/4枝節(jié)傳輸線進行等效，對于不同的枝節(jié)長度采用不同的電路模型，當電長度θ<180°時采用的等效π集總參數(shù)模型通過奇模阻抗、偶模阻抗理論得到等效模型的參數(shù)式；當電長度180°≤θ≤360°時采用的等效T集總參數(shù)模型通過奇模阻抗、偶模阻抗理論得到等效模型的參數(shù)式。通過給定指標的輸出功率比值，調(diào)整出合適的電臂阻抗值，最終利用等效矩陣理論求得等效集總模型中電容電感值。

具體技術方案如下：

一種利用集總參數(shù)設計的180°環(huán)形電橋新型拓撲結構，其特征在于，其電路拓撲結構為兩個相同且接地的電容C3之間連接有電感L1，該電感L1的兩端分別連接兩個相同的電感L2，兩個電感L2的另一端通過兩個相同的電容C1相連接，兩個電容C1之間連接另一個接地的電感L1，兩個電容C1連接電感L2的一端分別連接兩個相同的電容C2，兩個電容C2均接地；所述與電容C3相連接的電感L1的兩端各設一個端口，每個端口也與電容C3和電感L2連接，這兩個端口自左至右依次稱為第一端口及第二端口；兩個電感L2與電容C1相連接的一端也各設一個端口，每個端口也與電容C1、電容C2相連接，這兩個端口自右至左依次稱為第三端口及第四端口。

所述的電容C3的結構為電容C1與電容C2的并聯(lián)結構，電容C3的電容值亦為電容C1與電容C2并聯(lián)后的電容值。

作為優(yōu)選方案，其集總模型中的電容都采用內(nèi)埋VIC叉指電容且其結構為8層，長在2-2.2毫米范圍內(nèi)，寬在1.8-2毫米范圍內(nèi)；所述180°環(huán)形電橋新型拓撲結構中電感設計采用內(nèi)埋垂直螺旋電感，所述的內(nèi)埋垂直螺旋電感為9匝，長在2.8-3毫米范圍內(nèi)，寬在1.6-1.8毫米范圍內(nèi)。

本實用新型還涉及一種利用本實用新型所述的180°環(huán)形電橋新型拓撲結構，對于給定的任意頻率進行任意功率比輸出的方法，具體為，根據(jù)端口功率輸出分配比公式:

P₁²：P₂²＝Y₂²：Y₁² (5)

及導納關系公式Y₂²+Y₁²＝1，調(diào)整導納Y₁和Y₂的值。(P₁、P₂分別代表同一輸入端口下兩個輸出端口的輸出功率。如在信號由第一端口輸入，第二端口和第四端口為輸出的情況下，P₁代表第二端口的輸出功率，P₂代表第四端口的輸出功率，此時，Y₁代表第一端口與第二端口之間的導納，Y₂代表第一端口與第四端口之間的導納；在信號由第三端口輸入，第二端口和第四端口為輸出的情況下，P₁代表第二端口的輸出功率，P₂代表第四端口的輸出功率，此時Y₁代表第三端口與第四端口之間的導納，Y₂代表第三端口與第二端口之間的導納。)

計算本實用新型所述的180°環(huán)形電橋新型拓撲結構中λ/4枝節(jié)傳輸線上電容電感的方法具體為，所述λ/4枝節(jié)傳輸線在電長度θ<180°時采用變換后的等效π型集總參數(shù)模型通過奇模阻抗、偶模阻抗理論得到等效模型的參數(shù)式：

X_L＝Z sinθ (1)

其中電長度θ＝β*l＝(2π/λ)*(λ/4)＝π/2，代入對應的中心頻率f₀、特性阻抗Z₀即可得到對應的集總電路π型等效電路模型電容電感值。(Z為輸入端口和輸出端口之間的阻抗。當計算的是第一端口與第二端口之間的電容電感值時，公式中的Z為Z₀₁；當計算的是第一端口與第四端口之間、第三端口與第二端口之間的電容電感值時，公式中的Z為Z₀₂。Y₁與Z₀₁互為倒數(shù)；Y₂與Z₀₂互為倒數(shù))

計算本實用新型所述的180°環(huán)形電橋新型拓撲結構中3λ/4枝節(jié)傳輸線上電容電感的方法具體為，所述3λ/4枝節(jié)傳輸線在電長度180°≤θ≤360°時采用變換后的等效T型集總參數(shù)模型通過奇模阻抗、偶模阻抗理論得到等效模型的參數(shù)式：

B_L＝-Z₀₁sinθ (4)

其中電長度θ＝β*l＝(2π/λ)*3λ/4)＝3π/2，，代入給定的對應的中心頻率f₀、特性阻抗Z₀即可得到對應的集總電路π型等效電路模型電容電感值。

本設計以中心頻率為100MHZ為例，其帶寬在80-130MHz(相對帶寬為50％)之間，對于輸出功率比為1:1，1:2，1:4時，滿足S₁₁優(yōu)于-24dB，S₃₁優(yōu)于-38dB，通帶內(nèi)實測同相相位差1°±1°，反相相位差181°±1°，設計尺寸在17mm*17mm*20mm以內(nèi)，本實用新型拓撲模型實現(xiàn)了小型化、寬帶化的設計要求，并具有一定的實用價值。

附圖說明

圖1是本實用新型λ/4枝節(jié)傳輸線的集總電路π型等效電路拓撲結構示意圖。

圖2是本實用新型3λ/4枝節(jié)傳輸線的集總電路T型等效電路拓撲結構示意圖。

圖3是本實用新型實施例提出的利用集總參數(shù)設計的180^°環(huán)形電橋新型拓撲結構等功率輸出的電路拓撲結構示意圖。

圖4是本實用新型實施例提出的利用集總參數(shù)設計的180°環(huán)形電橋新型拓撲結構等功率輸出模型的S參數(shù)示意圖。

圖5是本實用新型實施例提出的利用集總參數(shù)設計的180°環(huán)形電橋新型拓撲結構等功率輸出模型的同相相位不平衡度示意圖。

圖6是本實用新型實施例提出的利用集總參數(shù)設計的180°環(huán)形電橋新型拓撲結構等功率輸出模型的反相相位不平衡度示意圖。

圖7是本實用新型實施例提出的利用集總參數(shù)設計的180°環(huán)形電橋新型拓撲結構功率輸出比為1:2的電路拓撲結構示意圖。

圖8是本實用新型實施例提出的利用集總參數(shù)設計的180°環(huán)形電橋新型拓撲結構功率輸出比為1:2拓撲模型的S參數(shù)示意圖。

圖9是本實用新型實施例提出的利用集總參數(shù)設計的180°環(huán)形電橋新型拓撲結構功率輸出比為1:2模型的同相相位不平衡度示意圖。

圖10是本實用新型實施例提出的利用集總參數(shù)設計的180°環(huán)形電橋新型拓撲結構功率輸出比為1:2模型的反相相位不平衡度示意圖。

圖11是本實用新型實施例提出的利用集總參數(shù)設計的180°環(huán)形電橋新型拓撲結構功率輸出比為1:4的電路拓撲結構示意圖。

圖12是本實用新型實施例提出的利用集總參數(shù)設計的180°環(huán)形電橋新型拓撲結構功率輸出比為1:4拓撲模型的S參數(shù)示意圖。

圖13是本實用新型實施例提出的利用集總參數(shù)設計的180°環(huán)形電橋新型拓撲結構功率輸出比為1:4模型的同相相位不平衡度示意圖。

圖14是本實用新型實施例提出的利用集總參數(shù)設計的180°環(huán)形電橋新型拓撲結構功率輸出比為1:4模型的反相相位不平衡度示意圖。

圖15是本實用新型設計提出的任意頻率任意功率輸出比的利用集總參數(shù)設計的180°環(huán)形電橋新型拓撲結構集總模型俯視圖。

圖16是本實用新型提出的任意頻率任意功率輸出比的利用集總參數(shù)設計的180°環(huán)形電橋新型拓撲結構示意圖。

圖中標號：1-第一端口，2-第二端口，3-第三端口，4-第四端口，5-對地并聯(lián)VIC叉指電容(電容值為C1+C2)，6-9匝垂直螺旋電感，7-垂直螺旋電感，8-對地并聯(lián)VIC叉指電容，9-VIC叉指電容，10-各層接地通孔，11-接口公共地。

具體實施方式

下面結合附圖對本實用新型的技術方案做進一步的詳細說明：

本實用新型提出了一種利用集總參數(shù)設計的180°環(huán)形電橋新型拓撲結構。利用一段電長度為θ，特性阻抗為Z₀的傳輸線找到其集總參數(shù)電路模型，其次再把集總參數(shù)電路模型整合。該設計是在傳統(tǒng)環(huán)形電橋的基礎上，對傳統(tǒng)環(huán)形電橋的λ/4微帶線和3λ/4微帶線進行集總參數(shù)等效，通過給定指標的輸出功率比值，調(diào)整出合適的電臂阻抗值，最終利用等效矩陣理論求得等效集總模型中電容電感值。具體技術方案如下：

一種利用集總參數(shù)設計的180°環(huán)形電橋新型拓撲結構，具體包括兩個相同且接地的電容C3之間連接有電感L1，該電感L1的兩端分別連接兩個相同的電感L2，兩個電感L2的另一端通過兩個相同的電容C1相連接，兩個電容C1之間連接另一個接地的電感L1，兩個電容C1連接電感L2的一端分別連接兩個相同的電容C2，兩個電容C2均接地；所述與電容C3相連接的電感L1的兩端各設一個端口，每個端口也與電容C3和電感L2連接，這兩個端口自左至右依次稱為第一端口1及第二端口2；兩個電感L2與電容C1相連接的一端也各設一個端口，每個端口也與電容C1、電容C2相連接，這兩個端口自右至左依次稱為第三端口3及第四端口4。

所述的電容C3的結構為電容C1與電容C2的并聯(lián)結構，電容C3的電容值亦為電容C1與電容C2并聯(lián)后的電容值。

作為優(yōu)選方案其集總模型中電容C3為對地并聯(lián)VIC叉指電容(電容值為C1+C2)5、電容C2為對地并聯(lián)VIC叉指電容8；電感L1為9匝垂直螺旋電感6，電感L2為垂直螺旋電感7，電容C1為VIC叉指電容9，該設計充分利用現(xiàn)代工藝優(yōu)勢有效的減小系統(tǒng)尺寸，不僅實現(xiàn)了小型化，而且用少量的集總元件實現(xiàn)了50％的帶寬。電容C3、電容C2以及與電容C1相連接的電感L1通過連接至接口公共地11接地；該集總模型上還設有各層接地通孔10。

本實用新型提出的環(huán)形電橋拓撲結構利用并聯(lián)電容集總電路模型，用微帶高、低阻抗線實現(xiàn)任意頻率任意輸出功率比的功分器，對于中心頻率為100MHZ，S₁₁優(yōu)于-24dB，S₃₁優(yōu)于-38dB，通帶內(nèi)實測同相相位差1°±1°，反相相位差181°±1°，設計尺寸在17mm*17mm*20mm以內(nèi)，實現(xiàn)了小型化、寬帶化的設計要求，并具有一定的實用價值。

作為優(yōu)選方案，其集總模型中的電容都采用內(nèi)埋VIC叉指電容，VIC結構電容相當于電容的并聯(lián)，實現(xiàn)了小尺寸、大電容等優(yōu)勢。通過改變極板層數(shù)和極板的面積，在電磁仿真軟件中對電容進行建模研究，調(diào)試出合適的電容值。其結構為8層，長在2-2.2毫米范圍內(nèi)調(diào)整，寬在1.8-2毫米范圍內(nèi)調(diào)整；所述利用集總參數(shù)設計的180°環(huán)形電橋新型拓撲結構中電感設計采用內(nèi)埋垂直螺旋電感，通過在電磁仿真軟件中對垂直螺旋電感進行建模研究，改變螺旋電感的層數(shù)和尺寸即可改變電感值；所述的內(nèi)埋垂直螺旋電感為9匝，長在2.8-3毫米范圍內(nèi)，寬在1.6-1.8毫米范圍內(nèi)。

本實用新型還涉及一種利用本實用新型所述的180°環(huán)形電橋新型拓撲結構，對于給定的任意頻率進行任意功率比輸出的方法，具體為，根據(jù)端口功率輸出分配比公式:

P₁²：P₂²＝Y₂²：Y₁² (5)

及導納關系公式Y₂²+Y₁²＝1，調(diào)整導納Y₁和Y₂的值。(P₁、P₂分別代表同一輸入端口下兩個輸出端口的輸出功率。如在信號由第一端口1輸入，第二端口2和第四端口4為輸出的情況下，P₁代表第二端口2的輸出功率，P₂代表第四端口4的輸出功率；在信號由第三端口3輸入，第二端口2和第四端口4為輸出的情況下，P₁代表第二端口2的輸出功率，P₂代表第四端口4的輸出功率。Y₁代表第一端口1與第二端口2之間、第三端口3第四端口4之間的導納；Y₂代表第一端口1與第四端口4、第三端口3與第二端口2之間的導納。)

計算本實用新型所述的180°環(huán)形電橋新型拓撲結構中λ/4枝節(jié)傳輸線上電容電感的方法具體為，所述λ/4枝節(jié)傳輸線在電長度θ<180°時采用變換后的等效π型集總參數(shù)模型通過奇模阻抗、偶模阻抗理論得到等效模型的參數(shù)式：

X_L＝Z sinθ (1)

其中電長度θ＝β*l＝(2π/λ)*(λ/4)＝π/2，代入對應的中心頻率f₀、特性阻抗Z₀即可得到對應的集總電路π型等效電路模型電容電感值。(Z為輸入端口和輸出端口之間的阻抗。當計算的是第一端口1與第二端口2之間的電容電感值時，公式中的Z為Z₀₁；當計算的是第一端口1與第四端口4之間、第三端口3與第二端口2之間的電容電感值時，公式中的Z為Z₀₂。Y₁與Z₀₁互為倒數(shù)；Y₂與Z₀₂互為倒數(shù)。)

計算本實用新型所述的180°環(huán)形電橋新型拓撲結構中3λ/4枝節(jié)傳輸線上電容電感的方法具體為，所述3λ/4枝節(jié)傳輸線在電長度180°≤θ≤360°時采用變換后的等效T型集總參數(shù)模型通過奇模阻抗、偶模阻抗理論得到等效模型的參數(shù)式：

B_L＝-Z₀₁sinθ (4)

其中電長度θ＝β*l＝(2π/λ)*3λ/4)＝3π/2，代入給定的對應的中心頻率f₀、特性阻抗Z₀即可得到對應的集總電路π型等效電路模型電容電感值。

作為一種利用集總參數(shù)設計的180°環(huán)形電橋新型拓撲結構的一個優(yōu)選方案，所述電容C1與電容C2的電容值相等；電感L1與電感L2的電感值相等。

作為一種利用集總參數(shù)設計的180°環(huán)形電橋新型拓撲結構的一個優(yōu)選方案，當所述180°環(huán)形電橋耦合度為3dB且端口的特性阻抗Z₀為50歐,另所述電容C1與電容C2的電容值均為22.5pF,電感L1與電感L2的電感值均為112.5nH，實現(xiàn)輸出第二端口2和第四端口4的功率輸出分配比為1:1。

作為一種利用集總參數(shù)設計的180°環(huán)形電橋新型拓撲結構的一個優(yōu)選方案，當所述180°環(huán)形電橋耦合度為3dB且端口的特性阻抗Z₀為50歐,另所述電容C1的電容值為18.4pF，電容C2的電容值為26pF,電感L1的電感值為137.8nH，電感L2的電感值為97.4nH，實現(xiàn)輸出第二端口2和第四端口4的功率輸出分配比為1:2；或者當所述180°環(huán)形電橋耦合度為3dB且端口的特性阻抗Z₀為50歐,另所述電容C1的電容值為14.3pF，電容C2的電容值為28.5pF,電感L1的電感值為177.9nH，電感L2的電感值為88.9nH，實現(xiàn)輸出第二端口2和第四端口4的功率輸出分配比為1:4。

實施例一

本實用新型中實現(xiàn)了任意頻率任意輸出功率比的功分電橋，本實施例對中心頻率為100MHZ的情況進行設計實物，本實用新型對于不同功率輸出比的拓撲模型，均滿足S₁₁優(yōu)于-24dB，S₃₁優(yōu)于-38dB，通帶內(nèi)實測同相相位差1°±1°，反相相位差181°±1°，尺寸為17mm*17mm*2°mm，結合了現(xiàn)代工藝技術達到小型化和寬帶的要求，并且具有一定的簡單實用性。

本實用新型是一種現(xiàn)代工藝下多層結構的小型化寬頻帶新型環(huán)形電橋。理論設計思想源于傳統(tǒng)微帶線環(huán)形電橋模型，通過對微帶線進行集總電路模型等效將傳統(tǒng)環(huán)形電橋中3段λ/4枝節(jié)和1段3λ/4枝節(jié)進行等效如圖1和圖2，對于不同電長度采用不同的等效電路模型，兩段枝節(jié)分別采用π型和T型集總參數(shù)模型，因此組成的拓撲結構為非對稱結構。電長度分別為θ₁＝β*l＝(2π/λ)*(λ/4)＝π/2，θ₂＝β*l＝(2π/λ)*3λ/4)＝3π/2，則當電長度θ<180°時采用的等效π型集總參數(shù)模型見附圖1，通過奇模阻抗、偶模阻抗理論得到等效模型的參數(shù)式：

X_L＝Z sinθ (1)

(Z為輸入端口和輸出端口之間的阻抗。當計算的是第一端口1與第二端口2之間的電容電感值時，公式中的Z為Z₀₁；當計算的是第一端口1與第四端口4之間、第三端口3與第二端口2之間的電容電感值時，公式中的Z為Z₀₂。Y₁與Z₀₁互為倒數(shù)；Y₂與Z₀₂互為倒數(shù)。)當電長度180°≤θ≤360°時采用的等效T集總參數(shù)模型見附圖2，通過奇模阻抗、偶模阻抗理論得到等效模型的參數(shù)式：

B_L＝-Z₀₁sinθ (4)

由不同電長度得到不同等效模型，代入對應的中心頻率f₀、特性阻抗Z₀即可得到對應的集總等效模型電容電感值。

為了更好地實現(xiàn)各端口之間的匹配，導納關系應該滿足Y₁²+Y₂²＝1,若電橋耦合度為3dB且端口的特性阻抗Z₀為50歐，即|S₂₁|＝|S₄₁|＝0.707，可得Z₀₁＝70.7歐，Z₀₂＝70.7歐,因此要實現(xiàn)任意輸出功率比，則需要通過調(diào)整各端口的特性阻抗達到良好的匹配。通過上述奇模和偶模分析，由于第二端口2和第四端口4的電壓輸出分別為A₂和A₄，其中則通過功率電壓關系可知，輸出第二端口2和第四端口4的功率輸出分配比為:

P₁²：P₂²＝Y₂²：Y₁² (5)

(P₁、P₂分別代表同一輸入端口下兩個輸出端口的輸出功率。如在信號由第一端口1輸入，第二端口2和第四端口4為輸出的情況下，P₁代表第二端口2的輸出功率，P₂代表第四端口4的輸出功率；在信號由第三端口3輸入，第二端口2和第四端口4為輸出的情況下，P₁代表第二端口2的輸出功率，P₂代表第四端口4的輸出功率。Y₁代表第一端口1與第二端口2之間、第三端口3與第四端口4之間的導納；Y₂代表第一端口1與第四端口4、第三端口3與第二端口2之間的導納。)其中，信號由第一端口1輸入，第二端口2和第四端口4輸出且同相輸出相位差為0°，第三端口3輸入，第二端口2和第四端口4輸出且反相輸出相位差180°。

通過給定指標的輸出功率比值，調(diào)整出合適的電臂阻抗值，最終利用等效矩陣理論求得等效集總模型中電容電感值。

因此，對于任意頻率任意輸出功率比的180°環(huán)形電橋只需要適當調(diào)整導納Y₁和Y₂的值，即可實現(xiàn)任意輸出功率比。通過理論知識和精確計算，可得不同輸出功率比對于的新型集總模型參數(shù)值見表1。

表1集總模型環(huán)形電橋各參數(shù)值

注：電容單位為pF；電感的單位為nH

本實用新型中利用集總參數(shù)模型設計180°環(huán)形電橋，利用微帶線的π和T等效模型，用兩種不同的等效模型代替λ/4和3λ/4枝節(jié)，對于任意輸出功率比的環(huán)形電橋只需要適當調(diào)整導納Y₁和Y₂的值，同時滿足端口良好匹配Y₁²+Y₂²＝1，通過理論分析和等效電路模型參數(shù)值得精確計算得出對應參數(shù)值，利用仿真設計電路實現(xiàn)了很好的匹配，其中電容和電感的設計分別采用內(nèi)嵌式8層叉指電容和9匝的垂直螺旋電感。本實用新型中的環(huán)形電橋有較小的尺寸僅為17mm*17mm*20mm，實現(xiàn)了50％以上的帶寬，幅度不平衡度和相位不平衡度在功率輸出比為1:1、1:2、1:4時都具有較好的測試特性，滿足設計要求，具有一定的實用性。