CN100574004C - 补偿型螺旋微带谐振单元及其构成的环形耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种补偿型微带谐振单元及其构成的环行耦合器，其特征在于所述的补偿型微带谐振单元由四个螺旋形微带开路线组成，在螺旋带谐振单元的中心各有一个长环带状和短环带状的微带开路线补偿结构，所述的环行耦合器是由六个补偿型螺旋微带谐振单元替代传统的四分之一波长微带线，长环带状和短环带状微带开路线分别位于环形耦合器的内部，其特征阻抗为70.7Ω，在基频处该谐振单元是传输线，在二阶和三阶谐波处有很强的抑制作用，所构成的环行耦合器具有谐波抑制，减小电路面积，插入损耗小等优点。

Description

补偿型螺旋微带谐振单元及其构成的环形耦合器

技术领域

本发明涉及一种微波环形耦合器，特别涉及补偿型螺旋微带谐振单元及其构成的环形耦合器，属于微波环形耦合器领域。

背景技术

环形耦合器两输出端口的输出功率分配比从理论上讲是可以任意的。但是在实际上由于工艺的限制，功率分配相差悬殊的环形耦合器因部分的阻抗太高而很难实现，实践中最常用的环形耦合器是输出功率相等的-3分贝(dB)。图1显示了传统的环形耦合器的结构图，从图中可以看到，在耦合器内部共由六条特征阻抗为70.7Ω微带线组成，每条微带线的长度都是工作频率的四分之一波长。以工作频率为2.4GHz为例，该环形耦合器使用普通微波衬底材料，相对介电常数为2.65，厚度为1.5mm，整个环形耦合器的大小为53.1mm×23.4mm。四个端口的输入输出阻抗均为50Ω，宽度为3.9mm。其中六条特征阻抗为70.7Ω微带线的宽度为2.25mm。当信号自环形耦合器的端口1输入时，信号从端口2、4等功率分配反相输出，而端口3为隔离端，只有少量的泄漏功率输出。图2是此2.4GHz的传统环形耦合器的频率响应图。图中，S21、S41是端口1分别到端口2、4的传输特性，在2.4GHz都接近-3dB；S11是耦合器的反射损耗曲线，其驻波非常理想；S31是端口1和端口3的隔离度，在其工作频段内，具有非常理想的隔离度。这种传统的环形耦合器在工作频带内有非常理想的性能，而且当前已在微波电路中得到了广泛的应用。但是如果观察其2阶和3阶谐波信号就会发现该环形线耦合器在工作频率的谐波频段具有相似的频率响应。在通信频谱日益拥挤的今天，电磁干扰成为一个严重的问题，所以抑制谐波成为一个必需考虑的问题。通常的微波通信系统都是在系统内部加入低通滤波器或者带通滤波器来达到抑制谐波的目的，这种做法不仅增加了系统的体积，增大了成本，而且因无源滤波器存在差损，降低了系统性能。并且在系统内部器件互联的时候，有可能产生失配，恶化系统性能。尤其是在低频频段，该环形线耦合器形状过于庞大，不能非常有效的利用衬底空间，所以此种结构并不十分理想。

发明内容

本发明的目的是克服已有技术的不足之处，提出了补偿型螺旋微带谐振单元及用其构成的环形线耦合器，该补偿型螺旋微带谐振单元采用微带内的螺旋结构，加上长短各两个开路微带线来补偿微带频率响应和相位，使其对于谐波有很强的抑制作用，同时整体尺寸减小，仅为传统环形耦合器的45％左右，而且两者插入损耗相当。

本发明提出一种补偿型微带谐振单元，其特征在于由四个螺旋微带开路线组成，长环带状和短环带状的微带开路线结构连接到螺旋带谐振单元中两个螺旋形微带开路线的公共部分；螺旋微带谐振单元的禁带频率设计为工作频率的3阶谐波，作用是抑制3阶谐波，并且利用其慢波效应，减小电路面积；所述的长环带状微带开路线的电长度为环形耦合器工作频率四分之一波长的两倍，作用是对工作频率的2阶谐波产生抑制作用；所述的短环带状微带开路线的电长度视需要补偿的相位而定，作用是将整个补偿型微带谐振单元的相位补偿到工作频率的四分之一波长。

所述的长环带状和短环带状的补偿微带开路线都在螺旋谐振单元的同一侧。

本发明同时提出的一种基于补偿型螺旋微带谐振单元构成的环形耦合器，其特征在于，由六个补偿型螺旋微带谐振单元分别替代传统的由六段四分之一波长微带线构成的环形耦合器中的六段四分之一波长微带线；六个补偿型螺旋微带谐振单元的特征阻抗为70.7Ω。长环带状和短环带状的微带开路线补偿结构分别位于环形耦合器的内部，这样可以充分利用衬底材料，节省空间。

本发明设计的基于所述的补偿型螺旋微带谐振单元构成的环形耦合器，同传统的四分之一波长环形耦合器同样具有很好的端口驻波、隔离度，在端口2、4具有功率等分，相位差为180度的基本特性。同时具有传统环形耦合器所不具有的谐波抑制功能，而且电路面积大大减小。本发明可用任何适合微波电路的衬底材料制作。

本发明的基于补偿型螺旋微带谐振单元的环形耦合器的工作频率可以根据需要来设计，基于此螺旋微带的长度、长环带状补偿微带开路线和短环带状补偿微带开路线的长度都需要视具体的工作频率来确定。本发明仅以2.4GHz工作频率的为例说明，只要采用补偿型螺旋微带谐振单元的环形耦合器均属于本发明的保护范围。

本发明的补偿型螺旋微带谐振单元由螺旋微带和开路补偿线组成，在基频处该谐振单元是传输线，在二阶和三阶谐波处该谐振单元有很强的抑制作用。利用补偿型螺旋微带谐振单元构成的环形耦合器具有谐波抑制，减小电路面积，插入损耗小等优点。

附图说明

图1为已有的传统环形耦合器结构布局示意图。

图2为传统的2.4GHz环形耦合器频率响应图。

图3为已有的特征阻抗为50Ω螺旋微带谐振单元。

图4为已有的特征阻抗为50Ω螺旋微带谐振单元的频率响应曲线，其中实线是仿真曲线，虚线是测试曲线。

图5为本发明的特征阻抗为50Ω补偿型螺旋微带谐振单元。

图6为本发明的特征阻抗为50Ω补偿型螺旋微带谐振单元的频率响应曲线，其中实线是仿真曲线，虚线是测试曲线。

图7为本发明的基于补偿型螺旋微带谐振单元的2.4GHz环形耦合器结构布局示意图。

图8为本发明的基于补偿型螺旋微带谐振单元的2.4GHz环形耦合器频率响应曲线。

具体实施方式

下面通过实施例和结合附图进一步阐述本发明实质性特点和显著的进步。

图3显示了薛泉于2000年发表的一个螺旋微带谐振单元，该谐振单元由四个螺旋微带开路线在50Ω微带传输线内构成，通过谐振产生禁带，从而起到滤波的作用，另外同时增加了传输线的分布电容和电感，具有慢波的效应。图4为特征阻抗为50Ω的螺旋微带谐振单元的频率响应曲线，其中实线是仿真曲线，虚线是测试曲线。从图4的频率响应曲线可以看到，在螺旋微带谐振单元中，为了达到需要的慢波和禁带性能，分布的电感和电容值都通过人为地设计而增加。然而如图3设计的结构，增加的电感和电容值不是线性的。从而引起低频通带内的阻抗不匹配，反射系数过大，影响通带内的插损。

本发明设计的一种补偿型微带谐振单元的结构如图5所示。四段螺旋微带线构成螺旋微带谐振单元51，螺旋微带谐振单元的禁带设计在工作频率的3阶谐波，从而达到抑制3阶谐波的目的。短补偿微带开路线52和长补偿微带开路线53，补偿了低频通带内的阻抗不平衡，并且53的电长度为工作频率四分之一波长的两倍，从而抑制了2阶谐波。图6为两端端口阻抗为50Ω的补偿性螺旋微带谐振单元的频率响应图，其中实线是仿真曲线，虚线是测试曲线。图中打三角形的曲线为反射损耗，在工作频率2.4GHz，端口阻抗严格匹配到50Ω，具有非常理想的驻波特性；打方块的曲线为传输损耗曲线，在工作频率2.4GHz传输损耗与传统的微带线相当，并且从图中可以看到在2阶和3阶谐波处，具有30dB以上的隔离度。

作为实施例，本发明根据图5所示的补偿型微带谐振单元而设计的工作频率为2.4GHz的环形耦合器，如图7所示。黑色部分为耦合器的微带线，衬底介电常数为2.65，厚度为1.5mm，尺寸为36.6mm×15.15mm，面积为传统环形耦合器的45％。六个补偿型螺旋微带谐振单元，其宽度为2.25mm，工作频点的特征阻抗为70.7Ω，这六个单元分别代替传统的环形耦合器的四分之一波长微带线，开路补偿微带线放置在耦合器内部，节省衬底面积。输入输出端口1、2、3、4，对应于50Ω输入输出阻抗，其宽度均为3.9mm。本发明可以用此结构设计出各个工作频率的环形耦合器，本发明还可以使用氧化铝陶瓷等其他材料的衬底。

图8为本环形耦合器实例的响应曲线图，图中打星号的曲线为耦合器端口1的反射系数。在工作频率2.4GHz，反射系数都小于-20dB，在2阶和3阶谐波处谐波抑制均大于25dB。图中打三角形的曲线为端口1和端口3的隔离度，在工作频率2.4GHz，隔离度都大于20dB。其他两条曲线分别为端口1到端口2和端口1到端口4的传输系数，可以看到功率从端口1进入，分别在端口2和端口4等分，并且相位差为180度。

根据图5实例结构设计的环形耦合器中心频率为2.4GHz，尺寸仅为传统环形耦合器的45％。该环形耦合器的频率响应曲线如图8所示，工作频率2.4GHz性能同传统的环形耦合器相同，但是在2阶和3阶谐波出具有很强的抑制作用。

Claims (5)

1、一种补偿型微带谐振单元，其特征在于所述的补偿型微带谐振单元是由四个螺旋形微带开路线组成，长环带状和短环带状的微带开路线补偿结构连接到补偿型微带谐振单元中两个螺旋形微带开路线的公共部分；

所述的长环带状微带开路线的电长度为补偿型微带谐振单元工作频率四分之一波长的两倍；

所述的短环带状微带开路线的电长度视需补偿的相位而定，使相位补偿到工作频率的四分之一波长。

2、按权利要求1所述的补偿型微带谐振单元，其特征在于所述的长环带状和短环带状的微带开路线在补偿型微带谐振单元的同一侧。

3、由权利要求1所述的补偿型微带谐振单元构成的环形耦合器，其特征在于它是由六个补偿型微带谐振单元分别替代传统的由六段四分之一波长微带线构成的环形耦合器中的六段四分之一波长微带线；长环带状和短环带状微带开路线均位于环形耦合器的内部，六个补偿型微带谐振单元的特征阻抗为70.7Ω。

4、按权利要求3所述的由补偿型微带谐振单元构成的环形耦合器，其特征在于所述的补偿型微带谐振单元的禁带设计为工作频率的3阶谐波。

5、按权利要求3所述的由补偿型微带谐振单元构成的环形耦合器，其特征在于补偿型微带谐振单元工作频率为2.4GHz，六个补偿型微带谐振单元宽度均为2.25mm，输入和输出端口微带线结构，该微带线的宽度均为3.9mm，对应于50Ω输入输出阻抗；衬底介电常数为2.65，厚度为1.5mm，面积为传统环形耦合器的45％。

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