CN110299593B - 一种基于边耦合结构的宽带小型化180°耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于边耦合结构的宽带小型化180°耦合器，所述耦合器包括4个输入/输出端口、设置在所述4个输入/输出端口侧的单层边耦合线和两段级联的环形拓扑结构，所述两段级联的环形拓扑结构包括由弯曲微带线实现的两个环形结构以及4条突出的用于与端口进行边耦合微带线，其中，所述单层边耦合线与突出的微带线处于同一层，每个输入/输出端口均通过对应的单层边耦合线与突出的微带线相交错，实现单层边耦合。本发明通过在每个输入/输出端口使用单层边耦合线以及阻抗匹配来使得带宽变大，通过采取弯曲微带线和两段环形拓扑结构级联的方法实现耦合器整体小型化。

Description

一种基于边耦合结构的宽带小型化180°耦合器

技术领域

本发明涉及电子器件技术领域，具体为一种基于边耦合结构的宽带小型化180°耦合器。

背景技术

第五代(5G)通信需要使用低于6GHz的频率传输宽带信号。在频率范围为1(FR1)的5G新无线通信技术(NR)中，最有应用前景的波段是N77(3.3-4.2GHz)、N78(3.3-3.8GHz)和N79(4.4-5GHz)。因此，对覆盖3.3到5GHz应用的组件的需求越来越大。关于3.3-5GHz无源器件(滤波器或天线)的研究文献已有报道，但针对3.3-5GHz频率的180°耦合器却鲜有报道。180°耦合器，被用来分离或组合用于平衡混频器、平衡放大器和天线阵列馈电网络的信号。众所周知，在收发器中大量使用的180°耦合器是5G通信中最具挑战性的组件之一。这是因为传统的180°耦合器相对带宽有限，而且有4个输入/输出端口，所有端口都有阻抗匹配要求和相位要求(0°或180°)。其次，传统的180°耦合器由于传输线转角为90°或270°，面积较大，这一点在低频段尤为严重。因此，增加带宽和缩小尺寸是5G N77、N78和N79波段应用的研究热点。

现有技术中，有通过采用180°反相器来增加带宽，如，Mo T T,Xue Q,Chan C H.一种使用新型CPW逆变器的宽带紧凑型180°耦合器，IEEE Trans.Microw.Theory Tech.，2007年；第55期:第161-167页；或通过悬带线来增加带宽，如，Robert Smolarz,KrzysztofWincza and Slawomir Gruszczynski，悬条线宽带180°耦合器的大信号S参数测量,inProc.第21届国际微波会议,雷达和无线通信(MIKON),2016年；第1-3页。

现有技术中，有通过采用慢波人工传输线来实现小型化，如，Coromina,J.,Selga,J.,Vélez,P.,Bonache,J.and Martín,F，采用电容性负载慢波传输线实现支路耦合器的尺寸减小和谐波抑制，微波与光学技术通讯,2017年；59页：第2822-2830页；或通过基片集成波导来实现小型化，如Hagag,Mohamed F.,and Dimitrios Peroulis，一种紧凑的可调谐滤波180°耦合器，In Proc.IEEE/MTT-S国际微波研讨会,2018年；第1118-1121页。

然而，这些方法的带宽增大和尺寸小型化需要通过过渡，缺陷的地面结构，键合线或金属带，导致制造过程复杂，生产产量小。这对于容差敏感的5G设备生产是不稳定的。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种基于边耦合结构的宽带小型化180°耦合器，通过在每个输入/输出端口使用单层边耦合线以及阻抗匹配来使得带宽变大，通过采取弯曲微带线和两段环形拓扑结构级联的方法实现耦合器整体小型化。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于边耦合结构的宽带小型化180°耦合器，所述耦合器包括4个输入/输出端口、设置在所述4个输入/输出端口侧的单层边耦合线和两段级联的环形拓扑结构，所述两段级联的环形拓扑结构包括由弯曲微带线实现的两个环形结构以及4条突出的微带线，其中，所述单层边耦合线与突出的微带线处于同一层，每个输入/输出端口均通过对应的单层边耦合线与突出的微带线相交错，实现单层边耦合。

优选地，所述单层边耦合线的长度为λ_g/4，其中，λ_g为波导波长。

优选地，所述两段级联的环形拓扑结构包括4条λ_g/4长度的水平线和3条λ_g/2长度的垂直线。

优选地，每个输入/输出端口的边缘端耦合强度由弯曲微带线在每个输入/输出端口的重叠区域控制，其中，边缘端的耦合效应越强，带宽特性越宽。

具体地，每个输入/输出端口的边缘端耦合强度由突出的微带线与对应的端口的边缘耦合线的相交错区域控制。

优选地，所述两个环形结构中的每条线均设有一个拐弯来缩短长度。

优选地，所述4个输入/输出端口设置在PCB板同层的上侧，两段级联的环形拓扑结构设置在PCB板的同层下侧。

优选地，所述耦合器的整体尺寸为36×20mm。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明公开的一种覆盖3-5GHz的基于边耦合结构的宽带小型化180°耦合器，在每个输入/输出端口采用边缘耦合线和阻抗匹配来获得宽带特性，采用弯曲微带线和两段环形拓扑结构级联的方法来实现耦合器整体的小型化。

(2)本发明提供的耦合器，能够使相对带宽达到50％，且其尺寸相较传统180°耦合器减小60％，同时能够得到良好的同相和反相特性。

(3)本发明提供的耦合器的电路采用传统的印刷电路板(PCB)工艺，相比于其他类型180°耦合器而言，更易于制作，适合大批量生产。

附图说明

图1为根据本发明实施例的180°耦合器的原理示意图。

图2为根据本发明实施例的180°耦合器的三维结构示意图。

图3为根据本发明实施例的用于分析从端口3向信号发射端方向看的输入阻抗的边缘耦合线示意图。

图4为根据本发明实施例的带有尺寸参数定义的俯视示意图。

图5为根据本发明实施例的S参数仿真结果示意图。

图6为根据本发明实施例的180°耦合器的输出幅度差仿真结果示意图。

图7为根据本发明实施例的180°耦合器的相位差仿真结果示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种基于边耦合结构的宽带小型化180°耦合器，所述耦合器包括4个输入/输出端口、设置在所述4个输入/输出端口侧的单层边耦合线和两段级联的环形拓扑结构，所述两段级联的环形拓扑结构包括由弯曲微带线实现的两个环形结构以及4条突出的用于与端口进行耦合的微带线，其中，所述单层边耦合线与突出的微带线处于同一层，每个输入/输出端口均通过对应的单层边耦合线与突出的微带线相交错，实现单层边耦合。本发明通过在每个输入/输出端口使用单层边耦合线和两段级联的环形拓扑结构来使得带宽变大，通过采取弯曲微带线的方法实现两段环形拓扑结构的小型化。

如图1所示，所述耦合器具有端口1、端口2、端口3和端口4。为了实现宽带特性，在每个输入/输出端口都使用了一段长度为λ_g/4的单层开路边缘耦合线，并通过所述单层开路边缘耦合线将各输入/输出端口连接至级联的两段拓扑结构。其中，端口1至4的阻抗均为Z₀，每个端口设置的单层开路边缘耦合线的阻抗均为Z₁。底部的两段环形拓扑结构包括4条λ_g/4长度的水平线和3条λ_g/2长度的垂直线。其中，图1左侧的环形结构中，两条水平线的阻抗均为Z₂。图1右侧的环形结构中，两条水平线的阻抗均为Z₃。3条垂直线的阻抗依次为Z₄、Z₅、Z₆。图1中，每个端口的虚线框区域表示各端口设置的单层开路边缘耦合线和弯曲微带线的重叠区域(即，各端口设置的单层开路边缘耦合线与对应的突出的微带线的相交错区域)。其中，重叠区域越多，耦合效应越强，而耦合效应越强越有助于带宽变宽。

如图2所示，端口1、2、3、4安装在PCB板同层的上侧，两段级联的环行结构安装在PCB板同层的下侧。上侧的4个输入/输出端口和下侧两段级联环形结构之间的连接是通过边缘耦合线实现的。边缘端耦合强度由弯曲微带线在每个输入/输出端口的重叠区域控制。耦合效应越强，带宽特性越宽。所述4条突出的微带线与由弯曲微带线实现的两个环形结构处于不同的层，所述4条突出的微带线向上突出且与相应的4个输入/输出端口处于同一层，即与相应的单层边耦合线处于同一层。

如图3所示，为了匹配每个输入/输出端口的阻抗，对从端口3向信号发射端方向看的单层开路边缘耦合线的输入阻抗进行分析。图3中，单层开路边缘耦合线的长度为λ_g/4，单层开路边缘耦合线的阻抗矩阵为

其中，V₁和V₃分别表示端口1和端口3的电压，Z_0e表示偶模阻抗，Z_0o表示奇模阻抗，θ表示电路的电长度。输入阻抗可由下公式求得

通过求解(1)和(2)，使得输入阻抗与边缘耦合线阻抗达到阻抗匹配，以使得带宽变宽。

通过求解(1)，计算得到Z_i(i＝1，2...6)分别为：Z₁＝60Ω；Z₂＝49.5Ω；Z₃＝35.3Ω；Z₄＝63.8Ω；Z₅＝16.2Ω；Z₆＝62Ω，这满足了5G中N77(3.3-4.2GHz)、N78(3.3-3.8GHz)和N79(4.4-5GHz)频段的要求，即满足了3-5GHz的要求。Z_i的计算结果如表1所示。

具体地，本发明实施例中，由于采用了弯曲微带线的方式，两段环行结构中的λ_g/4长度的线和λ_g/2长度的线也被小型化了。两段环形结构中的每条线都设计有一个拐弯来缩短长度，从而缩小了耦合器的实际尺寸。如图4所示，耦合器采用厚度为0.508mm的Rogers公司生产的RO4003C板材，介电常数为3.48，损耗角正切为0.0027。这里，所述耦合器的最终最优尺寸参数如表1所示。表1中，w_i(i＝1，2，...，6)表示边缘耦合线的线宽，Lc表示输入/输出端口的边缘耦合线的长度，λg表示波导波长，S表示输入/输出端口到边缘耦合线阻抗的距离，是单层的水平距离。

阻抗	z<sub>1</sub>	z<sub>2</sub>	z<sub>3</sub>	z<sub>4</sub>	z<sub>5</sub>	z<sub>6</sub>
										单位(Ω)	60	49.5	35.3	63.8	16.2	62
尺寸	w<sub>1</sub>	w<sub>2</sub>	w<sub>3</sub>	w<sub>4</sub>	w<sub>5</sub>	w<sub>6</sub>	Lc	λg	S
										单位(mm)	1.4	1.1	1.9	0.75	5.2	0.79	15	59.8	0.08

表1

电磁(EM)优化使用AXIEM软件，对本发明实施例所提供的耦合器进行仿真验证。仿真得到根据本发明实施例的S参数仿真结果，如图5所示，由3dB所定义的工作频率为3-5GHz，即2GHz带宽或50％相对带宽，且最大幅值波动小于0.7dB。在3-5GHz范围内，仿真得到的S₁₁、S₂₁、S₃₁和5₄₁分别优于-15、-3.4、-3.4和-32dB。根据本发明实施例的180°耦合器的输出幅度差仿真结果，如图6所示，显示仿真的带内输出幅度差异小于0.7dB。根据本发明实施例的180°耦合器的相位差仿真结果如图7所示，相位变化在±6°范围内，具有良好的同相和反相特性。

本发明所提出的180°耦合器整体尺寸仅为36×20mm，与不使用曲形线的两段式耦合器相比，尺寸减小了约60％。本发明公开的一种适用于5G应用场合的宽带小型化180°耦合器，工作频率覆盖3-5GHz。在每个输入/输出端口使用单层边耦合线和两段级联的环形拓扑结构来使得带宽变大，采取弯曲微带线的方法来实现两段环形结构的小型化。本发明提供的耦合器，能够使相对带宽达到50％，且其尺寸相较传统180°耦合器减小60％，同时能够得到良好的同相和反相特性。本发明提供的耦合器的电路采用传统的印刷电路板(PCB)工艺，相比于其他类型180°耦合器而言，更易于制作，适合大批量生产。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种基于边耦合结构的宽带小型化180°耦合器，其特征在于，所述耦合器包括4个输入/输出端口、设置在所述4个输入/输出端口侧的单层边耦合线和两段级联的环形拓扑结构，所述两段级联的环形拓扑结构包括由弯曲微带线实现的两个环形结构以及4条突出的用于与端口进行边耦合的微带线，其中，所述单层边耦合线与突出的微带线处于同一层，每个输入/输出端口均通过对应的单层边耦合线与突出的微带线相交错，实现单层边耦合；所述4条突出的微带线与由弯曲微带线实现的两个环形结构处于不同的层，所述4条突出的微带线向上突出且与相应的4个输入/输出端口处于同一层；所述两段级联的环形拓扑结构包括4条λg/4长度的水平线和3条λg/2长度的垂直线；所述单层边耦合线的长度为λg/4，其中，λg为波导波长；所述耦合器具有端口1、端口2、端口3和端口4，所述端口2、端口3和端口4位于同一侧，所述端口4位于端口2和端口3之间且位于λg/2长度垂直线的中点处。

2.根据权利要求1所述的一种基于边耦合结构的宽带小型化180°耦合器，其特征在于，每个输入/输出端口的边缘端耦合强度由弯曲微带线在每个输入/输出端口的重叠区域面积大小控制，其中，边缘端的耦合效应越强，带宽特性越宽。

3.根据权利要求1所述的一种基于边耦合结构的宽带小型化180°耦合器，其特征在于，所述两个环形结构中的每条线均设有一个拐弯来缩短长度。

4.根据权利要求1所述的一种基于边耦合结构的宽带小型化180°耦合器，其特征在于，所述4个输入/输出端口设置在PCB板同层的上侧，两段级联的环形拓扑结构设置在PCB板同层的下侧。

5.根据权利要求1所述的一种基于边耦合结构的宽带小型化180°耦合器，其特征在于，所述耦合器的整体尺寸为36×20mm。

Images