CN201450093U - 应用于uhf频段的微带耦合线定向耦合器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公布了应用于UHF频段的微带耦合线定向耦合器，具有体积小、带宽宽、带内波动小、耦合度低及调试性良好等特点，能够实现UHF频段内的宽带定向耦合，解决了该频段其它定向耦合器设计方案中出现带内波动大的问题，提高了耦合检测的精度；其包括屏蔽盒、安装在屏蔽盒内的介质板、将介质板罩在屏蔽盒内的屏蔽盖；所述介质板上曲折铺设着一对耦合线；所述屏蔽盒上设有高度可调的支柱，对应地介质板上设有安装孔，支柱通过安装孔将屏蔽盒、介质板、活动屏蔽盖固定连接在一起。

Description

应用于UHF频段的微带耦合线定向耦合器

技术领域

本实用新型涉及无源微波电路设计领域，特别是一种应用在UHF频段的实现小型化大带宽且带内波动小的定向耦合器。

背景技术

定向耦合器是一种具有方向性的功率分配器，用于将主射频传输线中传输的射频信号耦合出一部分来，主要应用于功率检测。微带耦合线定向耦合器一般为四端口网络，第一端口为主射频信号输入端，第二端口为直通端，第一端口和第二端口之间的传输线为主传输线；另一传输线为副传输线，即耦合线，副传输线中与第一端口相邻的为耦合端口，另一端为隔离端口。微带耦合线定向耦合器的技术指标主要有耦合度、工作带宽、***损耗、耦合度的带内波动及方向性。对于UHF频段(例如225MHz-512MHz)来说，微带耦合线定向耦合器的设计存在的难度有以下几个方面：一、超倍频程的工作带宽；二、小尺寸的要求；三、耦合度的带内波动小；四、可调试性。下面分别详细说明这四个方面难以达到的原因。

难以实现超倍频程的工作带宽：若工作频段为225MHz-512MHz，工作带宽要超过倍频程，对于微带线定向耦合器来说，单节耦合线的长度为中心频率的四分之一波长，单节微带耦合线的工作带宽不宽。为了展宽频带，经常采用的技术手段是将定向耦合器做成多节微带耦合线；但这样会带来另外一个问题，就是尺寸过大。

难以达到小尺寸的要求：从实用的角度来说，希望把微带耦合线定向耦合器的尺寸尽量做小。但对于UHF频段的微带耦合线定向耦合器，波长较长，约为1米；为了实现宽带耦合，必须采用多节微带耦合线，这样尺寸就会很大。以工作频段为225MHz-512MHz为例，以中间频率368.5MHz计算，波长为814mm，每节微带耦合线的长度为203.5mm，则三节微带耦合线的长度为610.6mm，显然，这样长度的定向耦合器的实用性是很差的。

难以达到耦合度带内波动小：定向耦合器主要用于功率检测，耦合度带内波动的大小直接影响了检测的精度。例如一个使用定向耦合器的功率检测控制装置，如果耦合器的耦合度带内波动为±0.5dB，则经其检测得到的功率的误差为±0.5dB；不计其他误差，经这个定向耦合器导致的输出功率的带内波动就达到了1dB。在很多功率检测控制的应用场合，这种程度的误差是很难接受的。

难以实现可调试性：一旦微带线布板制好板之后，由于仿真的精准度有限，以及实际情形与仿真模型的误差，很难保证实际制作出来的结果就能达到设计的指标。这时由于PCB的尺寸已定，定向耦合器的可调试性很差。

实用新型内容

为了解决上述现有技术所存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种应用于UHF频段的微带耦合线定向耦合器，能满足大带宽、体积小、带内波动小的要求，并具备较低的耦合度和良好的可调试性。

本实用新型的目的是采用如下技术方案来实现的：应用于UHF频段的微带耦合线定向耦合器，包括屏蔽盒、安装在屏蔽盒内的介质板、将介质板罩在屏蔽盒内的屏蔽盖；所述介质板顶层曲折铺设着一对耦合线，底层铺铜形成接地面；所述屏蔽盒上设有固定支柱，对应地介质板上设有安装孔，介质板和屏蔽盖之间设有高度可调的可调支柱，可调支柱和固定支柱通过安装孔将屏蔽盒、介质板、屏蔽盖固定连接在一起.

所述一对耦合线由线宽及线长都相同的第一节微带耦合线、第二节微带耦合线及第三节微带耦合线组成，并呈两个“S”形曲折铺设在介质板上。

所述一对耦合线以第二节微带耦合线的中心呈中心对称；第一节微带耦合线和第三节微带耦合线的主传输线和耦合线之间的间隙相同，且大于第二节微带耦合线的主传输线和耦合线之间的间隙。

所述第一节微带耦合线、第二节微带耦合线及第三节微带耦合线的长度均为工作频带的高频端频率的四分之一波长。

所述介质板为印刷电路PCB板。

所述一对耦合线的的隔离端通过一个电阻后接地，直通端接匹配负载。

所述隔离端所接电阻的阻值为50欧姆，输入端、直通端、耦合端及隔离端的阻抗均为50欧姆。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果及优点：采用了多节微带耦合线展宽了定向耦合器的工作带宽，能够实现UHF频段内的宽带定向耦合，解决了该频段内的现有定向耦合器耦合度带内波动大的问题，提高了耦合检测的精度；采用曲折布线的结构，解决了UHF频段多节微带耦合线尺寸过大的问题，因而具有体积小的优点；屏蔽盖采用可活动的结构，使得屏蔽盖到微带耦合线的距离是可调节的，解决了微带耦合线制作好了之后可调试性差的问题。

附图说明

图1是本实用新型的PCB布板图；

图2是本实用新型的结构示意图；

图3是本实用新型的两端口测试结果图；

图4是利用本实用新型进行功率检测的UHF频段电台功率补偿的结果示意图。

具体实施方式

下面以应用于电台(工作频率为225MHz-512MHz)输出功率检测的微带耦合线定向耦合器为例，并结合说明书附图，对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例

如图1、2所示，本实用新型包括屏蔽盒1、安装在屏蔽盒1内的介质板6、将介质板6罩在屏蔽盒1内的屏蔽盖5；其中介质板6上曲折铺设着一对耦合线2，该对耦合线2有四个端口，分别为输入端21、耦合端22、隔离端23、直通端24；屏蔽盒1上设有四个高度固定的的固定支柱7，对应地介质板6上设有四个安装孔4，介质板6和屏蔽盖5之间设有高度可调节的可调支柱3，可调支柱3和固定支柱7通过安装孔4将屏蔽盒1、介质板6、屏蔽盖5固定连接在一起。

在本实施例中，介质板6优选印刷电路PCB板；可调支柱3优选支撑螺柱；耦合线2由线宽及线长都相同的三节微带耦合线组成，并呈两个“S”形曲折铺设在印刷电路PCB板上。

下面以设计出工作频带为225MHz-512MHz、尺寸小于95*55mm、带内波动小于±0.4dB、带内耦合度约为20dB的定向耦合器为例，说明本实用新型的设计过程，其包括如下步骤：

(1)采用三节微带耦合线，三节微带耦合线的线宽相同，线长相同，AB段为第一节，BC段为第二节，CD段为第三节，如图1所示。耦合线2以第二节微带耦合线的中心呈中心对称；第一节微带耦合线和第三节微带耦合线的主传输线和耦合线之间的间隙相同，且大于第二节微带耦合线的主传输线和耦合线之间的间隙。各节微带耦合线之间间隙的变化采用均匀渐变过渡。每节微带耦合线的长度取为工作频带的高频端频率(如512MHz附近的频率)的四分之一波长，三节的总长度约为四分之三波长，约324mm。

(2)采用曲折布线的方法，确定布线的整体布局，长度约为324mm的三节微带耦合线曲折分布于面积为89*49mm的印制板内，分为5段平行于长边，从上到下呈两个“S”形拼接在一起的形状，拐弯处以圆弧过渡，保持平滑过渡；同一节内保持主传输线和耦合线之间间隙不变，第一节微带耦合线，主传输线较耦合线稍长，第二节微带耦合线，主传输线和耦合线长度相等，第三节微带耦合线的主传输线较耦合线稍短，总的主传输线和耦合线的长度相等。整体的布线相对耦合线的中心呈对称布线，并注意输入端口、直通端及耦合端口放置在PCB板的边沿。

(3)微带耦合线的材质采用相对介电常数较高的聚四氟乙烯(ε_r＝2.32)，板厚选择为1mm；微带线的特性阻抗，包括主传输线的输入端、直通端的阻抗，耦合线的耦合端和隔离端阻抗，均为50欧姆；隔离端接一个50欧姆的电阻接地，耦合端接一个特性阻抗为50欧姆的射频线输出；微带线底面(即PCB板的底层)大面积铺铜形成接地面，通过安装孔与屏蔽盒相连。这样在端口阻抗保持为50欧姆的条件下，微带线的宽度较小，有利于减少占用的尺寸。

(4)用电磁仿真软件建立模型，以225MHz-512MHz频带内带内波动小于±0.4dB，耦合度约20dB为目标进行优化设计，优化的尺寸主要包括微带线的宽度、各节微带线之间的间隙、各节微带线的长度、微带线到屏蔽盖的距离。

(5)根据仿真的结果进行PCB布线，同时增加安装孔和接地焊盘；设计制作一个屏蔽盒，四个固定安装孔，在屏蔽盒宽边左右侧面分别开孔作为输入输出射频插头的出口并留有固定孔。隔离端用一50欧姆电阻连接接地，输入端、直通端、耦合端用特性阻抗为50欧姆的射频线引出，安装于屏蔽盒中。PCB布线如图1所示。

(6)将定向耦合器安装于屏蔽盒，正面朝上，输入端、直通端和耦合端用射频线和射频插头引出屏蔽盒外面，确认定向耦合器的地平面通过安装孔与屏蔽盒良好接触，隔离端接一50欧姆电阻接地。用四个可调支柱支撑可活动屏蔽盖(可用另一定向耦合器做为活动屏蔽盖)安装于定向耦合器之上(可活动屏蔽盖的地平面朝向定向耦合器)，最后安装上屏蔽盒的外屏蔽盖即可，安装完毕之后的定向耦合器如图2所示。在本实施例中，可调支柱选择高度可调节的支撑螺柱。

(7)由于可活动屏蔽盖的支撑螺柱的高度可调，这样就可以通过调整四个螺柱的高度来改变可活动屏蔽盖与微带耦合线之间的距离以改变微带耦合线上方电磁场的分布，从而调节微带耦合线定向耦合器的带内耦合平坦度，四个支撑螺柱均可自由调整高度，增加了调节的自由度，最优的结果往往出现在四个支撑螺柱的高度不相同的情况下，这时可活动屏蔽盖并不平行于微带耦合线.达到要求后用螺钉固定，再安装上屏蔽盒的外屏蔽盖；其中四个螺柱可以用细长的螺柱，在定向耦合器和可活动屏蔽盖之间的螺柱上套上多个垫圈，安装到屏蔽盒的安装孔中，通过调节中间所夹垫圈的数量来实现支撑螺柱高度的调节.

(8)安装上屏蔽盖后，直通端接50欧姆负载，用网络分析仪测试输入端和耦合端的双端口带内耦合特性，按步骤(7)调节可活动屏蔽盖与微带耦合线之间距离进行调试，直到达到设计目标，调试结果如图3所示。图3中曲线S21为从输入端到耦合端的传输特性曲线，纵轴为对应于曲线S21的坐标。可见在225-512MHz带内的耦合度为L＝-|S₁₂|＝22.17±0.27dB，很好的满足设计要求。调试完毕后，对可活动屏蔽盒进行固定，并安装上屏蔽盖。

利用本实用新型的微带耦合线定向耦合器进行功率检测的UHF频段电台功率补偿的结果，如图4所示。从图4可以看出，使用本实用新型的定向耦合器进行功率补偿后电台输出功率的平坦度为44.76±0.58dB，满足电台的输出功率平坦度的要求，表明了本实用新型的定向耦合器性能达到设计要求。主传输线的直通端可根据使用需求在屏蔽盒内安装大功率电阻作为负载，也可以通过射频线引出屏蔽盒外面接天线等负载。注意输入端、直通端、耦合端引出的射频线和射频插头的地要和定向耦合器的地平面保持良好的电接触。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.应用于UHF频段的微带耦合线定向耦合器，其特征在于：包括屏蔽盒、安装在屏蔽盒内的介质板、将介质板罩在屏蔽盒内的屏蔽盖；所述介质板顶层曲折铺设着一对耦合线，底层铺铜形成接地面；所述屏蔽盒上设有固定支柱，对应地介质板上设有安装孔，介质板和屏蔽盖之间设有高度可调的可调支柱，可调支柱和固定支柱通过安装孔将屏蔽盒、介质板、屏蔽盖固定连接在一起。

2.根据权利要求1所述的应用于UHF频段的微带耦合线定向耦合器，其特征在于：所述一对耦合线由线宽及线长都相同的第一节微带耦合线、第二节微带耦合线及第三节微带耦合线组成，并呈两个“S”形曲折铺设在介质板上。

3.根据权利要求2所述的应用于UHF频段的微带耦合线定向耦合器，其特征在于：所述一对耦合线以第二节微带耦合线的中心呈中心对称；第一节微带耦合线和第三节微带耦合线的主传输线和耦合线之间的间隙相同，且大于第二节微带耦合线的主传输线和耦合线之间的间隙。

4.根据权利要求2或3所述的应用于UHF频段的微带耦合线定向耦合器，其特征在于：第一节微带耦合线、第二节微带耦合线及第三节微带耦合线的长度均为工作频段的高频端频率的四分之一波长。

5.根据权利要求1所述的应用于UHF频段的微带耦合线定向耦合器，其特征在于：所述介质板为印刷电路PCB板。

6.根据权利要求1所述的应用于UHF频段的微带耦合线定向耦合器，其特征在于：所述一对耦合线的隔离端通过一个电阻后接地，直通端接匹配负载。

7.根据权利要求6所述的应用于UHF频段的微带耦合线定向耦合器，其特征在于：所述隔离端所接电阻的阻值为50欧姆，输入端、直通端、耦合端及隔离端的阻抗均为50欧姆。

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