CN208608341U - 分支线耦合器及射频微波设备 - Google Patents
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Abstract
本实用新型的实施例提供了一种分支线耦合器及射频微波设备。根据一个实施例，所述分支线耦合器包括相对设置的两个第一传输线和相对设置的两个第二传输线。该四个传输线在四个连接点处首尾依次相连构成环形。每个第一传输线的长度和每个第二传输线的长度均小于所述分支线耦合器的工作波长的四分之一。所述分支线耦合器还包括分别设置于所述四个连接点处的四个第三传输线。每个第三传输线的一端与一个连接点相连，且每个第三传输线配置成进行阻抗变换使得该第三传输线的另一端处的端接阻抗为***阻抗。
Description
技术领域
本实用新型的实施例一般涉及射频和微波器件，并且更具体地涉及分支线耦合器及射频微波设备。
背景技术
本部分介绍的内容只是为了便于更好地理解本实用新型。因此，本部分的陈述不应理解为对哪些内容属于现有技术或哪些内容不属于现有技术的承认。
分支线耦合器(BLC)是射频和微波***中用于功率分配和合成的基本器件。由于具有简单的设计和结构，BLC被广泛用在功率放大器(例如多尔蒂(Doherty)功率放大器)、天线阵列的馈电网络(例如巴特勒矩阵 (Butler matrix))、混频器等设备中。因此，存在着持续改进BLC的性能的需求。
实用新型内容
提供本部分是为了以简化的形式介绍下面在具体实施方式部分进一步描述的那些概念的选集。本部分并非旨在确定所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也并非旨在限制所要求保护的主题的范围。
本实用新型的目的之一是提供一种改进的分支线耦合器。
根据本实用新型的一个方面，提供了一种分支线耦合器。该分支线耦合器包括相对设置的两个第一传输线和相对设置的两个第二传输线。该四个传输线在四个连接点处首尾依次相连构成环形。每个第一传输线的长度和每个第二传输线的长度均小于所述分支线耦合器的工作波长的四分之一。所述分支线耦合器还包括分别设置于所述四个连接点处的四个第三传输线。每个第三传输线的一端与一个连接点相连，且每个第三传输线配置成进行阻抗变换使得该第三传输线的另一端处的端接阻抗为***阻抗。
根据上述方面，由于采用第三传输线进行阻抗变换，所以能够使用较低的阻抗实现分支线耦合器，从而降低***损耗和提高功率容量。
在本实用新型的实施例中，每个第三传输线的长度小于所述分支线耦合器的工作波长的四分之一。
在本实用新型的实施例中，每个第三传输线的宽度不同于每个第一传输线的宽度和每个第二传输线的宽度。
在本实用新型的实施例中，每个第一传输线、每个第二传输线和每个第三传输线均为微带线或带状线。
在本实用新型的实施例中，所述环形为下述之一：矩形环，椭圆环，以及圆环。
在本实用新型的实施例中，所述分支线耦合器被设置在印制电路板上或单片微波集成电路中。
在本实用新型的实施例中，所述分支线耦合器被配置为具有-1到-20dB 的耦合度。
根据本实用新型的另一方面，提供了一种射频微波设备。该射频微波设备包括根据上述方面的分支线耦合器。
在本实用新型的实施例中，所述射频微波设备为下述之一：天线阵列，射频拉远单元，功率分配设备，以及功率合成设备。
附图说明
根据将结合附图阅读的本实用新型的说明性实施例的下面的详细描述，本实用新型的这些和其它目的、特征和优点将变得明显。
图1是示出根据本实用新型的实施例的分支线耦合器的俯视图；
图2是示出常规分支线耦合器的结构示意图；
图3A和3B分别示出四分之一波长传输线及其等效的缩短传输线；
图4是示出采用缩短传输线的分支线耦合器的结构示意图；
图5是图1所示分支线耦合器的结构示意图；以及
图6A至6C示出根据本实用新型的实施例的分支线耦合器的仿真的响应曲线。
具体实施方式
为了说明的目的，在下面的描述中阐述了一些细节以便提供所公开的实施例的透彻理解。然而，对于本领域技术人员来说明显的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者利用等效配置来实现所述实施例。
目前已经有一些关于分支线耦合器(BLC)的文献。例如，T.Hirota 等人的论文“Reduced-Size Branch-Line and Rat-Race Hybrids for Uniplanar MMIC’s”(见IEEETrans.Microw.Theory Tech.,1990,38,(3), 270-275页)提出了一种具有减小的尺寸的BLC。但是该BLC的带宽窄于常规的四分之一波长BLC。而且，该BLC需要较高的阻抗，这通常会导致较大的***损耗。高阻抗还会导致微带线的宽度变窄，该问题在期望的功率分配比变得较高的情况下尤其严重。这使得BLC难以用单层微带线制造。
本实用新型的实施例提出了一种改进的BLC。在下文中，将参考图1 至图6A-6C详细描述本实用新型的实施例。
图1是示出根据本实用新型的实施例的BLC的俯视图。如图所示，该BLC包括相对设置的两个第一传输线101-1、101-2，和相对设置的两个第二传输线102-1、102-2。例如，每个第一传输线和每个第二传输线可以均为微带线或带状线。第一传输线101-1、101-2的长度为L1，且宽度为 W1。第二传输线102-1、102-2的长度为L2，且宽度为W2。每个第一传输线的长度L1和每个第二传输线的长度L2均小于该BLC的工作波长的四分之一。关于这些长度和宽度的设定，将在稍后参考图2至5详细描述。
该四个传输线101-1、101-2、102-1、102-2在四个连接点(图1中A、 B、C、D所在的位置)处首尾依次相连构成环形。尽管图1中的环形为矩形环，但是本实用新型并不限于该示例。作为另一示例，每个第一传输线和每个第二传输线可以不采用直线、而是采用圆弧线，使所得到的环形为椭圆环或圆环。作为又一示例，可以采用曲折线来构成环形。另外，也可以根据实际需要，采用其它任意形状的线来构成环形。
该BLC还包括分别设置于四个连接点A、B、C、D处的四个第三传输线103-1至103-4。每个第三传输线的一端与一个连接点相连，且每个第三传输线配置成进行阻抗变换使得该第三传输线的另一端处的端接阻抗为***阻抗。第三传输线的长度为L，且宽度为W。关于该长度和宽度的设定以及阻抗变换的细节，将在稍后参考图2至5详细描述。应注意的是，图1中宽度为W0的传输线是用于将该BLC与外部的输入/输出相连的传输线，因此并非是该BLC的组成部分。还应注意的是，图1中所示的BLC 的各个尺寸仅是示例性的，而并非是限制性的。
由于采用第三传输线进行阻抗变换，所以能够使用较低的阻抗实现 BLC，从而降低***损耗和提高功率容量。该改善效果在高功率分配比(或弱耦合度，例如-10dB)的情况下尤其明显，因为高功率分配比情况中的高阻抗会由于微带线的宽度变窄而导致在单层微带线上的实际制造困难。因此，该实施例的BLC能够适用任意功率分配比(例如，对应的耦合度为-1到-20dB)、且能够容易地实现在印刷电路板(PCB)或单片微波集成电路(MMIC)中。
接下来，将参考图2至5描述本实用新型的实施例的BLC的设计过程。作为一个说明性的示例，考虑工作在B1频段(2110-2170MHz)的-2dB 的BLC，其采用单层微带线实现。应注意的是，本实用新型的原理也可以应用于其它频段和耦合度。该设计过程可以包括五个步骤。在第一步骤，设计常规BLC的结构。图2是示出常规BLC的结构示意图。如图所示，该BLC包括具有(特征)阻抗Z01的两个四分之一波长传输线和具有阻抗 Z02的两个四分之一波长传输线。该四个四分之一波长传输线首尾依次相连构成环形。端口1为入射端口，端口3为耦合端口，端口2为直通端口，且端口4为隔离端口。用于该常规BLC的设计公式如下所示：
以上公式中的k是耦合端口3处的功率P3与入射端口1处的功率P1之间的比率，C0是BLC的耦合度，Z0r是BLC的所有端口的参考端接阻抗。对于-2dB 的耦合器，C0＝-2。假定Z0r＝30Ω，则根据以上公式可以计算得到： Z01＝18.2Ω，Z02＝22.9Ω。
在第二步骤，将常规BLC中的四分之一波长传输线替换为等效的缩短传输线，得到采用缩短传输线的BLC。图3A示出图2的常规BLC使用的四分之一波长传输线。如图3A所示，假定该四分之一波长传输线具有阻抗Zc。图3B示出与图3A的四分之一波长传输线等效的缩短传输线。如图3B所示，假定该缩短传输线具有阻抗Z和电长度θ。该缩短传输线的两端分别并联电容C到地。图3A和3B所示的传输线之间的关系可用以下公式表示：
当π/2＜θ＜π时，应该使用电感L代替电容C，即
以上公式中的ω是BLC的中心工作频率对应的角速度。
通过将图2中的四分之一波长传输线替换为与其等效的缩短传输线，可以得到图4所示的采用缩短传输线的BLC。如图4所示，图2中的具有阻抗Z01的两个四分之一波长传输线被替换为具有阻抗Z1和电长度θ1的两个传输线(其两端分别并联电容C1到地)。具有阻抗Z02的两个四分之一波长传输线被替换为具有阻抗Z2和电长度θ2的两个传输线(其两端分别并联电容C2到地)。在该说明性示例中，工作频段为2110-2170MHz，因此其中心频率f0＝2.14GHz。假定图4中的θ1＝θ2＝π/3，则根据以上公式可以计算得到：Z1＝21Ω，C1＝2.04pF，Z2＝26.5Ω，C2＝1.62pF。图4中的电容C为电容C1和电容C2并联得到的电容，因此C＝C1+C2。
在第三步骤，设计本实施例的BLC的阻抗匹配网络。图5是图1所示BLC的结构示意图。如图所示，具有阻抗Z1和电长度θ1的两个传输线是第一传输线，具有阻抗Z2和电长度θ2的两个传输线是第二传输线，具有阻抗ZT和电长度θT的四个传输线是第三传输线。通过比较图4和5可以看出，通过将图4所示的BLC中的四个电容C替换为四个第三传输线，可以得到图5所示的BLC。也就是说，图5中的第三传输线吸收了图4中的电抗(例如电容C，该电抗也可能是电感)，起到阻抗变换器的作用。该阻抗变换器将第一和第二传输线的负载阻抗Z变换为***阻抗Z0(通常为例如50Ω)。该待匹配的负载阻抗Z可以表示为：
其中Z0r是图2所示BLC的所有端口的参考端接阻抗(在本说明性示例中假定为30Ω)，ω是该BLC的中心工作频率对应的角速度，C＝C1+C2。根据以上公式可以计算得到带匹配的阻抗Z＝9.43+j13.93Ω。
如果用具有阻抗ZT和电长度θT的单个传输线来将阻抗ZS＝RS+jXS匹配到阻抗ZL＝RL+jXL，则该传输线的阻抗ZT和电长度θT可以用以下公式表示：
在本说明性示例中，需要将阻抗Z＝9.43+j13.93Ω匹配到阻抗Z0＝50Ω。因此，RS＝9.43Ω，XS＝13.93Ω，RL＝50Ω，XL＝0。根据以上公式可以计算得到：ZT＝15.25Ω，θT＝41.6°。这样，就得到了图5所示的BLC 的第三传输线的阻抗。应注意的是，阻抗匹配网络并不限于上述的单个微带线，而是也可以通过史密斯图(Smith Chart)以各种方式(例如枝节匹配)实现。
在第四步骤，计算本实施例的BLC的物理尺寸以构建其物理结构。微带线的阻抗与宽度W之间的关系可以表示如下：
以上公式中的Z0是微带线的特征阻抗，εe是微带线的有效介电常数，W′是与微带线的宽度W等相关的中间参数，h是PCB介质衬底的厚度，εr是PCB 衬底的相对介电常数，t是微带线的厚度。这样，可以利用以上公式，从第一、第二和第三传输线的阻抗计算出其宽度。另外，微带线的长度L可以表示为：
以上公式中的θ是微带线的电长度，λ是经过微带线传输的电磁信号的波长，v和f是该电磁信号的速率和频率，μ和ε是PCB衬底的磁导率和介电常数，c是电磁波在真空中的传播速度，μr是PCB衬底的相对磁导率。
在该说明性示例中，使用典型的RO4350B介质作为PCB衬底。该PCB 衬底可以从Rogers公司购得，并且具有3.66的相对介电常数(εr＝3.66) 和0.508mm的厚度(h＝0.508mm)。微带线的厚度t可以取35μm的典型值。这样，通过将这些参数以及第二和第三步骤中算得的各传输线的阻抗代入以上公式，可以计算出各传输线的长度和宽度。应注意的是，BLC的这些物理尺寸也可以采用诸如ADS(高级设计***)和AWR(应用波研究) 之类的仿真工具进行计算。
在第五步骤，执行全波电磁仿真和优化。根据通过上述第一至第四步骤获得的初始尺寸，可以利用CAD(计算机辅助设计)工具构造出BLC 的物理结构。可以使用HFSS(高频结构仿真器)实现仿真和优化，其中 HFSS是Ansoft公司开发的全波电磁求解器。下面的表1示出仿真得到的 BLC的最终优化尺寸。
| 参数 | W<sub>0</sub> | W<sub>1</sub> | L<sub>1</sub> | W<sub>2</sub> | L<sub>2</sub> | W | L |
| 单位(mm) | 1.07 | 3.4 | 12.9 | 2.7 | 12.6 | 5.35 | 8.8 |
表1仿真得到的BLC的尺寸
另外，还在HFSS中仿真了该BLC的响应曲线。图6A示出仿真得到的S11和S41曲线。参数S11表示回波损耗，参数S41表示隔离度。如图所示，在所仿真的工作频段2110-2170MHz内，回波损耗至少为-24.5dB，隔离度至少为-23dB。图6B示出仿真得到的S21和S31的幅度响应曲线。参数S21表示正向传输系数，参数S31表示耦合度。如图所示，在所仿真的工作频段2110-2170MHz内，耦合度在-2.2335dB至-2.2679之间变化，接近目标耦合度-2dB。图6C示出仿真得到的S21和S31的相位响应曲线。如图所示，在所仿真的工作频段的中心频率2.14GHz处，直通端和耦合端的输出信号之间的相位差为90度。因此，图6A至6C的仿真结果与理论设计吻合良好，表明本实施例的BLC能够工作且具有良好的性能。
另外，本实用新型还提供了一种包含上文描述的实施例的BLC的射频微波设备。例如，该射频微波设备可以是天线阵列、射频拉远单元(RRH)、功率分配设备、功率合成设备等。特别地，上文描述的实施例的BLC可以很好地应用于第五代移动通信技术(5G)大规模多输入多输出(massive MIMO)设备中进行功率分配和合成。由于这些射频微波设备的其他配置对于本领域技术人员而言是熟知的，因此其细节在这里将不再赘述。
除非另外定义，否则在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本实用新型主题所属领域的技术人员所通常理解的相同含义。进一步应理解的是，在通常使用的词典中定义的那些术语应解释为具有与说明书上下文和相关技术中它们的含义一致的含义，并且将不以过于理想化的形式来解释，除非在此另外明确定义。如在此所使用的，将两个或更多部分“连接”到一起的陈述应指将这些部分直接结合到一起或通过一个或多个中间部件结合。
应注意的是，在本文中使用术语“说明性”之处，特别是当其位于一组术语之后时，所述“说明性”仅仅是示例性的和阐述性的，而不应当被认为是独占性的。本实用新型的各个方面可以单独或者与一个或多个其它方面组合实施。另外，本文中描述的实施例旨在仅用于说明的目的，而并非旨在限制本实用新型的范围。
本公开包括本文中明确地或者以其任何一般化形式公开的任何新颖特征或特征组合。当结合附图阅读时，鉴于上述描述，对本公开的上述实施例的各种修改和适配对于相关领域中的技术人员来说会变得明显。然而，任何和所有修改仍将落入本公开的非限制性和示例性实施例的范围内。
Claims (9)
1.一种分支线耦合器，包括：
相对设置的两个第一传输线和相对设置的两个第二传输线，该四个传输线在四个连接点处首尾依次相连构成环形，每个第一传输线的长度和每个第二传输线的长度均小于所述分支线耦合器的工作波长的四分之一；
其特征在于，所述分支线耦合器还包括：
分别设置于所述四个连接点处的四个第三传输线，每个第三传输线的一端与一个连接点相连，且每个第三传输线配置成进行阻抗变换使得该第三传输线的另一端处的端接阻抗为***阻抗。
2.根据权利要求1所述的分支线耦合器，其特征在于，每个第三传输线的长度小于所述分支线耦合器的工作波长的四分之一。
3.根据权利要求1所述的分支线耦合器，其特征在于，每个第三传输线的宽度不同于每个第一传输线的宽度和每个第二传输线的宽度。
4.根据权利要求1所述的分支线耦合器，其特征在于，每个第一传输线、每个第二传输线和每个第三传输线均为微带线或带状线。
5.根据权利要求1所述的分支线耦合器，其特征在于，所述环形为下述之一：
矩形环；
椭圆环；以及
圆环。
6.根据权利要求1所述的分支线耦合器，其特征在于，所述分支线耦合器被设置在印制电路板上或单片微波集成电路中。
7.根据权利要求1所述的分支线耦合器，其特征在于，所述分支线耦合器被配置为具有-1到-20dB的耦合度。
8.一种射频微波设备，其特征在于，包括根据权利要求1至7中任一项所述的分支线耦合器。
9.根据权利要求8所述的射频微波设备，其特征在于，所述射频微波设备为下述之一：
天线阵列；
射频拉远单元；
功率分配设备；以及
功率合成设备。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201821248015.XU CN208608341U (zh) | 2018-08-03 | 2018-08-03 | 分支线耦合器及射频微波设备 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201821248015.XU CN208608341U (zh) | 2018-08-03 | 2018-08-03 | 分支线耦合器及射频微波设备 |
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|---|---|
| CN208608341U true CN208608341U (zh) | 2019-03-15 |
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Family Applications (1)
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| CN201821248015.XU Active CN208608341U (zh) | 2018-08-03 | 2018-08-03 | 分支线耦合器及射频微波设备 |
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|---|---|
| CN (1) | CN208608341U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114497962A (zh) * | 2021-12-22 | 2022-05-13 | 中国电子科技集团公司第二十九研究所 | 一种宽带阻抗匹配定向耦合器的设计方法 |
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2018
- 2018-08-03 CN CN201821248015.XU patent/CN208608341U/zh active Active
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114497962A (zh) * | 2021-12-22 | 2022-05-13 | 中国电子科技集团公司第二十九研究所 | 一种宽带阻抗匹配定向耦合器的设计方法 |
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