几种新型平衡微带耦合器的设计

摘要

为适应微波通信系统的快速发展，无源器件趋向于小型化和多频带工作。同时多种无线通信标准的应用，使得有限的频谱资源愈发拥挤不堪，噪声的干扰制约了信号处理所能识别的最小电平。在此环境下，需要射频微波电路具有更高的可靠性和抗干扰能力。作为微波通信系统中重要的器件，耦合器在平衡混频器、移相器和开关等集成电路和天线馈电网络的设计中都得到了广泛应用。对此，平衡耦合器得到了迅速发展。与传统的单端口耦合器相比较，平衡耦合器有效抑制了共模信号，使得系统免受环境噪声的干扰，且具有更紧凑的结构，能减少信号传输的插入损耗。 根据上述背景，论文首先介绍了近年来单端口耦合器及平衡微波无源器件的发展状况。在此基础上，针对平衡微带耦合器展开研究，设计了两款单频平衡微带定向耦合器，提出了一款新型双频平衡微带定向耦合器，最后设计了两款0dB平衡耦合器(过桥)。论文的研究成果可以总结为以下几个方面： 1.提出了两款单频平衡微带定向耦合器。在传统3dB微带定向耦合器的基础上，通过平衡端口网络理论及奇偶模法分析法，设计了工作在1.98GHz的3dB平衡微带定向耦合器，实现了在工作频段内差模信号良好传输，共模信号抑制，且差模与共模信号之间无明显转换的特性。在此基础上，设计了一款工作在2.15GHz，功率分配比为1.5的平衡微带耦合器，采用双T枝节进行传输线等效替代，该耦合器在工作频段内差模回波损耗优于15dB，输出端口传输系数相差3.52dB，实现了良好的差模信号传输，共模信号抑制特性。最后根据仿真的最优结果进行了实物加工并测试，该耦合器的实际测试结果与仿真结果基本吻合，耦合器性能良好，达到了设计要求。 2.提出了双频平衡微带定向耦合器。在单频平衡耦合器的基础上，采用E型双频阻抗变换器等效替代传统的四分之一波长传输线，提出了一款新型的双频平衡微带定向耦合器。该双频耦合器工作频率为0.92GHz和2.04GHz，在中心频率处差模回波损耗大于15dB，最小插损分别为0.4dB和1.35dB，共模抑制高于20dB，性能良好。最后根据仿真结果进行了实物加工，测试和仿真结果的一致性验证了理论分析的正确性。 3.设计了两款0dB平衡微带耦合器(过桥)。首先提出了工作频率为2.25GHz的单频0dB平衡耦合器，采用双节分支线结构，基于平衡端口理论计算出各段传输线阻抗值，然后进行仿真设计，仿真结果表明该耦合器差模信号交叉传输，其余端口间信号相互隔离，共模信号抑制。利用仿真结果加工了实物并进行了测试，实测与仿真结果基本吻合。在此基础上，进一步采用Π型双频阻抗变换器代替四分之一波长传输线，提出了新型双频0dB平衡耦合器，计算分析得到其工程可实现频率比为N∈(0.43,0.66)∪(1.51,2.31)，最后设计了工作频率为0.5GHz和0.8GHz，频率比为1.6的双频平衡0dB耦合器，实现了在双频段内差模信号交叉传输，共模信号抑制的特性。

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