基于双面平行带线的小型化双频混合环

摘要

一种射频微波技术领域的基于双面平行带线的小型化双频混合环，由介质基板及两组镜像对称设置于介质基板上下表面的带线组合组成，每组带线组合包括：四组对应的馈线、开路短截线以及阶梯阻抗结构，其中：四组开路短截线分别设置于介质基板上，四组阶梯阻抗结构环绕设置于四组开路短截线外部，四组馈线分别设置于阶梯阻抗结构的外围。本发明采用由双面平行带线实现的反相器实现电路的小型化。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种射频微波技术领域的装置，具体是一种基于双面平行带线的小型化双 频混合环。

背景技术

随着通信技术的发展，越来越多的系统同时工作在两个频段上，例如2.45/5.2GHz的无线 局域网(WLAN)和0.90/1.80GHz的全球移动通讯系统(GSM)。混合环耦合器是一种用于 射频微波功率分配与合成的四端口电路。用于功率分配时，它可输出两个等幅同相或反相的信 号；用于功率合成时，则可给出一个和信号(∑)、一个差信号(Δ)。混合环耦合器常用于功率 放大器、混频器和多天线馈电网络中，是射频前端关键无源元件之一。为同时满足通信系统双 频工作、高密度集成、低成本的要求，混合环耦合器也应具备较灵活的双频工作能力且小型化。 而传统混合环耦合器(Conventional Rat-race Coupler)由三个λ/4和一个3λ/4的分支线(Branch  Line)构成，周长和面积都较大，而且其只适合于两个频率满足奇数倍关系(即f₂＝3f₁，5f₁，...) 的情况。因此，研发出新型小型化双频混合环耦合器方可解决传统混合环遇到的技术挑战。

经过对现有技术的检索发现，美国专利文献号US2009/0289737A1《基于超材料的紧凑双 频混合环耦合器(Compact Dual-Band Metamaterial-Based Hybrid Ring Coupler)》以基于超 材料的复合左右手(Composite Right-/Left-Handed)延迟线取代传统混合环中的传输线，可实 现正负可控且随频率非线性变化的相移，从而实现任意双频特性及小型化；但其各段分支线电 长度仍限定在±90°，混合环面积缩小约一半，工作频率较低时仍占据较大面积，需要使用额外 的表贴元件。

美国专利文献号US2010/0371313A1《双频耦合器单元及相关耦合器和接收器(Dual-Band  Coupler Unit and Dual-Band Coupler Thereof and Receiver Thereof)》基于平行耦合线提出了 一种双频混合环结构；由于采用的微带C型节中平行耦合线难以实现紧耦合，致使整个C型 节尺寸较大，且其中较长的平行耦合线无法弯折，整体电路尺寸也较大。

此外，Cheng，K.-K.M.等在IEEE Microw.Wireless Compon.Lett.期刊上发表的《一款新 颖双频混合环设计(A Novel Rat-Race Coupler Design for Dual Band Application)》一文通过 在传统混合环基础上加入两条短路短截线设计了一款双频微带混合环；由于该混合环中的一条 分支线过长，该结构的尺寸仍较大。Hsu，C.-L.等在IEEE Trans.Microw.Theory Tech.期刊上 发表的《任意功分比小型化双频混合环(Miniaturized Dual-Band Hybrid Couplers With  Arbitrary Power Division Ratios)》利用两端带有开路短截线的阶梯阻抗结构(Stepped  Impedance Structure)设计了三款2.45/5.2GHz混合环；由于其采用的微带线难以实现很高的 特性阻抗，小型化程度受到一定限制。Zhang，H.等在IET Microw.Antennas Propag.期刊上发 表的《双频混合环设计(Design of Dual-band Rat-Race Couplers)》中提出了用T型线来设计 两个频带中心频率比值小于3的双频混合环；由于该混合环中的一条T型线尺寸过长，该结构 尺寸仍较大。Chin，K.-S.等在IEEE Trans.Microw.Theory Tech.期刊上发表的《带有阶梯阻 抗短截线的紧凑双频分支线和混合环耦合器(Compact Dual-Band Branch-Line and Rat-Race  Couplers With Stepped-Impedance-Stub Lines)》一文通过加载阶梯阻抗短截线设计了一款双频 混合环；该结构中仍含有一条较长的类似于传统混合环中3λ/4的分支线，其尺寸仍较大。上述 双频混合环均未结合反相器(Phase Inverter)设计，小型化程度较为有限。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于双面平行带线的小型化双频混合环， 结合由双面平行带线实现的反相器实现电路的小型化。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明由介质基板及两组镜像对称设置于介质基板上 下表面的带线组合组成，每组带线组合包括：四组对应的馈线、开路短截线以及阶梯阻抗结构， 其中：四组开路短截线分别设置于介质基板上，四组阶梯阻抗结构环绕设置于四组开路短截线 外部，四组馈线分别设置于阶梯阻抗结构的外围。

所述的馈线为50Ω的双面平行带线馈线，用于与标准的SMA接头连接。

所述的开路短截线首部分别与阶梯阻抗结构相连，尾部位于四组阶梯阻抗结构组成的环形 内部。

所述的四组阶梯阻抗结构具体为：由一个第一双面平行带线和两个第二双面平行带线组成 的第一阶梯阻抗结构、第二阶梯阻抗结构和第三阶梯阻抗结构，以及由两组对应的第三双面平 行带线、第四双面平行带线和双面平行带线反相器组成的第四阶梯阻抗结构。其中：第一和第 三双面平行带线的特征阻抗分别低于第二和第四双面平行带线。

所述的第二双面平行带线分别位于第一双面平行带线的两端并与之相连。

所述的第四阶梯阻抗结构中：第四双面平行带线、第三双面平行带线和双面平行带线反相 器依次连接，其中：两组对应第三双面平行带线和双面平行带线反相器互为中心对称设置。

所述的双面平行带线反相器由两个带有金属通孔的阶梯带线组成，其中：金属通孔位于阶 梯带线内，金属通孔贯穿带线组合及介质基板。

本发明通过以下方式进行工作：每条开路短截线可分解为两条并联的开路短截线，因此， 该混合环实质上是由四个由阶梯阻抗结构和位于该阶梯阻抗结构两端的两条开路短截线构成 的双频段阻抗变换器组成。在去掉第四阶梯阻抗结构中的双面平行带线反相器所引起的180° 附加相移后，如果这四个双频段阻抗变换器在低的工作频点上所等效的传输线的特征阻抗和电 长度(该电长度小于90°)分别相等且在高的工作频点上所等效的传输线的特征阻抗和电长度 (该电长度与低的工作频点上所等效的传输线的电长度之比不必等于相应的设计频率之比)也 分别相等，则该混合环便同时实现了小型化和在所需频点上的双频段工作。

与现有的技术相比，本发明的优点在于：1.采用双面印刷电路板结构，便于加工；2.采 用双面平行带线，易于实现高阻抗线、反相器和较高的功率容量；3.尺寸小；4.双频工作。

附图说明

图1所示为本发明的整体结构示意图。

图2所示为实施例基于双面平行带线的小型化0.9/1.8GHz混合环的顶层图。

图3所示为实施例基于双面平行带线的小型化0.9/1.8GHz混合环的底层图。

图4所示为实施例基于双面平行带线的小型化0.9/1.8GHz混合环的仿真和测试结果图；

其中：图4a为同相输出幅度响应图，图4b为反相输出幅度响应图，图4c为相位响应图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给 出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1-图3所示，本实施例为基于双面平行带线的小型化0.9/1.8GHz混合环，由介质基 板1及两组镜像对称设置于介质基板1上下表面的带线组合2组成，每组带线组合2包括：四 组对应的馈线3、4、5、6、开路短截线7、8、9、10以及阶梯阻抗结构11、12、13、14，其 中：四组开路短截线7、8、9、10分别设置于介质基板1的对角线位置，四组阶梯阻抗结构11、 12、13、14环绕设置于四组开路短截线7、8、9、10外部，四组馈线3、4、5、6分别设置于 阶梯阻抗结构的外围。

所述的介质基板1的相对介电常数为2.65，厚度为0.8mm，双面覆铜层厚度均为35μm。

所述的馈线3、4、5、6为50Ω的双面平行带线馈线，用于与标准的SMA接头连接。

所述的开路短截线7、8、9、10中：

第一开路短截线7的首部分别与第一阶梯阻抗结构11和第二阶梯阻抗结构12相连；

第二开路短截线8的首部分别与第二阶梯阻抗结构12和第三阶梯阻抗结构13相连；

第三开路短截线9的首部分别与第三阶梯阻抗结构13和第四阶梯阻抗结构14相连；

第四开路短截线10的首部分别与第四阶梯阻抗结构14和第一阶梯阻抗结构11相连。

所述的开路短截线7、8、9、10的尾部位于四组阶梯阻抗结构组成的环形内部。

所述的开路短截线7、8、9、10为J字形结构，由长度为4.52mm的第一折线15、宽度为 1.02mm的第一90°弯折角16、长度为1.82mm的第二折线17、宽度为1.02mm的第二90°弯 折角18以及长度为12.5mm的第三段折线19串联组成，其总长度为18.84mm，折线宽度均 为1.02mm。

所述的四组开路短截线7、8、9、10中，任一开路短截线与相邻开路短截线构成径向对称 设置。

所述的四组阶梯阻抗结构11、12、13、14具体为：三个相同结构且均由一个呈矩形的第 一双面平行带线20和两个呈条形的第二双面平行带线21组成的阶梯阻抗结构11、12、13以 及由两组对应的呈矩形的第三双面平行带线22、呈条形的第四双面平行带线23和双面平行带 线反相器24组成的第四阶梯阻抗结构14。

所述的第二双面平行带线21分别位于第一双面平行带线20的两端并与之相连。

所述的第一双面平行带线20的宽度为3.75mm，长度为11.32mm；所述的第二双面平行 带线21的宽度为0.79mm，长度为6.10mm。

所述的第四阶梯阻抗结构14中：第四双面平行带线23、第三双面平行带线22和双面平行 带线反相器24依次连接，其中：两组对应第三双面平行带线22和双面平行带线反相器24互 为中心对称设置。

所述的第三双面平行带线22的宽度为3.75mm，长度为5.66mm；所述的第四双面平行带 线23的宽度为0.79mm，长度为6.10mm。

所述的双面平行带线反相器24由两个带有金属通孔25的阶梯带线26组成，其中：金属 通孔25位于阶梯带线26中，金属通孔25贯穿带线组合2及介质基板1。

所述的金属通孔25的直径为0.60mm。

所述的阶梯带线26是由宽度为1.8mm、长度为0.2mm的第一带线27和宽度为0.80mm、 长度为1.00mm的第二带线28串联组成。

同一带线组合2中的双面平行带线反相器24内的两个第二带线28之间的空隙的宽度为 0.20mm。

双面平行带线反相器24的两个金属通孔25的圆心的间距是1.00mm。

本实施例(不包括馈线)的尺寸为24.31×25.91mm²。本实施例双频混合环的尺寸显著减 小，在第一个工作频点(即0.9GHz)上，其总电长度仅为158.0°，即其总周长为0.44λ(λ是 频率为0.9GHz时的导波波长)。另外，在第一个工作频点(即0.9GHz)上，若按总电长度的 平方比来计算混合环的面积比，则本实施例双频混合环面积仅为传统混合环的8.56％。本实施 例测试和仿真曲线如图4所示。此外，该双频混合环结构比较简单，容易加工，成本较低。