一种耦合度调节范围大且具有可重构响应的横跨定向耦合器

摘要

本发明公开了一种耦合度调节范围大且具有可重构响应的横跨定向耦合器，其特征在于包括介质基板；所述介质基板上设置有平行耦合微带线、跨接电容、能够调节所述横跨定向耦合器耦合度的第一耦合度调节电路和第二耦合度调节电路、变容二极管、用于给所述变容二极管提供反向偏置电压的偏置电压生成电路、以及与所述平行耦合微带线两端相连接的4个输入/输出部；本发明能够实现耦合度任意重构和调节，且具有可重构为过桥电路的性能。

说明书

技术领域

本发明属于电子技术领域，涉及一种微波器件，具体为一种耦合度调节范围大且具有可重构响应的横跨定向耦合器。

背景技术

定向耦合器是在特定的频率范围内将输入信号功率按照特定比例分成两个输出信号的四端口微波器件，其主要功能有信号功率分配/合成、功率取样/检测、以及天线阵的馈电等。定向耦合器已经被广泛应用到混频器、滤波器、平衡功率放大器、移相器和天线阵系统等微波电路中。随着现代通信系统多标准前端的发展，要求定向耦合器具有频率可重构、耦合度可重构和相位可重构的功能。能够实现耦合度可重构的耦合器在天线阵系统中具有很重要的应用。通过给单元天线不同的幅度加权，可以在低损耗的情况下重构多波束天线的辐射方向性图，但是，现有技术中的耦合度可重构定向耦合器的耦合度调节范围相对较小。

过桥电路是一种四端口射频设备，通过使用过桥电路可以避免在两条射频微带线相互交叉时出现非平面电路结构。上述过桥电路在平面集成电路中应用十分广泛。但是，现有技术中的大部分过桥电路需要基于过孔技术，其损耗较大，加工较复杂。

发明内容

本发明针对以上问题的提出，而研制一种耦合度调节范围大且具有可重构响应的横跨定向耦合器。

本发明的技术手段如下：

一种耦合度调节范围大且具有可重构响应的横跨定向耦合器，其特征在于包括介质基板；所述介质基板上设置有平行耦合微带线、跨接电容、能够调节所述横跨定向耦合器耦合度的第一耦合度调节电路和第二耦合度调节电路、变容二极管、用于给所述变容二极管提供反向偏置电压的偏置电压生成电路、以及与所述平行耦合微带线两端相连接的4个输入/输出部；所述平行耦合微带线包括相互平行的第一微带线和第二微带线；所述跨接电容和所述变容二极管均置于所述第一微带线和所述第二微带线之间；所述第一耦合度调节电路与第一微带线相连接；所述第二耦合度调节电路与第二微带线相连接；所述第一耦合度调节电路至少包括一耦合度调节支路，该耦合度调节支路包括开关二极管、调节电感、第一偏置电阻和第一隔直电容；所述开关二极管阴极经由所述调节电感连接所述第一偏置电阻一端和所述第一隔直电容一端；所述第一偏置电阻另一端与能够连接供电电压负极的第一连接部相连接；所述第一隔直电容另一端接地；所述开关二极管阳极与能够连接供电电压正极的第二连接部相连接；所述第二耦合度调节电路的结构与所述第一耦合度调节电路相对称；

当不给所述第一耦合度调节电路和第二耦合度调节电路供电时，通过调整所述变容二极管的电容值使得所述横跨定向耦合器重构为过桥电路；当给所述第一耦合度调节电路和第二耦合度调节电路供电时，通过切换被施加供电电压的耦合度调节支路或改变被施加供电电压的耦合度调节支路所包括的调节电感的电感值，并同时调整所述变容二极管的电容值来调节所述横跨定向耦合器的耦合度；

进一步地，通过改变所述偏置电压生成电路输出的偏置电压值来调整所述变容二极管的电容值；

进一步地，所述偏置电压生成电路包括连接外部供电电源的第三连接部、第二偏置电阻、第三偏置电阻和旁路电容；所述第二偏置电阻一端连接所述第三连接部，另一端连接第一微带线；所述第三偏置电阻一端连接第二微带线，另一端接地；所述旁路电容一端连接所述第三连接部，另一端接地；

进一步地，所述开关二极管阳极与第二连接部之间还串接有第一扼流电感；所述开关二极管阳极通过第二隔直电容连接第一微带线；

进一步地，所述跨接电容有2个，分别置于所述平行耦合微带线的两端，且容值相等；所述变容二极管置于所述平行耦合微带线的中部；

进一步地，所述输入/输出部包括依次串联的第一输入/输出微带线、第三隔直电容和第二输入/输出微带线；

进一步地，当所述第一耦合度调节电路和第二耦合度调节电路所分别包括的耦合度调节支路的数量大于1个时，通过控制各耦合度调节支路的第一连接部是否连接供电电压负极和/或第二连接部是否连接供电电压正极来实现各耦合器调节支路的切换；

进一步地，当所述第一耦合度调节电路和第二耦合度调节电路所分别包括的耦合度调节支路的数量大于1个时，各耦合度调节支路所包括的调节电感的电感值不同，不同耦合度调节支路被施加供电电压时，所述偏置电压生成电路输出不同的偏置电压值；

进一步地，所述横跨定向耦合器的耦合度

其中：>Zce为所述平行耦合微带线的偶模阻抗值、Z0为50欧姆、θ为所述平行耦合微带线的电长度、k为所述横跨定向耦合器的耦合度、f为所述横跨定向耦合器的中心频率、L为被施加供电电压的耦合度调节支路所包括的调节电感的电感值、Z_ee和Z_eo为中间变量；

进一步地，所述变容二极管的电容值

其中：>Z_ce为所述平行耦合微带线的偶模阻抗值、Z_co为所述平行耦合微带线的奇模阻抗值、Z₀为50欧姆、θ为所述平行耦合微带线的电长度、f为所述横跨定向耦合器的中心频率、L为被施加供电电压的耦合度调节支路所包括的调节电感的电感值、C为所述变容二极管的电容值、C_k为所述跨接电容的电容值、m₂和m₁为中间变量。

由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种耦合度调节范围大且具有可重构响应的横跨定向耦合器，能够实现耦合度任意重构和调节，且具有可重构为过桥电路的性能、结构简单、低成本、易加工集成，适于广泛推广。

附图说明

图1是本发明所述横跨定向耦合器的结构示意图；

图2是本发明所述横跨定向耦合器耦合度随调节电感的电感值不同的测试曲线图；

图3是本发明所述横跨定向耦合器回波损耗随调节电感的电感值不同的测试曲线图；

图4是本发明所述横跨定向耦合器隔离度随调节电感的电感值不同的测试曲线图。

图中：1、介质基板，2、平行耦合微带线，3、跨接电容，4、变容二极管，5、偏置电压生成电路，7、输入/输出端口，8、耦合度调节支路，9、第一连接部，10、第二连接部，11、第三连接部，21、第一微带线，22、第二微带线，61、第一输入/输出微带线，62、第三隔直电容，63、第二输入/输出微带线。

具体实施方式

如图1所示的一种耦合度调节范围大且具有可重构响应的横跨定向耦合器，其特征在于包括介质基板1；所述介质基板1上设置有平行耦合微带线2、跨接电容3、能够调节所述横跨定向耦合器耦合度的第一耦合度调节电路和第二耦合度调节电路、变容二极管4、用于给所述变容二极管4提供反向偏置电压的偏置电压生成电路5、以及与所述平行耦合微带线2两端相连接的4个输入/输出部；所述平行耦合微带线2包括相互平行的第一微带线21和第二微带线22；所述跨接电容3和所述变容二极管4均置于所述第一微带线21和所述第二微带线22之间；所述第一耦合度调节电路与第一微带线21相连接；所述第二耦合度调节电路与第二微带线22相连接；所述第一耦合度调节电路至少包括一耦合度调节支路8，该耦合度调节支路8包括开关二极管、调节电感、第一偏置电阻和第一隔直电容；所述开关二极管阴极经由所述调节电感连接所述第一偏置电阻一端和所述第一隔直电容一端；所述第一偏置电阻另一端与能够连接供电电压负极的第一连接部9相连接；所述第一隔直电容另一端接地；所述开关二极管阳极与能够连接供电电压正极的第二连接部10相连接；所述第二耦合度调节电路的结构与所述第一耦合度调节电路相对称；当不给所述第一耦合度调节电路和第二耦合度调节电路供电时，通过调整所述变容二极管4的电容值使得所述横跨定向耦合器重构为过桥电路；当给所述第一耦合度调节电路和第二耦合度调节电路供电时，通过切换被施加供电电压的耦合度调节支路8或改变被施加供电电压的耦合度调节支路8所包括的调节电感的电感值，并同时调整所述变容二极管4的电容值来调节所述横跨定向耦合器的耦合度；进一步地，通过改变所述偏置电压生成电路5输出的偏置电压值来调整所述变容二极管4的电容值；进一步地，所述偏置电压生成电路5包括连接外部供电电源的第三连接部11、第二偏置电阻、第三偏置电阻和旁路电容；所述第二偏置电阻一端连接所述第三连接部11，另一端连接第一微带线21；所述第三偏置电阻一端连接第二微带线22，另一端接地；所述旁路电容一端连接所述第三连接部11，另一端接地；进一步地，所述开关二极管阳极与第二连接部10之间还串接有第一扼流电感；所述开关二极管阳极通过第二隔直电容连接第一微带线21；进一步地，所述跨接电容3有2个，分别置于所述平行耦合微带线2的两端，且容值相等；所述变容二极管4置于所述平行耦合微带线2的中部；进一步地，所述输入/输出部包括依次串联的第一输入/输出微带线61、第三隔直电容62和第二输入/输出微带线63；进一步地，当所述第一耦合度调节电路和第二耦合度调节电路所分别包括的耦合度调节支路8的数量大于1个时，通过控制各耦合度调节支路8的第一连接部9是否连接供电电压负极和/或第二连接部10是否连接供电电压正极来实现各耦合器调节支路的切换；进一步地，当所述第一耦合度调节电路和第二耦合度调节电路所分别包括的耦合度调节支路8的数量大于1个时，各耦合度调节支路8所包括的调节电感的电感值不同，不同耦合度调节支路8被施加供电电压时，所述偏置电压生成电路5输出不同的偏置电压值；进一步地，所述横跨定向耦合器的耦合度其中：>Z_ce为所述平行耦合微带线2的偶模阻抗值、Z₀为50欧姆、θ为所述平行耦合微带线2的电长度、k为所述横跨定向耦合器的耦合度、f为所述横跨定向耦合器的中心频率、L为被施加供电电压的耦合度调节支路8所包括的调节电感的电感值、Z_ee和Z_eo为中间变量；进一步地，所述变容二极管4的电容值其中：$>m_2=\frac{4\pi fL\left(tan\right(\frac{\theta }{2})-m_1\frac{Z_{co}}{Z_0^2})}{Z_{co}+m_1\frac{Z_{co}}{Z_0^2}tan\left(\frac{\theta }{2}\right)},$>>Z_ce为所述平行耦合微带线2的偶模阻抗值、Z_co为所述平行耦合微带线2的奇模阻抗值、Z₀为50欧姆、θ为所述平行耦合微带线2的电长度、f为所述横跨定向耦合器的中心频率、L为被施加供电电压的耦合度调节支路8所包括的调节电感的电感值、C为所述变容二极管4的电容值、C_k为所述跨接电容3的电容值、m₂和m₁为中间变量。

本发明所述横跨定向耦合器的耦合度与被施加供电电压的耦合度调节支路8所包括的调节电感的电感值之间的关系可以通过公式$>\left(\begin{array}{cc}k=\frac{Z_{\mathrm{ee}}{Z}_{\mathrm{eo}}-Z_0^2}{Z_{\mathrm{ee}}{Z}_{\mathrm{eo}}+Z_0^2+Z_0(Z_{\mathrm{ee}}+Z_{\mathrm{eo}})},& Z_{\mathrm{ee}}=-j{Z}_{\mathrm{ce}}\frac{4\mathrm{\pi fL}+Z_{\mathrm{ce}}\tan \left(\frac{\theta }{2}\right)}{4\pi \mathrm{fL}\tan \left(\frac{\theta }{2}\right)-Z_{\mathrm{ce}}}\end{array}\right)$>和$>Z_{\mathrm{eo}}=j{Z}_{\mathrm{ce}}\tan \left(\frac{\theta }{2}\right)$>得出，所述变容二极管4的电容值与被施加供电电压的耦合度调节支路8所包括的调节电感的电感值之间的关系可以通过公式$>C=\frac{1-m_2}{8{\pi }^2{f}^{2}L},m_2=\frac{4\pi fL\left(tan\right(\frac{\theta }{2})-m_1\frac{Z_{co}}{Z_0^2})}{Z_{co}+m_1\frac{Z_{co}}{Z_0^2}tan\left(\frac{\theta }{2}\right)}$>和>得出，其中Z_ce为所述平行耦合微带线2的偶模阻抗值、Z₀为50欧姆、θ为所述平行耦合微带线2的电长度、k为所述横跨定向耦合器的耦合度、f为所述横跨定向耦合器的中心频率、L为被施加供电电压的耦合度调节支路8所包括的调节电感的电感值、Z_ee和Z_eo为中间变量、Z_co为所述平行耦合微带线2的奇模阻抗值、C为所述变容二极管4的电容值、C_k为所述跨接电容3的电容值、m₂和m₁为中间变量，综上上述，能够得出横跨定向耦合器的耦合度、变容二极管4的电容值、与被施加供电电压的耦合度调节支路8所包括的调节电感的电感值之间的关系，进而得出横跨定向耦合器的耦合度、偏置电压生成电路5输出的偏置电压值、与被施加供电电压的耦合度调节支路8所包括的调节电感的电感值之间的关系，变容二极管4的电容值与偏置电压生成电路5输出的偏置电压值的对应关系能够通过变容二极管4的固有特性参数得出，进一步地，将Z_ce取值为50欧姆，Z_co取值为46欧姆、C_k取值为2.44pF、θ为60度、f取值为1.6GHz，则得出横跨定向耦合器的耦合度、偏置电压生成电路5输出的偏置电压值、与被施加供电电压的耦合度调节支路8所包括的调节电感的电感值之间的关系表如表1。

表1.横跨定向耦合器的耦合度、偏置电压生成电路5输出的偏置电压值、与被施加供电电压的耦合度调节支路8所包括的调节电感的电感值之间的关系示例表。

如表1所示，本发明将第一连接部9和第二连接部10悬空，调节偏置电压生成电路5输出的偏置电压至2.94V，此时横跨定向耦合器耦合器的耦合度为无限大，信号全部通过耦合器横跨定向耦合器的直通端口传输，实现了过桥电路的响应；将第一连接部9连接供电电压负极，控制调节电感的电感值为10nH的耦合度调节支路8所对应的第二连接部10连接供电电压正极，同时调节偏置电压生成电路5输出的偏置电压至3.4V，则能够实现横跨定向耦合器耦合器12.3dB的耦合度，控制调节电感的电感值为5.6nH的耦合度调节支路8所对应的第二连接部10连接供电电压正极，同时调节偏置电压生成电路5输出的偏置电压至3.94V，则能够实现横跨定向耦合器耦合器7.8dB的耦合度，控制调节电感的电感值为2.4nH的耦合度调节支路8所对应的第二连接部10连接供电电压正极，同时调节偏置电压生成电路5输出的偏置电压至5.28V，则能够实现横跨定向耦合器耦合器3dB的耦合度。

本发明所述平行耦合微带线2的电长度为60°，所述变容二极管4跨接在平行耦合微带线2的中间位置，第一耦合度调节电路和第二耦合度调节电路结构对称，且分别加载于所述平行耦合微带线2两侧，第一隔直电容、第二隔直电容和第三隔直电容62用于阻隔直流信号，具体地，第三隔直电容62用于防止直流信号进入输入/输出端口7；第一扼流电感用于防止交流信号进入用于输出供电电压的直流电压源；所述第一隔直电容另一端接地，所述第二偏置电阻另一端接地，所述旁路电容另一端接地，具体地，可以通过过孔与地板相连接。

图2示出了本发明所述横跨定向耦合器耦合度随调节电感的电感值不同的测试曲线图，图3示出了本发明所述横跨定向耦合器回波损耗随调节电感的电感值不同的测试曲线图，图4示出了本发明所述横跨定向耦合器隔离度随调节电感的电感值不同的测试曲线图，如图2、图3和图4所示，本发明所述横跨定向耦合器的技术指标如下：

中心频率：1.6GHz

耦合度可重构范围：1.8dB～+∞；

隔离度：≥20dB

回波损耗：≥20dB

可重构响应：过桥电路

当耦合度为+∞时，该横跨定向耦合器可重构为过桥电路；所述横跨定向耦合器的耦合度受被施加供电电压的耦合度调节支路8和偏置电压生成电路5输出的偏置电压的控制，不需要重新设计电路，仅通过切换被施加供电电压的耦合度调节支路8或改变被施加供电电压的耦合度调节支路8所包括的调节电感的电感值，并同时调整所述变容二极管4的电容值来调节所述横跨定向耦合器的耦合度即可。本发明所述横跨定向耦合器能够实现耦合度任意重构和调节，且具有可重构为过桥电路的性能、结构简单、低成本、易加工集成，适于广泛推广。

图1示出了本发明所述横跨定向耦合器的结构示意图，如图1所示，其中，第一耦合度调节电路和第二耦合度调节电路均包括了3个耦合度调节支路8，但本发明第一耦合度调节电路和第二耦合度调节电路所分别包括的耦合度调节支路8的数量并不局限于3个，其数量可以根据所述横跨定向耦合器的实际耦合度需求进行调整，进而实现横跨定向耦合器的任意耦合度的重构。如图1所示，其中，D1、D2、D3、D4、D5和D6为开关二极管，L1、L2、L3、L7、L8和L9为调节电感，R1、R2、R3、R7、R8和R9为第一偏置电阻，C1、C2、C3、C7、C8和C9为第一隔直电容，R5为第二偏置电阻，R6为第三偏置电阻，C5为旁路电容，L4和L6为第一扼流电感，C4和C6为第二隔直电容；设定第一耦合度调节电路所包括的3个耦合度调节支路8分别为耦合度调节支路Ⅰ、耦合度调节支路Ⅱ、耦合度调节支路Ⅲ，其中，耦合度调节支路Ⅰ包括第一偏置电阻R1、第一隔直电容C1、调节电感L1和开关二极管D1，耦合度调节支路Ⅱ包括第一偏置电阻R2、第一隔直电容C2、调节电感L2和开关二极管D2，耦合度调节支路Ⅲ包括第一偏置电阻R3、第一隔直电容C3、调节电感L3和开关二极管D3，设定第二耦合度调节电路所包括的3个耦合度调节支路8分别为耦合度调节支路Ⅳ、耦合度调节支路Ⅴ、耦合度调节支路Ⅵ，其中，耦合度调节支路Ⅳ包括第一偏置电阻R7、第一隔直电容C7、调节电感L7和开关二极管D7，耦合度调节支路Ⅴ包括第一偏置电阻R8、第一隔直电容C8、调节电感L8和开关二极管D8，耦合度调节支路Ⅵ包括第一偏置电阻R9、第一隔直电容C9、调节电感L9和开关二极管D9，具体地，耦合度调节支路Ⅰ的结构与耦合度调节支路Ⅳ的结构相互对称，耦合度调节支路Ⅱ的结构与耦合度调节支路Ⅴ的结构相互对称，耦合度调节支路Ⅲ的结构与耦合度调节支路Ⅵ的结构相互对称。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。