專利名稱：寬帶集總參數(shù)90度定向耦合器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于阻抗網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域。
定向耦合器是微波技術(shù)中應(yīng)用最廣泛的無源器件之一。在微波波段，90°(正交型)的定向耦合器一般采用單節(jié)或多節(jié)四分之一波長的平行耦合線結(jié)構(gòu)的形式。通常稱之為分布參數(shù)的定向耦合器。其中單節(jié)的定向耦合器一般有一個倍頻程的帶寬。多節(jié)的形式可以獲得更寬的頻帶。但是分布參數(shù)的定向耦合器的尺寸與頻率有關(guān)，當(dāng)用于較低頻率(例如幾十兆到幾百兆赫茲)耦合器的尺寸顯得過大。
采用集總參數(shù)的元件可以大大縮小耦合器的尺寸并且易于制作成為集成電路模塊。文獻(xiàn)Chen Y.Ho“Design of Lumped Quadrature Couplers”，Mlcrowave J.，Sept.，1979.，pp.67－70中給出了一種由電感電容元件組成的90°定向耦合器。但這種電路只能提供很窄的頻帶寬度(小于10％)，因而大大限制了它的應(yīng)用。如何使集總參數(shù)的90°定向耦合器的頻帶展寬是非常有意義的。
本實(shí)用新型的目的是設(shè)計(jì)一種能夠接近或具有倍頻程帶寬的集總參數(shù)90°(正交型)定向耦合器。
為了有利于說明本實(shí)用新型的實(shí)施，先給出
圖1 寬帶集總參數(shù)90°定向耦合器電原理圖圖2 圖1的定向耦合器的奇模等效電路圖3 圖1的定向耦合器的偶模等效電路圖4 圖1的定向耦合器的裝配圖本實(shí)用新型的實(shí)施方案如附圖1所示。它是由6個電容與1個非理想變壓器所組成的四端口器件。附圖1中，元件(1)，(2)，(3)，(4)為四個輸入輸出端子，它們分別與地構(gòu)成定向耦合器的四個端口。任何一個端口都可以作為輸入端口。在它對角上的端口為隔離端口。另外兩個端口為耦合器的輸出端口，其中一個稱為直通端口，另一個稱為耦合端口。例如，以端口1作為輸入，則端口3為隔離端口，端口2為直通端口，端口4為耦合端口。
附圖1中的(5)－(10)為電容元件，其中(5)，(6)的容值為Co，它們分別跨接在端子(1)和(4)，(2)和(3)之上。(7)，(8)，(9)，(10)的容值為C1，分別跨接在四個端子與地之間。
附圖1中元件(11)為一個非理想的變壓器。所謂非理想變壓器是指一種雙繞線圈，這里我們選擇兩個繞組的匝數(shù)相同，它具有自感L和互感M，且L＞M。附圖1中黑點(diǎn)表示同名端。
電容Co與C1，變壓器自感L互感M將隨中心頻率、帶寬以及耦合度的要求而確定。
這種網(wǎng)絡(luò)在結(jié)構(gòu)上有兩個對稱面。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)理論，如果網(wǎng)絡(luò)全匹配，則此四端口網(wǎng)絡(luò)一定具有定向性，且必為90°正交型定向耦合器。
又根據(jù)微波網(wǎng)絡(luò)理論，單節(jié)的平行線形式的90°定向耦合器的帶寬具有較寬的頻帶(約一個倍頻程)。用奇偶模理論來分析得知它的奇模與偶模電路均為一段在中心頻率上為四分之一波長的傳輸線段(相當(dāng)于90°移相)這兩個線段的特性阻抗分別稱為奇模阻抗與偶模阻抗。那么用本發(fā)明的電路可以模仿這樣的分布參數(shù)定向耦合器。附圖1的電路可以由附圖2和附圖3分別表示它的奇模與偶模電路。它們均為一個集總元件的π形網(wǎng)絡(luò)。選擇好集總元件參數(shù)值，此π形網(wǎng)絡(luò)可以等效為具有一定特性阻抗的90°移相器。如果選擇好元件參數(shù)，使得附圖2和附圖3的π形網(wǎng)絡(luò)其特性阻抗分別與上述單節(jié)平行線耦合器奇模阻抗和偶模阻抗相同，這樣，附圖1的電路就可以近似看成分布參數(shù)的平行線定向耦合器，且具有類似的(稍小于)帶寬。
采用對元件值優(yōu)化的辦法可以使頻帶更寬(到一個倍頻程)。圖2的奇模電路，其中(12)為非理想變壓器(11)自感L和互感M之差，即Lo＝L－M，(13)，(16)均等于2Co，(14)，(15)均等于C1。圖3所示的偶模電路，其中(17)為非理想變壓器(11)的自感L和互感M之和，即Le＝L＋M，(18)，(19)均等于C1。
奇模與偶模電路的A參數(shù)矩陣分別為
由此可以得到奇模與偶模電路的反射系數(shù)與傳輸系數(shù)Γo＝( (A11＋A12／ZO－A21－A22)/(A11＋A12／ZO－A21＋A22) )oddTo＝( 2/(A11＋A12／ZO＋A12＋A22) )oddΓe＝( (A11＋A12／ZO－A21－A22)/(A11＋A12／ZO＋A21＋A22) )evenTe＝( 2/(A11＋A12／ZO＋A21＋A22) )even由網(wǎng)絡(luò)理論可以得到定向耦合器的S參數(shù)s11＝(Γe＋Γo)／2s21＝(Γe－Γo)／2s31＝(Γe－Γo)／2s41＝(Γe＋Γo)／2將元件Co，C1和變壓器的L，M(或Lo，Le)作為優(yōu)化變量，對如下的目標(biāo)值在給定的頻帶內(nèi)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)s11＝0s31＝0s21＝
s41＝K這種定向耦合器可以設(shè)計(jì)成具有一個倍頻程或者更窄的頻帶。上式中K為耦合度，用分貝表示C(dB)＝201og k原則上講，此定向耦合器可以設(shè)計(jì)成任意耦合度的。對于強(qiáng)耦合，例如3dB甚至3dB以內(nèi)，也較容易實(shí)現(xiàn)。
本實(shí)用新型具有優(yōu)良的效果。它采用了集總元件構(gòu)成了具有倍頻程帶寬的90°定向耦合器，大大縮小了此類器件用在微波頻率低端時的體積，且易于集成化生產(chǎn)?？蓮V泛用于雷達(dá)、通訊、測量和電子偵察等技術(shù)領(lǐng)域。
實(shí)施例1制作出100－200MHz的3dB90°定向耦合器試驗(yàn)樣品。元件參數(shù)選擇為L＝76mμHM＝56mμHCo＝5.6pFC1＝18pF測量結(jié)果為直通－3.5dB±1dB耦合－3.5dB±1dB隔離＞15dB反射衰減＞15dB實(shí)施例2制作出200－400MHz的3dB90°定向耦合器試驗(yàn)樣品。元件參數(shù)選擇為L＝38mμHM＝28mμHCo＝2.7pFC1＝9.6pF測量結(jié)果為直通－3.1dB±0.5dB耦合－3.1dB±0.5dB隔離＞15dB反射衰減＞15dB
權(quán)利要求1.一種寬帶集總參數(shù)90°定向耦合器，其特征在于它是由6個電容器和1個非理想變壓器組成的四端口器件，端子(1)(2)(3)(4)分別與地構(gòu)成其四個端口，電容器(7)(8)(9)(10)其一端分別與對應(yīng)的端子(1)(2)(4)(3)相連，電容器(5)(6)分別跨接在端子(1)(4)和(2)(3)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于其電容器(5)(6)具有相同的電容值Co，電容器(7)(8)(9)(10)具有相同的電容值C1，Co，C1值由優(yōu)化設(shè)計(jì)確定。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于其非理想變壓器(11)的變比n＝1并具有自感L和互感M且L＞M，L與M值由優(yōu)化設(shè)計(jì)確定。
專利摘要本實(shí)用新型屬于阻抗網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域。本實(shí)用新型針對目前集總參數(shù)90°定向耦合器的頻帶很窄的問題，利用奇偶模理論，提出了一種新型的電路。優(yōu)化設(shè)計(jì)此電路中的元件參數(shù)，可以制成具有近倍頻程帶寬的集總參數(shù)90°定向耦合器。這種電路僅由一個非理想變壓器和六個電容器組成，其結(jié)構(gòu)簡單而又緊湊，易于集成化和批量生產(chǎn)?？蓮V泛用于雷達(dá)、通訊、測量和電子偵察等技術(shù)領(lǐng)域。
文檔編號H03H7/00GK2123145SQ9122927
公開日1992年11月25日 申請日期1991年11月29日 優(yōu)先權(quán)日1991年11月29日
發(fā)明者周強(qiáng) 申請人:機(jī)械電子工業(yè)部石家莊第五十四研究所, 北京理工大學(xué)