一種任意阻抗變換比集總寬帶正交定向耦合器的分析方法

左勁風(fēng),　楊明武,　張祖華

(合肥工業(yè)大學(xué) 電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院,安徽 合肥　230009)

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一種任意阻抗變換比集總寬帶正交定向耦合器的分析方法

左勁風(fēng),楊明武,張祖華

(合肥工業(yè)大學(xué) 電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院,安徽 合肥230009)

摘要:文章提出了一種實(shí)現(xiàn)任意阻抗變換比的集總參數(shù)寬帶正交定向耦合器的分析及設(shè)計(jì)方法,通過(guò)定向耦合器的奇偶模分析,從鏈形散射矩陣角度出發(fā),得到級(jí)聯(lián)定向耦合器的任意阻抗變換比的元件參數(shù)解算公式。經(jīng)先進(jìn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)(advanced design system,ADS)仿真驗(yàn)證,由參數(shù)解算公式得到的網(wǎng)絡(luò)變換阻抗值和計(jì)算結(jié)果一致,并且級(jí)聯(lián)的帶寬比單級(jí)定向耦合器單元的帶寬有顯著提高。給出以2.45 GHz為中心頻點(diǎn)、阻抗變換比為4的設(shè)計(jì)實(shí)例,對(duì)分析方法進(jìn)行了驗(yàn)證,測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合。由于使用的是集總參數(shù)型的元件,該耦合器輸出阻抗可根據(jù)比例要求設(shè)定,具有小尺寸、大帶寬、易于單片微波集成電路(monolithic microwave integrated circuit,MMIC)的集成等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞:集總參數(shù);任意阻抗比;正交定向耦合器

定向耦合器被廣泛應(yīng)用于移相器中,傳統(tǒng)的定向耦合器一般采用微帶傳輸線實(shí)現(xiàn)。然而用分布參數(shù)設(shè)計(jì)的定向耦合器占用面積大[1],不利于單片微波集成電路(monolithic microwave integrated circuit,MMIC)移相器集成度的提高。在移相器后端變?nèi)荻O管電容變化范圍有限的情況下,集總參數(shù)定向耦合器輸入輸出阻抗的不對(duì)等[2]可以提高移相器的相移度,降低了對(duì)后端容抗變化范圍的要求[3-4]，同時(shí)輸出阻抗的減小,也降低了對(duì)容抗變換模塊在MMIC中集成的苛刻要求,甚至基于目前的工藝,一個(gè)集成的三極管就可以滿足要求[5]。文獻(xiàn)[6]對(duì)阻抗變換比n=0.06的集總參數(shù)正交定向耦合器進(jìn)行了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[7]則實(shí)現(xiàn)了阻抗變換比n=1的集總參數(shù)正交定向耦合器。本文從鏈形散射矩陣[8]的角度出發(fā),在級(jí)聯(lián)2個(gè)定向耦合器可以獲得最大帶寬的基礎(chǔ)上,提出級(jí)聯(lián)定向耦合器的分析方法,該方法可以滿足設(shè)置級(jí)聯(lián)定向耦合器的任意阻抗變換比,以使得定向耦合器更好地應(yīng)用于MMIC電路設(shè)計(jì)中。

1理論分析與計(jì)算

集總參數(shù)同向定向耦合器的電路模型如圖1所示。左側(cè)兩端口為輸入端口,右側(cè)兩端口為輸出端口。其二端口的奇偶模等效模型[9]如圖2所示。

圖2　雙端口奇偶模等效模型

為了確定電路的反射系數(shù)和傳輸系數(shù),本文采用矩陣的方式來(lái)描述,可以得到等效二端口的鏈形散射矩陣為:

(1)

其中

前端的定向耦合器限制了移相器整體的帶寬,為了拓展帶寬,將單級(jí)定向耦合器級(jí)聯(lián)起來(lái),如圖3所示。

圖3　級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)模型

則級(jí)聯(lián)后的鏈形散射矩陣為:

(2)

假設(shè)第1級(jí)的阻抗變換比為n,第2級(jí)的阻抗變換比也為n,則級(jí)聯(lián)后總的阻抗比為n2,可得:

(3)

其中,Bie=Bpi;Boi=Bpi+2Bi。

對(duì)于正交定向耦合器有:

T12e=T12o=0; |T11e|2=|T11o|2=1

(4)

將(4)式代入(3)式,可得:

(5)

根據(jù)單級(jí)定向耦合器奇偶模分析可得B1=nB=n2B2,并假設(shè)

代入(5)式,可得:

(6)

(7)

考慮到電容和電感的可交換性,因此通過(guò)該方法得到正交向耦合器,2種任意阻抗變換比定向耦合器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　2種任意阻抗變換比定向耦合器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2仿真結(jié)果分析

在阻抗變換比為1/4、1、4時(shí)2種結(jié)構(gòu)6種情況仿真得到的S參數(shù)如圖5所示。

圖5　2種結(jié)構(gòu)不同阻抗變換比S參數(shù)

根據(jù)(7)式假設(shè),圖中耦合度S41值為3 dB。從圖5可以看出，按照(7)式配置參數(shù)得到的級(jí)聯(lián)定向耦合器可以獲得較大的帶寬,達(dá)到30%左右。其中圖5a結(jié)構(gòu)相對(duì)于圖5b平坦度更好。

為了研究輸入輸出阻抗變換的集總參數(shù)正交耦合器的特性,本文設(shè)計(jì)了中心頻點(diǎn)為2.45 GHz的單級(jí)和級(jí)聯(lián)LLC結(jié)構(gòu)的定向耦合器,2種結(jié)構(gòu)下電壓駐波比(voltage standing wave ratio,VSWR)和耦合度參數(shù)曲線如圖6所示。圖6中的2-b表示單級(jí)結(jié)構(gòu)，3-b表示級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)。耦合器帶寬主要限制于輸入VSWR和輸入輸出隔離度。對(duì)于單級(jí)結(jié)構(gòu),其輸入VSWR為1～2，且耦合度小于-10 dB的帶寬為10%左右,而對(duì)于級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu),帶寬接近30%。為了進(jìn)一步驗(yàn)證上述理論分析及仿真的有效性,以級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)為例,做出耦合器實(shí)物,如圖7所示,實(shí)物尺寸為2 cm×2 cm。n=4耦合器實(shí)測(cè)S參數(shù)如圖8所示。

圖6　n=4時(shí)單級(jí)和級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的VSWR和耦合度

圖7　LLC型n=4級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)實(shí)物圖

圖8　n=4耦合器實(shí)測(cè)S參數(shù)曲線

從圖8可以看出,該耦合器的反射損耗和隔離在-10 dB以下的帶寬接近了30%,耦合口S41在帶寬內(nèi)整體比較平坦,與仿真曲線比較接近。

3結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)奇偶模理論得到的級(jí)聯(lián)同向正交定向耦合器電路模型,從鏈形散射矩陣角度出發(fā),提出了一種實(shí)現(xiàn)任意阻抗變換比的集總參數(shù)正交定向耦合器的分析設(shè)計(jì)方法,在保證輸入輸出50 Ω的情況下,降低對(duì)耦合器后端的阻抗嚴(yán)苛性,具有較大設(shè)計(jì)靈活性。仿真及實(shí)測(cè)表明,在2.45 GHz的原型中,可以獲得接近30%的帶寬,并且在原型設(shè)計(jì)中,所用到的電容電感均較小,在MMIC電路設(shè)計(jì)中有很好的應(yīng)用前景。

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(責(zé)任編輯閆杏麗)

An analytical method of arbitrary-impedance transformation ratio broadband lumped-element quadrature coupler

ZUO Jin-feng,YANG Ming-wu,ZHANG Zu-hua

(School of Electronic Science and Applied Physics, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

Abstract:In this paper, an analysis and design method for the arbitrary-impedance transformation ratio broadband lumped-element quadrature coupler is proposed. By the odd-even mode impedance analysis of the directional coupler, and in view of T-scattering matrix, a solution of arbitrary-impedance transformation ratio directional unit coupler is obtained and then the design formulas for arbitrary-impedance transformation ratio broadband lumped-element quadrature coupler are derived from cascading two directional unit couplers. The simulation results of advanced design system(ADS) coincide with the calculation results and the cascade coupler’s bandwidth is much wider than that of the unit coupler. In order to further verify this method, an example with impedance transformation ratio of 4 and the center frequency of 2.45 GHz is designed and fabricated. The measurement and simulation results closely correspond to each other. With the lumped-element, the output impedance of this coupler can be set according to the ratio requirement and the coupler has advantages of small size, large bandwidth, easier integration with monolithic microwave integrated circuit(MMIC) and so on.

Key words:lumped-element; arbitrary-impedance transformation ratio; quadrature coupler

中圖分類號(hào):TN622

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-5060(2016)03-0342-05

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2016.03.011

作者簡(jiǎn)介：左勁風(fēng)(1991-),男,安徽合肥人,合肥工業(yè)大學(xué)碩士生;楊明武(1958-),男,安徽滁州人,合肥工業(yè)大學(xué)教授, 碩士生導(dǎo)師.

基金項(xiàng)目：安徽省高校自然科學(xué)研究重點(diǎn)資助項(xiàng)目(KJ2012Z316)

收稿日期：2015-01-20；修回日期：2015-03-09