一種寬頻帶小尺寸頻率可重構耦合器

李紅濤 張洪林 胡斌杰 魏曉東 曾偉森

(1.華南理工大學電子與信息學院,廣州 510640;2.廣東工業大學,廣州 510006)

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一種寬頻帶小尺寸頻率可重構耦合器

李紅濤1,2張洪林1胡斌杰1魏曉東1曾偉森2

(1.華南理工大學電子與信息學院,廣州 510640;2.廣東工業大學,廣州 510006)

為了適應通信發展中小尺寸可重構的需求,提出一種具有寬頻帶小尺寸中心頻率可調的可重構耦合器. 為減小電路尺寸,采用π型可調結構,并將可調部分電路放進耦合器內部夾角處,并分析可調電路開路微帶線的夾角、長度和寬度對中心頻率的影響. 電調功能由變容二極管實現. 文中通過分析電路結構,從理論上揭示了中心頻率可調的機理. 通過仿真、加工和測試,仿真和測試結果吻合良好.仿真和測試結果表明:通過改變加在變容二極管兩端的電壓,耦合器的中心頻率在705～1 050 MHz范圍內連續變化,在頻率變化過程中,耦合器保持輸出端口相位正交和幅度平衡. 并分析了引起輸出端插入損耗的原因.

頻率可重構;寬頻帶;相位正交和幅度平衡;變容二極管;小尺寸

DOI 10.13443/j.cjors.2015090201

引 言

Hybrid耦合器是現代無線通信系統中的一個重要組成部分. 它已被廣泛應用于各方面,如天線陣列的饋電網絡,功率分配/合成網絡和平衡混頻器.

近年來,有關耦合器的研究非常多. 文獻[1-2]研究了寬頻帶耦合器. 文獻[3]研究了耦合器尺寸的縮小. 文獻[4-13]研究了雙頻段耦合器. 文獻[7]研究了雙頻段耦合器原理. 文獻[8-9]研究雙頻段對稱耦合器. 在文獻[10-11]中,實現了雙頻段不同功分比耦合器. 文獻[12]研究了在雙頻耦合器的兩個頻段上可以實現同步功分比變化. 文獻[13]研究了雙頻段上任意功分比耦合器. 然而以上有關耦合器的設計沒有加入可調功能,實現不了可重構功能. 在常規耦合器的研究基礎上,變容二極管用于設計可重構耦合器成為研究熱點. 文獻[14-20]中可調功率分配比Hybrid耦合器采用變容二極管設計,然而工作頻率卻是固定的. 在文獻[21-22]中,Hybrid耦合器可以在幾個窄頻帶之間切換,但是這些頻段之間并不連續. 在文獻[23]中,一個T字功率分配器具第一和第二頻帶分別具有16.8%和6.8%的可調帶寬,但其最大的可調頻率帶寬也只有16.8%. 雖然已有很多電調混合耦合器的研究,但是他們不具有連續的可調中心頻率、寬頻帶、小尺寸,同時保持輸出端口的相位正交和幅度平衡特性.

本文中,提出了一種具有寬頻小尺寸可調中心頻率的可重構耦合器. 利用π型結構代替耦合器中的微帶線可以實現耦合器小型化. 變容二極管用來實現頻率的可調性. 該Hybrid耦合器的電長度是由變容二極管控制. 通過改變變容二極管的偏置電壓,中心工作頻率在705～1 050 MHz范圍內連續可調. 此外,在可調頻率范圍內,耦合器保持輸出端口相位正交和幅度平衡. 對加工后的耦合器測試,獲得與仿真數據很好的吻合一致性. 整個電路尺寸只有3.9 cm×3.7 cm.

1 頻率可重構Hybrid耦合器的設計

該頻率可重構的Hybrid耦合器結構如圖1所示. 通過合并Hybrid耦合器 (圖2 (a))和電調結構(圖2 (b))獲得頻率可重構Hybrid耦合器. 為了實現頻率可重構Hybrid耦合器,使用電調網絡取代Hybrid耦合器的四根微帶線. 電調網絡由一個分支線和兩個并聯可變電容(用變容二極管實現),形成一個π型網絡. 這個π型網絡相當于一個具有ZTa的特性阻抗和90°電長度的微帶傳輸線. 根據文獻[3]提出的利用π型結構代替耦合器中的微帶線可以實現耦合器小型化,可以將邊長由原來的四分之一波長縮小為十二分之一波長,大大縮小了電路尺寸. 本文也采用π型結構代替耦合器中的微帶線,并將可調部分電路放進耦合器內部夾角處,以實現耦合器小型化.

圖1 寬頻帶中心頻率可調耦合器電路結構

(a) 一般耦合器 (b)電調網絡圖2 寬頻帶中心頻率可調耦合器電路組成

先不考慮與變容二極管串聯部分的微帶線影響,π型網絡對應的ABCD矩陣如下

(1)

(2)

式中,

Y=ωCp=2πfCp.

(3)

從式(2) 可獲得如下兩個方程:

cos θa-ZaYsin θa=cos 90°,

(4)

jZasin θa=jZTasin 90°.

(5)

將式(3)帶入式(4), 電長度θa表達式如下:

θa=arccot(YZa)=arccot(2πfCpZa).

(6)

將式(6)帶入式(5),可以獲得如下結果:

ZTa=Zasin θa=Zasin(arccot(2πfCpZa))

(7)

所以,

(8)

對微帶線Zb通過同樣的方法,可以獲得如下結果:

ZTa=Zbsin θb=Zbsin(arccot(2πfCpZb))

=Z0,

(9)

進一步可以將式(6)轉化為以下結果

(10)

根據式(8)和式(10), 電容Cp與工作頻率f成反比關系. 通過增加變容二極管兩端的偏置電壓,電容值Cp變小, 所以工作頻率變高. 等效微帶線的電長度由變容二極管兩端的偏置電壓決定. 通過連續調整變容二極管的偏置電壓, Hybrid耦合器的工作頻率跟著連續可調變化.

另外,通過仿真分析發現,與變容二極管串聯部分的微帶線的角度、長度和寬度變化時,也會對中心頻率起到微調的作用,具體仿真結果見下文分析.

通過仿真發現,短接線與邊框電路的夾角t會影響耦合器中心頻率,如圖3所示,當夾角t從20°變化至40°之間變化時,中心頻率會從710 MHz降低到680 MHz.

圖3 當Cp=6.5 pF，短接線與邊框電路的夾角t對中心頻率的影響

通過仿真發現,短接線的長度l3影響耦合器中心頻率,如圖4所示,當長度從7 mm變化至16 mm時,中心頻率會從700 MHz降低到575 MHz.

通過仿真發現,短接線的寬度w3影響耦合器中心頻率,如圖5所示,當長度從0.2 mm變化至1.0 mm時,中心頻率會從675 MHz升高到720 MHz.

圖4 當Cp=6.5 pF，短接線的長度l3對中心頻率的影響

圖5 當Cp=6.5 pF，短接線的寬度w3對中心頻率的影響

綜上所述,通過連續調整變容二極管的偏置電壓, Hybrid耦合器的工作頻率跟著連續可調變化;另外,與變容二極管串聯部分的微帶線的角度、長度和寬度也會對中心頻率有影響,改變相應參數,也會相應地調整耦合器的中心頻率. 在實際設計中,可以參照以上短接線與邊框電路的夾角t對中心頻率的影響、短接線的長度l3對中心頻率的影響以及短接線的寬度w3對中心頻率的影響進行綜合,最終確定可重構耦合器的中心頻率.

2 結果和討論

綜合上文給出的有關可重構耦合器中心頻率的 決定因素,經過反復仿真,獲得表1的參數,對應于表1參數的頻率可重構Hybrid耦合器,其仿真S參數和輸出端(端口2和3)相位差如圖6所示. 如圖6 (a)和6 (b)所示,當可變電容Cp增大時,Hybrid耦合器的工作頻率下降,這符合原理推導部分獲得的結論:電容Cp與工作頻率f成反比關系. 圖6(c)和6 (d)表明,在工作頻帶內,Hybrid耦合器可以保持輸出端口的相位正交性和幅度平衡特性.

表1 寬頻帶中心頻率可調耦合器結構參數

(a) |S11|

(b) |S14|

(c) |S12|和 |S13|

(d) |S12| 和|S13|之間的仿真相位差圖6 Hybrid耦合器在不同Cp時的仿真參數

為了驗證本文設計的Hybrid耦合器的性能,本文利用FR-4制作一個Hybrid耦合器. 板材FR-4的介電常數是和介質損耗角正切分別為4.7和0.02,厚度為1 mm. 實際加工的Hybrid耦合器尺寸與仿真參數一致. 變容二極管JDV2S71E代替圖1中的可變電容Cp,變容二極管JDV2S71E電壓與電容Cp對應關系如圖9所示. 實際設計加工后的電路如圖7所示. 為了保護測試設備和變容二極管,增加了保護電阻Rbias=4.7 kΩ和隔直電容C=20 pF. 核心電路占用面積為3.9×3.7 cm2(0.092λg1×0.087λg1或者0.137λg2×0.130λg2)其中λg1代表在705 MHz時的波長,λg2代表在1 050 MHz時的波長.

圖7 頻率可重構耦合器實物照片

運用四端口網絡分析儀E5071C測試Hybrid耦合器,測試結果S參數如圖8所示. 從圖8的數據可以看出,隨著偏置電壓的增加,Hybrid耦合器的工作頻率也隨之增加. 原因在于隨著偏置電壓的增加變容二極管的等效電容變小. 從圖8(a)可以看出,在不同的偏置電壓下,在其中心頻率點,Hybrid耦合器的反射系數|S11|都小于-20 dB. 從圖8(b)可以看出,在不同的偏置電壓下,在其中心頻率點,Hybrid耦合器的隔離度|S14|都大于25 dB. 從圖8(c)和(d)可以看出在同偏置電壓下的工作頻帶內, Hybrid耦合器都保持輸出端口的相位正交和幅度平衡. 與圖7中仿真結果相比較,測試結果與之吻合良好.

(a) |S11|

(b) |S14|

(d) |S12| 和|S13|之間的測試相位差圖8 Hybrid耦合器在不同偏置電壓下的測試參數

圖9 變容二極管JDV2S71E電壓與電容Cp對應關系

如圖8(c) 所示,該耦合器在705 MHz和800 MHz 工作頻率下,與傳統的3 dB耦合器相比,插入損耗大約為1.5～2 dB. 引起這個損耗的原因在于如圖7所示的頻率可重構耦合器中變容二極管電路電壓加載電路部分的設計結構. 為了保護測試設備和變容二極管,增加了保護電阻Rbias=4.7 kΩ和隔直電容C=20 pF. 本文中耦合器工作中心頻率在705至1 050 MHz范圍內連續可調,根據圖9中變容二極管JDV2S71E電壓與電容Cp對應關系,變容二極管JDV2S71E的變化范圍在0.5～9 pF內. 在705 MHz時變容二極管等效電容對應的阻抗值為25 Ω,在1 050 MHz時變容二極管等效電容對應的阻抗值為303 Ω. 相對于隔直電阻Rbias=4.7 kΩ來說,變容二極管的阻抗偏小,從端口1進入的能量大部分會通過四個變容二極管泄露,導致輸出端口具有能量損失,導致插入損耗大約為1.5～2 dB.

表2列出了在不同偏置電壓下測試的中心頻率和帶寬.偏置電壓從1.0到 22 V的變化過程中,Hybrid耦合器的中心頻率從705～1 050 MHz變化. 在不同的偏置電壓下,Hybrid耦合器的帶寬都大于140 MHz. 測試結果也表明,偏置電壓增加工作帶寬也變寬. 當偏置電壓達到22 V, 測試帶寬達到41.1%(850～1 290 MHz).

表2 在不同偏置電壓條件下，|S11|< - 10 dB時，測試的中心頻率和帶寬數據

表3 可調帶寬和電路尺寸性能與之前的工作比較

表3將之前的一些論文成果與本文相比較,可以看出,本文設計的電路表現出更寬的可調帶寬和更小的尺寸.

3 結論

本文展示了一種具有寬頻帶小尺寸中心頻率可調的可重構耦合器. 通過改變加在變容二極管兩端的電壓,耦合器的中心頻率在705～1 050 MHz (39.3%)范圍內連續變化. 在不同偏置電壓下的工作頻帶內,Hybrid耦合器都保持輸出端口相位正交和幅度平衡. 另外,整個電路尺寸比較小(3.9 cm×3.7 cm,相當于0.092λg1×0.087λg1或者0.137λg2×0.130λg2). 測試數據與仿真數據吻合良好.

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Tunable frequency coupler with broad bandwidth and small size

LI Hongtao1,2ZHANG Honglin1HU Binjie1WEI Xiaodong1ZENG Weisen2

(1.SchoolofElectronicandInformationEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,China;2.GuangdongUniversityofTechnology,Guangzhou510006,China)

In order to meet the demand of the small size and reconfigurable communication development, this paper presents a frequency reconfigurable hybrid with broad tuning bandwidth and small size. In order to reduce the circuit size, theπ-type adjustable structure is adopted, and the adjustable part of the circuit is placed in the internal angle of the coupler. The open circuit microstrip line of the adjustable circuit has three parameters, the angle, the length and the width. The influence of three parameters on the center frequency is analyzed. The electric adjustment network is utlized with varactor diodes. In this paper, the structure of the circuit is analyzed, and the mechanism of the tunable center frequency can be revealed. The proposed hybrid is simulated, fabricated and measured. The measured results agree well with the simulated ones. Simulation and measurement results show that by varying biasing voltage of the varactor diodes, the center operating frequency can be tuned continuously from 705 to 1050 MHz. In the tuning range, it has phase orthogonality and amplitude balance of the output ports. The cause of output terminal insertion loss is analyzed.

frequency reconfigurable; broad bandwidth; phase orthogonality and amplitude balance; varactor diodes; small size

10.13443/j.cjors.2015090201

2015-09-02

廣東省國家自然科學聯合基金(U1035002); 粵港科技攻關項目(2011A011305001); (2011A011302001);

TN817

A

1005-0388(2016)04-0791-07

李紅濤 (1977-),男,河南人,華南理工大學電子與信息學院通信與信息系統專業博士研究生,主要從事無線通信方面的研究.

張洪林 (1976-),男,四川人,華南理工大學電子與信息學院教師,博士,研究方向為電磁理論與電磁兼容.

胡斌杰 (1960-),男,陜西人,華南理工大學電子與信息學院教授,博士生導師, 1991年在中國電波傳播研究所獲碩士學位,1997年在成都電子科技大學獲博士學位,1997-1999年,作為華南理工大學的博士后從事研究工作,2001-2002年,作為訪問學者,在香港城市大學電子工程系做科研工作,2005年,在法國Nantes大學做訪問教授, 目前主要研究無線通信、微波電路、認知無線電和天線.

魏曉東 (1988-),男,安徽人,華南理工大學電子與信息學院通信與信息系統專業博士研究生,主要從事無線通信方面的研究.

曾偉森 (1992-),男,廣東人,廣東工業大學自動化學院自動化專業本科生,主要從事無線通信方面的研究.

李紅濤, 張洪林, 胡斌杰, 等. 一種寬頻帶小尺寸頻率可重構耦合器[J]. 電波科學學報,2016,31(4):791-797.

LI H T, ZHANG H L, HU B J, et al. Tunable frequency coupler with broad bandwidth and small size[J]. Chinese journal of radio science,2016,31(4):791-797. (in Chinese). DOI: 10.13443/j.cjors.2015090201

廣東省教育廳校企合作項目(CGZHZD1102)

聯系人： 張洪林 E-mail:eezhl@scut.edu.cn