本發(fā)明涉及測試儀器領(lǐng)域，尤其涉及一種寬帶定向耦合器。

背景技術(shù)：

定向耦合器廣泛應(yīng)用于微波儀器及設(shè)備中，如微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀中的方向性設(shè)備，在微波信號(hào)發(fā)生器中用于在輸出端檢測輸出功率的大小以完成自動(dòng)功率調(diào)整，在各類通信系統(tǒng)的收發(fā)信機(jī)里面用于信號(hào)功率的檢測。其中，寬帶定向耦合器常常用于微波測試儀器中，此時(shí)對定向耦合器的指標(biāo)要求往往較高。定向耦合器的主要指標(biāo)有、工作頻段、插入損耗、耦合度、方向性、隔離度等。在定向耦合器的實(shí)際設(shè)計(jì)中，一般都是根據(jù)其應(yīng)用場景給定耦合度及工作帶寬，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化設(shè)計(jì)其他參數(shù)，一般要求插入損耗要小，方向性要高，隔離度要大。定向耦合器從器件類型上大體可以分為基于波導(dǎo)器件的及基于微帶器件的兩大類，其中基于微帶器件的定向耦合器一般采用平行耦合線進(jìn)行設(shè)計(jì)。

現(xiàn)有的基于微帶線的寬帶定向耦合器設(shè)計(jì)方法有：1)基于交叉耦合線的設(shè)計(jì)，此種設(shè)計(jì)方法將耦合線放置到多層電介質(zhì)中；2)基于平行耦合線的設(shè)計(jì)，此種設(shè)計(jì)方法將全部微帶電路在一層電路板上實(shí)現(xiàn)；3)采用多個(gè)耦合器進(jìn)行交叉級(jí)聯(lián)方法。以上幾種方式中，不同段耦合線之間需要較為明顯的過渡段，這些過渡段的存在導(dǎo)致理論計(jì)算及分析結(jié)果與實(shí)際系統(tǒng)存在不符，進(jìn)而引起耦合度在所設(shè)計(jì)頻段內(nèi)波動(dòng)變大，方向性實(shí)際制作結(jié)果偏離理論計(jì)算等問題。

專利CN202759011U設(shè)計(jì)了一種三節(jié)空氣帶狀線電橋，如圖1所示，通過將一對耦合板的中間段相向突出并相互重合形成強(qiáng)耦合區(qū)，實(shí)現(xiàn)了不需要太高的耦合精度即可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)耦合，在耦合板的邊緣設(shè)置缺口或者突起，使電橋腔體內(nèi)的電磁場不再均勻分布，增強(qiáng)了電橋的隔離。此方法在一定程度上改善了系統(tǒng)耦合度及方向性等指標(biāo)，但是由于僅僅采用空氣作為電介質(zhì)，使強(qiáng)耦合與弱耦合節(jié)之間的設(shè)計(jì)參數(shù)差異較大，而且隨著節(jié)數(shù)的增加，這種差異導(dǎo)致實(shí)現(xiàn)的難度越來越大。

與專利CN103367855A中，設(shè)置不同節(jié)的耦合線到參考地的距離不等，這種方式可以使不同節(jié)的耦合線的間隔不變，但不同節(jié)的耦合線本身的寬度不同，依然會(huì)導(dǎo)致耦合度波動(dòng)及方向性不高，使耦合器的耦合精度降低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供一種寬帶定向耦合器。

一種寬帶定向耦合器，由依次連接的多個(gè)耦合段組成，其中耦合段包括共面設(shè)置的兩條耦合帶線以及位于耦合帶線上方的上部電介質(zhì)、位于耦合帶線下方的下部電介質(zhì)；

同一耦合段中兩節(jié)耦合帶線相互平行設(shè)置，且尺寸相同；

同一耦合段中，上部電介質(zhì)與下部電介質(zhì)的大小、材質(zhì)相同；

不同耦合段中的耦合帶線分別首末相連，且在同一平面上；

相鄰兩個(gè)耦合段中，耦合帶線寬度差與任一條耦合帶線的寬度的比值不大于3％；耦合帶線的間距差與任意一組耦合帶線的間距的比值不大于3％。

進(jìn)一步的，定向耦合器由N個(gè)耦合段組成，N為大于1的奇數(shù)，其中N個(gè)耦合段中的耦合帶線依次共面連接，且以最中間的耦合段為對稱中心，相互對稱的兩個(gè)耦合段的尺寸及材質(zhì)相同。

進(jìn)一步的，定向耦合器包括三個(gè)耦合段，耦合段分別為第一耦合段、第二耦合段、第三耦合段，其中：

第一耦合段包括第一組耦合帶線以及第一上部電介質(zhì)、第一下部電介質(zhì)；第二耦合段包括第二組耦合帶線以及第二上部電介質(zhì)、第二下部電介質(zhì)；第三耦合段包括第三組耦合帶線以及第三上部電介質(zhì)、第三下部電介質(zhì)；

第一組耦合帶線、第二組耦合帶線、第三組耦合帶線依次共面連接，成為兩條等間距的長節(jié)耦合線；第一上部電介質(zhì)、第二上部電介質(zhì)、第三上部電介質(zhì)分別位于第一組耦合帶線、第二組耦合帶線、第三組耦合帶線的上方；第一下部電介質(zhì)、第二下部電介質(zhì)、第三下部電介質(zhì)分別位于第一組耦合帶線、第二組耦合帶線、第三組耦合帶線的下方；

第一耦合段與第三耦合段的大小以及材質(zhì)相同，第一耦合段與第二耦合段的大小以及材質(zhì)不同。

進(jìn)一步的，第一耦合段與第二耦合段中，第一上部電介質(zhì)的厚度小于第二上部電介質(zhì)的厚度。

進(jìn)一步的，耦合段中耦合帶線的電長度為中心工作頻率的四分之一波長。

進(jìn)一步的，耦合段中的上部電介質(zhì)的上表面、下部電介質(zhì)的下表面均覆銅，且相鄰兩個(gè)耦合段之間由于電介質(zhì)高度不同引起的側(cè)面覆銅。

本發(fā)明的一種寬帶定向耦合器，具有以下有益效果：

本發(fā)明在設(shè)置不同節(jié)耦合段的上部電介質(zhì)與下部電介質(zhì)厚度之和不等的同時(shí)，在不同節(jié)耦合段采用不同介電常數(shù)的電介質(zhì)，保證了不同節(jié)的耦合帶線間隔近似相同，不同節(jié)的耦合帶線自身的寬度也近似相同。通過這種設(shè)計(jì)方法使定向耦合器各個(gè)耦合段之間耦合帶線的連續(xù)性更佳，有效地減小了耦合器的耦合度的波動(dòng)范圍，使耦合器的信號(hào)傳輸效果更好，精度更高。

附圖說明

為了更清楚的說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單的介紹，顯而易見的，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它附圖。

圖1為現(xiàn)有技術(shù)中一種空氣帶狀線電橋結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的一種寬帶定向耦合器的第一個(gè)實(shí)施例結(jié)構(gòu)圖；

圖3為本發(fā)明的一種寬帶定向電橋的耦合段結(jié)構(gòu)圖；

圖4為本發(fā)明的一種寬帶定向電橋的耦合段尺寸標(biāo)注圖；

圖5為本發(fā)明的一種寬帶定向耦合器的第二個(gè)實(shí)施例結(jié)構(gòu)圖；

圖6為本發(fā)明的一種寬帶定向耦合器的第二個(gè)實(shí)施例仿真圖；

圖7為本發(fā)明的一種寬帶定向耦合器的第三個(gè)實(shí)施例結(jié)構(gòu)圖；

圖8為本發(fā)明的一種寬帶定向耦合器的第三個(gè)實(shí)施例仿真圖；

圖中：1-耦合段、11-第一耦合段、12-第二耦合段、13-第三耦合段、14-第四耦合段、15-第五耦合段、2-耦合帶線、21-第一組耦合帶線、22-第二組耦合帶線、23-第三組耦合帶線、24-第四組耦合帶線、25-第五組耦合帶線、3-上部電介質(zhì)、31-第一上部電介質(zhì)、32-第二上部電介質(zhì)、33-第三上部電介質(zhì)、34-第四上部電介質(zhì)、35-第五上部電介質(zhì)、4-下部電介質(zhì)、41-第一下部電介質(zhì)、42-第二下部電介質(zhì)、43-第三下部電介質(zhì)、44-第四下部電介質(zhì)、45-第五下部電介質(zhì)。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整的描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通的技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所獲得的所有其它實(shí)施例，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

如圖2所示，為本發(fā)明第一個(gè)實(shí)施例的一種寬帶定向耦合器，由依次連接的多個(gè)耦合段1組成，如圖3所示，每個(gè)耦合段1包括共面設(shè)置的兩條耦合帶線2以及位于耦合帶線2上方的上部電介質(zhì)3、位于耦合帶線2下方的下部電介質(zhì)4。兩條耦合帶線2相互平行放置，其寬度與長度均相等，耦合帶線2的電長度為中心工作頻率的四分之一；上部電介質(zhì)3與下部電介質(zhì)4的大小以及材質(zhì)均相同。

多個(gè)耦合段1依次連接組成的定向耦合器中，不同耦合段1中的耦合帶線2分別首末相連，且在同一平面上；相鄰兩個(gè)耦合段1中，耦合帶線2寬度差與任一條耦合帶線2的寬度的比值不大于3％，耦合帶線2的間距差與任意一組耦合帶線2的間距的比值不大于3％，即相鄰兩個(gè)耦合段1中的耦合帶線2寬度近似相等，耦合帶線2之間的間距也近似相等。相鄰兩個(gè)耦合段1中，耦合帶線2的寬度以及耦合帶線2的間距越接近，則耦合段1之間的過渡段越小，定向耦合器的耦合度與方向性的波動(dòng)也會(huì)越小，可以明顯降低耦合段1之間的不連續(xù)性帶來的突變響應(yīng)。

如圖4所示，由于耦合帶線2的厚度是微米級(jí)別，為了便于描述圖中耦合帶線2在耦合段1中的位置關(guān)系，特將耦合帶線2突出顯示。以一個(gè)耦合段1為例分析其參數(shù)關(guān)系。設(shè)定耦合帶線2的長度為L,寬度為W,兩條耦合帶線2之間的距離為S，上部電介質(zhì)3與下部電介質(zhì)4的厚度之和為B,介電常數(shù)為ε_r，設(shè)定耦合段1的耦合度參數(shù)為C,則偶模阻抗值Z_e和奇模阻抗值Z_o分別為：

其中，Z₀為系統(tǒng)阻抗。

耦合段1中的各組成部分的參數(shù)符合以下關(guān)系：

由于單節(jié)耦合段1的工作頻段很窄，當(dāng)需要的工作頻率較寬時(shí)，采用多節(jié)耦合段1級(jí)聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)。

具體的，定向耦合器由N個(gè)耦合段1組成，N為大于1的奇數(shù)，其中N個(gè)耦合段1中的耦合帶線2依次共面連接，且以最中間的耦合段1為對稱中心，相互對稱的兩個(gè)耦合段1的尺寸及材質(zhì)相同。

設(shè)定定向耦合器的綜合耦合系數(shù)為C，則

其中C₁，C₂，...，C_(N+1)/2分別是第一個(gè)耦合段1至定向耦合器中位于最中間耦合段1的耦合度，θ為對應(yīng)工作頻率的相位角，考慮最平坦響應(yīng)時(shí)候，令

其中，n＝1，2，…，(N+1)/2。即可根據(jù)上述公式得出C_n的值，進(jìn)而計(jì)算出每節(jié)耦合段1的偶模阻抗值Z_en和奇模阻抗值Z_on。

在給定參數(shù)B及ε_r的情況下，計(jì)算出參數(shù)W與S。

具體的參數(shù)確定方式如下：

(1)首先利用公式

計(jì)算出N節(jié)(N為奇數(shù))耦合段1的耦合度參數(shù)，C₁，C₂，...C_N。

(2)給定耦合段1的待選介電常數(shù)值ε_r∈{1.2,1.5,2.2,3.0,3.6,3.8,4.0,4.5,4.8,6.15,9.6,10.2}，并給定耦合段1可行的高度范圍離散值B∈{0.1,0.2，…，5}；

(3)利用公式

在給定介電常數(shù)ε_ri及給定耦合段1的厚度B_i的情況下，分別計(jì)算出每一節(jié)耦合段1對應(yīng)的參數(shù)，W₁(ε_r,B),W₂(ε_r,B),…，W_(N+1)/2(ε_r,B)以及S₁(ε_r,B)，S₂(ε_r,B)，…，S_(N+1)/2(ε_r,B)。其中，W_i表示第i節(jié)耦合段1的耦合帶線寬度，S_i表示第i節(jié)耦合段1中耦合帶線之間的距離，B_i表示第i節(jié)耦合段1中上部電介質(zhì)3與下部電介質(zhì)4的厚度之和，其中k_ei,k_oi分別為：

偶模阻抗值Z_ei和奇模阻抗值Z_oi分別為：

(4)給定最中間位置的耦合段1的介電常數(shù)厚度利用步驟(3)中的公式，計(jì)算出及

(5)對于其他耦合段1，給定一特定值Δ∈{0.1，0.2，…，0.5}，從最小值0.1mm開始，在矩陣W_i(ε_r,B)及S_i(ε_r,B),i＝1，2，…，(N+1)/2，中尋找ε_r及B滿足

(6)由步驟(4)得到每一節(jié)的介電常數(shù)，ε_r1，ε_r2，ε_r3，…，ε_rN，及每一耦合段1的厚度B₁,B₂，B₃，…，B_N(其中，利用對稱性得到ε_r1＝ε_rN,ε_r2＝ε_r(N-1),…；B₁＝B_N,B₂＝B_(N-1)，…然后，利用步驟(3)中的公式計(jì)算出每一節(jié)耦合段中耦合帶線2的寬度W₁,W₂，…W_N，及每一節(jié)耦合段1中耦合帶線2的間距S₁,S₁,…,S_N。

如圖5所示，為發(fā)明的第二個(gè)實(shí)施例的一種寬帶定向耦合器，本實(shí)施例是在上述實(shí)施例的基礎(chǔ)上，取N＝3的情況。定向耦合器包括三個(gè)耦合段1，耦合段1分別為第一耦合段11、第二耦合段12、第三耦合段13，其中第一耦合段11包括第一組耦合帶線21以及第一上部電介質(zhì)31、第一下部電介質(zhì)41；第二耦合段12包括第二組耦合帶線22以及第二上部電介質(zhì)32、第二下部電介質(zhì)42；第三耦合段13包括第三組耦合帶線23以及第三上部電介質(zhì)33、第三下部電介質(zhì)43；第一組耦合帶線21、第二組耦合帶線22、第三組耦合帶線23依次共面連接，成為兩條等間距的長節(jié)耦合線；第一上部電介質(zhì)31、第二上部電介質(zhì)32、第三上部電介質(zhì)33分別位于第一組耦合帶線12、第二組耦合帶線22、第三組耦合帶線23的上方；第一下部電介質(zhì)41、第二下部電介質(zhì)42、第三下部電介質(zhì)43分別位于第一組耦合帶線21、第二組耦合帶線22、第三組耦合帶線23的下方；第一耦合段11與第三耦合段13的大小以及材質(zhì)相同，第一耦合段11與第二耦合段12的大小以及材質(zhì)不同。

根據(jù)上述參數(shù)確定的方法，設(shè)計(jì)一款耦合度為20dB、帶寬為2GHz-4GHz的定向耦合器，通過計(jì)算得出第一耦合段11、第二耦合段12、第三耦合段13的耦合度分別為：C₁＝C₃＝0.0125，即約為38dB；C₂＝0.125,即約為18dB。

本實(shí)施例的定向耦合器的參數(shù)分別為：

第一耦合段11與第三耦合段13的參數(shù)為：W₁＝W₃＝0.49mm，S₁＝S₃＝1.43mm，L₁＝L₃＝17.1mm，B₁＝B₃＝1.3mm，ε_r1＝ε_r3＝4.8；

第二耦合段12的參數(shù)為：W₂＝0.47mm，S₂＝1.50mm，L₂＝12.1mm，B₂＝3.2mm,ε_r2＝9.6。圖6為該組參數(shù)與傳統(tǒng)方法下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)得到的對比圖，其中虛線為傳統(tǒng)方法下的仿真曲線，實(shí)線為本組參數(shù)下的仿真曲線，可明顯看出，本組參數(shù)下的定向耦合器的不連續(xù)性明顯降低，耦合度波動(dòng)范圍變小。

從以上參數(shù)可以看出，第一耦合段11與第二耦合段12中，第一上部電介質(zhì)31的厚度小于第二上部電介質(zhì)32的厚度。

具體的，如圖7所示，為本發(fā)明的第三個(gè)實(shí)施例，是在第一個(gè)實(shí)施例的基礎(chǔ)上，使N＝5的情況。定向耦合器包括五個(gè)耦合段1，耦合段1分別為第一耦合段11、第二耦合段12、第三耦合段13、第四耦合段14、第五耦合段15，其中第一耦合段11包括第一組耦合帶線21以及第一上部電介質(zhì)31、第一下部電介質(zhì)41；第二耦合段12包括第二組耦合帶線22以及第二上部電介質(zhì)32、第二下部電介質(zhì)42；第三耦合段13包括第三組耦合帶線23以及第三上部電介質(zhì)33、第三下部電介質(zhì)43；第四耦合段14包括第四組耦合帶線24以及第四上部電介質(zhì)34、第四下部電介質(zhì)44；第五耦合段15包括第五組耦合帶線25以及第五上部電介質(zhì)35、第五下部電介質(zhì)45。第一組耦合帶線21、第二組耦合帶線22、第三組耦合帶線23、第四組耦合帶線24以及第五組耦合帶線25依次共面連接，成為兩條等間距的長節(jié)耦合線；第一上部電介質(zhì)31、第二上部電介質(zhì)32、第三上部電介質(zhì)33、第四上部電介質(zhì)34、第五上部電介質(zhì)35分別位于第一組耦合帶線21、第二組耦合帶線22、第三組耦合帶線23、第四組耦合帶線24、第五組耦合帶線25的上方；第一下部電介質(zhì)41、第二下部電介質(zhì)42、第三下部電介質(zhì)42、第四下部電介質(zhì)44、第五下部電介質(zhì)45分別位于第一組耦合帶線21、第二組耦合帶線22、第三組耦合帶線23、第四組耦合帶線24、第五組耦合帶線25的下方；第一耦合段11與第五耦合段15的大小以及材質(zhì)相同，第二耦合段12與第四耦合段14的大小以及材質(zhì)相同，第一耦合段11、第二耦合段12、第三耦合段13的大小以及材質(zhì)不同。本實(shí)施例的定向耦合器其參數(shù)的確定方法與第二個(gè)實(shí)施例的確定方法原理相同，此處不做贅述。

根據(jù)上述參數(shù)確定的方法，設(shè)計(jì)一款耦合度為16dB、帶寬為2GHz-6GHz的定向耦合器，通過計(jì)算得出第一耦合段11、第二耦合段12、第三耦合段13、第四耦合段14、第五耦合段15的耦合度分別為：C₁＝C₅＝0.0039；C₂＝C₄＝0.0365；C₃＝0.4472。

其中：第一耦合段11與第五耦合段15的參數(shù)為：W₁＝W₅＝0.50mm，S₁＝S₅＝0.5mm，L₁＝L₅＝17.1mm，B₁＝B₅＝0.4mm，ε_r1＝ε_r5＝1.2；

第二耦合段12與第四耦合段14的參數(shù)為：W₂＝W₄＝0.51mm，S₂＝S₄＝0.51mm，L₂＝L₄＝10.8mm，B₂＝B₄＝0.8mm，ε_r2＝ε_r4＝3；

第三耦合段13的參數(shù)為：W₃＝0.50mm，S₃＝0.51mm，L₃＝5.87mm，B₃＝5.2mm,ε_r3＝10.2。圖8為該組參數(shù)與傳統(tǒng)方法下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)得到的對比圖，其中虛線為傳統(tǒng)方法下的仿真曲線，實(shí)線為本組參數(shù)下的仿真曲線，可明顯看出，本組參數(shù)下的定向耦合器的方向性明顯優(yōu)于傳統(tǒng)方式的定向耦合器的方向性。

具體的，耦合段1中的上部電介質(zhì)3的上表面、下部電介質(zhì)4的下表面均覆銅，多個(gè)耦合段1組成的定向耦合器中，相鄰兩個(gè)耦合段1之間由于電介質(zhì)高度不同引起的側(cè)面也覆銅。

整個(gè)寬帶定向耦合器，設(shè)計(jì)不同節(jié)耦合段的上部電介質(zhì)與下部電介質(zhì)厚度之和不等的同時(shí)，在不同節(jié)耦合段采用不同介電常數(shù)的電介質(zhì)，保證了不同節(jié)的耦合帶線間隔近似相同，不同節(jié)的耦合帶線自身的寬度也近似相同。通過這種設(shè)計(jì)方法使定向耦合器各個(gè)耦合段之間耦合帶線的連續(xù)性更佳，有效地減小了耦合器的耦合度的波動(dòng)范圍，使耦合器的信號(hào)傳輸效果更好，精度更高。

以上借助具體實(shí)施例對本發(fā)明做了進(jìn)一步描述，但是應(yīng)該理解的是，這里具體的描述，不應(yīng)理解為對本發(fā)明的實(shí)質(zhì)和范圍的限定，本領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員在閱讀本說明書后對上述實(shí)施例做出的各種修改，都屬于本發(fā)明所保護(hù)的范圍。