本發(fā)明涉及微波多倍頻程功率分配/合成技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于多節(jié)級(jí)聯(lián)的多倍頻程3db正交電橋。

背景技術(shù)：

在微波系統(tǒng)中，正交電橋作為一種可以將信號(hào)功率按照一定比例進(jìn)行定向分配的電子器件，在功率分配/合成、功率測(cè)量、信號(hào)采集等諸多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。由于正交電橋有個(gè)特性是它只耦合特定傳播方向的能量，使正交電橋成為電子戰(zhàn)、通信和雷達(dá)等系統(tǒng)中不可缺少的元件，主要用于平衡放大器、固態(tài)功率放大器，功率合成器和移相器等器件。

當(dāng)今的軍用和民用通信頻率朝著更高的方向發(fā)展，高性能的超寬帶正交電橋一直是研究重點(diǎn)之一。正交電橋按類型來區(qū)分有波導(dǎo)型，同軸線型，微帶線型和帶狀線型等。其中微帶線型和帶狀性型除了具有設(shè)計(jì)緊湊、便于小型化的設(shè)計(jì)、便于加工的優(yōu)點(diǎn)外，還有寬頻帶的特點(diǎn)，對(duì)于進(jìn)行超寬帶的設(shè)計(jì)有重大的意義。

常見的微帶線型正交電橋有l(wèi)ange電橋、環(huán)形電橋、分支線電橋等。若要實(shí)現(xiàn)3db的耦合度，則需要將多個(gè)相同的電橋進(jìn)行級(jí)聯(lián)，正如t.ciamulski于2009年設(shè)計(jì)的一種將多個(gè)lange電橋進(jìn)行級(jí)聯(lián)[ciamulskit.accuracyofelectromagneticanalysisforammiclangecoupler[c].internationalconferenceonelectromagneticsinadvancedapplications.ieee,2009:647-650.]，不過這種方法并不能將3db正交電橋做到多個(gè)倍頻程，而要做到多個(gè)倍頻程的帶寬，其耦合度則很難達(dá)到3db。

本發(fā)明針對(duì)上述難題，提出了一種基于多節(jié)級(jí)聯(lián)形式多倍頻程3db正交電橋的設(shè)計(jì)方法。利用這種方法，所發(fā)明的電橋具有回波損耗小、工作頻帶寬、耦合程度高、輸出幅度平衡性好、模型緊湊便于小型化、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，而且向更高頻率擴(kuò)展時(shí)，仍具可行性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種能夠用于多倍頻程3db正交電橋的方案，最終在工作頻帶內(nèi)輸出兩路幅度相等、相位相差90度的信號(hào)。除此之外，所發(fā)明的電橋必須具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易加工、工作頻帶寬、輸出幅度平衡性好，而且能夠向更高頻率擴(kuò)展等優(yōu)勢(shì)。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：該多倍頻程超寬帶正交電橋由三節(jié)電橋級(jí)聯(lián)而成，具體包括強(qiáng)耦合結(jié)構(gòu)一個(gè)以及弱耦合結(jié)構(gòu)兩個(gè)，這三節(jié)耦合器按照“弱耦合—強(qiáng)耦合—弱耦合”的順序進(jìn)行級(jí)聯(lián)。最終，所設(shè)計(jì)的電橋在可以在多個(gè)倍頻程的頻率范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)將輸入信號(hào)分為兩路幅度相等、相位相差90度信號(hào)輸出的功能。

進(jìn)一步的是，所述多倍頻程正交電橋中弱耦合部分通過傾斜漸變耦合線進(jìn)行耦合，并且耦合程度由中心向兩端連續(xù)遞減，而對(duì)耦合縫隙的傾斜漸變，有助于改善傳輸線中奇、耦模速度不相等的問題，從而加強(qiáng)該部分的定向性、降低回波損耗，也可以增加工作帶寬。

進(jìn)一步的是，所述多倍頻程正交電橋中強(qiáng)耦合部分由兩個(gè)完全相同的電橋串聯(lián)形成，且每個(gè)用于串聯(lián)的電橋設(shè)計(jì)成交叉耦合的形式，以實(shí)現(xiàn)在多倍頻程的頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)90度相移、減小整體電路的尺寸、便于電橋向小型化、集成化的方向發(fā)展。

進(jìn)一步的是，所述多倍頻程正交電橋中強(qiáng)耦合部分由兩個(gè)電橋串聯(lián)形成，且每個(gè)用于串聯(lián)的電橋以圓弧形狀進(jìn)行耦合，從而加強(qiáng)耦合程度、增加工作帶寬、簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)、使整個(gè)電路易于加工；整個(gè)電橋通過在各部分耦合線銜接過渡區(qū)通過倒角、倒圓角處理，減小整體電路的不連續(xù)性，使整個(gè)電路的損耗更小、匹配更好。

本發(fā)明的有益效果：一、整個(gè)電橋的弱耦合部分，采用漸變結(jié)構(gòu)進(jìn)行耦合，從而增加工作帶寬，改善電橋的定向性、減少回波損耗；二、整個(gè)電橋的強(qiáng)耦合部分，將兩個(gè)完全相等的電橋進(jìn)行串聯(lián)，并采用圓弧結(jié)構(gòu)進(jìn)行耦合，從而加強(qiáng)耦合程度、增加工作帶寬、簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)、減小整體電路體積，便于電橋的小型化和集成化；三、上述兩個(gè)弱耦合結(jié)構(gòu)和一個(gè)強(qiáng)耦合結(jié)構(gòu)按照“弱耦合—強(qiáng)耦合—弱耦合”的順序進(jìn)行級(jí)聯(lián)，最終電橋帶寬可以做到多個(gè)倍頻程，并且擁有良好的定向性和回波損耗。

附圖說明

圖1是本發(fā)明基于多倍頻程3db正交電橋中整體模型圖；

圖2是本發(fā)明基于多倍頻程3db正交電橋強(qiáng)耦合部分模型圖；

圖3是本發(fā)明基于多倍頻程3db正交電橋回波損耗及隔離度曲線圖；

圖4是本發(fā)明基于多倍頻程3db正交電橋輸出信號(hào)幅度不平衡度曲線圖；

圖5是本發(fā)明基于多倍頻程3db正交電橋輸出信號(hào)相位不平衡度曲線圖；

圖1中標(biāo)記說明：電橋中四個(gè)端口位置101、102、103和104，弱耦合結(jié)構(gòu)的四段耦合線201、202、203和204，其中201與202構(gòu)成第一部分弱耦合結(jié)構(gòu)，203與204構(gòu)成第二部分弱耦合結(jié)構(gòu)；強(qiáng)耦合結(jié)構(gòu)與弱耦合結(jié)構(gòu)的四處連接位置301、302、303和304；圖2中標(biāo)記說明：強(qiáng)耦合結(jié)構(gòu)中八段圓弧形耦合線401、402、403、404、405、406、407和408。該模型以線aa'分為兩個(gè)完全相等的電橋，每個(gè)電橋以交叉結(jié)構(gòu)進(jìn)行耦合。圖3中標(biāo)記說明：標(biāo)有m3的一根曲線表示整個(gè)電橋的回波損耗，標(biāo)有m4的一根曲線表示整個(gè)電橋的隔離度。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步的說明。

首先說明該多倍頻程3db正交電橋中強(qiáng)耦合結(jié)構(gòu)的原理。如圖2所示，可以看出401、402、403和404構(gòu)成第一段電橋，405、406、407和408構(gòu)成第二段電橋，且404、405與407直接相連，401、403與406直接相連。由參考文獻(xiàn)中強(qiáng)耦合串聯(lián)原理進(jìn)行分析可知，當(dāng)信號(hào)從301進(jìn)入時(shí)，一部分能量經(jīng)由第一個(gè)電橋的401端進(jìn)入，而后經(jīng)過與之相連的第二個(gè)電橋，最終到達(dá)302端，此時(shí)302為直通端；而另一部分能量則經(jīng)過耦合線進(jìn)行耦合，最終在304端口輸出，即304為耦合端；而303端口無能量輸出，為隔離端。

接下來說明整個(gè)多倍頻程3db正交電橋的工作原理：如圖1所示，當(dāng)信號(hào)由101端口輸入時(shí)，首先經(jīng)過第一個(gè)弱耦合結(jié)構(gòu)(由201和202兩端耦合線構(gòu)成)，在301和302端口分別為直通和耦合輸出，這兩個(gè)端口的信號(hào)接著通過中間部分強(qiáng)耦合結(jié)構(gòu)(由401—408這八段耦合線構(gòu)成)，以及第二個(gè)弱耦合結(jié)構(gòu)(由203和204兩端耦合線構(gòu)成)以后，在103和104端口輸出幅度相等且相位相差90度的兩路信號(hào)。最終，由101端口輸入的信號(hào)，在104端口直通輸出、103端口耦合輸出、102端口為隔離端口。

在上述實(shí)施方式中，弱耦合結(jié)構(gòu)通過漸變耦合的方式進(jìn)行耦合，從而拓展工作帶寬、改善電橋的定向性；強(qiáng)耦合結(jié)構(gòu)則以圓弧耦合線形式進(jìn)行交叉耦合，并且整個(gè)強(qiáng)耦合部分設(shè)計(jì)成一個(gè)圓環(huán)狀，大大簡(jiǎn)化了整體電路結(jié)構(gòu)、減小整體電路體積、降低了加工成本。綜上所述，該發(fā)明在微波的功率合成/分配電路中具有極大的應(yīng)用價(jià)值。

實(shí)施例

在該實(shí)施例中，如圖1所示的結(jié)構(gòu)，電橋金屬層的厚度為0.01mm，基板采用陶瓷基板，相對(duì)介電常數(shù)為9.8、基板厚度為0.254mm。電橋的工作頻率范圍為：6～18ghz，可以達(dá)到三個(gè)倍頻程。當(dāng)信號(hào)由101端口輸入時(shí)，102端口為隔離端口，103端口為耦合端口，104端口為直通端口。該電橋的回波損耗與隔離度如圖3所示，可以發(fā)現(xiàn)其回波損耗s11≤-14.90db，隔離度s12≤-14.90db。圖4則表示了電橋兩路輸出信號(hào)幅度的不平衡度，可以發(fā)現(xiàn)這兩路信號(hào)的幅度差小于0.73db。在圖5中，可以看出電橋兩路輸出信號(hào)，減去相差的90度相位，其相位不平衡度小于3.8度。因此，該發(fā)明在微波多倍頻程功率合成/分配領(lǐng)域中具有極大的應(yīng)用價(jià)值。