一种基于边耦合结构的宽带小型化180°耦合器制造技术

本发明专利技术公开一种基于边耦合结构的宽带小型化180°耦合器，所述耦合器包括4个输入/输出端口、设置在所述4个输入/输出端口侧的单层边耦合线和两段级联的环形拓扑结构，所述两段级联的环形拓扑结构包括由弯曲微带线实现的两个环形结构以及4条突出的用于与端口进行边耦合微带线，其中，所述单层边耦合线与突出的微带线处于同一层，每个输入/输出端口均通过对应的单层边耦合线与突出的微带线相交错，实现单层边耦合。本发明专利技术通过在每个输入/输出端口使用单层边耦合线以及阻抗匹配来使得带宽变大，通过采取弯曲微带线和两段环形拓扑结构级联的方法实现耦合器整体小型化。

A Broadband Miniaturized 180 Degree Coupler Based on Side Coupling Structure

【技术实现步骤摘要】
一种基于边耦合结构的宽带小型化180°耦合器
本专利技术涉及电子器件
，具体为一种基于边耦合结构的宽带小型化180°耦合器。
技术介绍
第五代(5G)通信需要使用低于6GHz的频率传输宽带信号。在频率范围为1(FR1)的5G新无线通信技术(NR)中，最有应用前景的波段是N77(3.3-4.2GHz)、N78(3.3-3.8GHz)和N79(4.4-5GHz)。因此，对覆盖3.3到5GHz应用的组件的需求越来越大。关于3.3-5GHz无源器件(滤波器或天线)的研究文献已有报道，但针对3.3-5GHz频率的180°耦合器却鲜有报道。180°耦合器，被用来分离或组合用于平衡混频器、平衡放大器和天线阵列馈电网络的信号。众所周知，在收发器中大量使用的180°耦合器是5G通信中最具挑战性的组件之一。这是因为传统的180°耦合器相对带宽有限，而且有4个输入/输出端口，所有端口都有阻抗匹配要求和相位要求(0°或180°)。其次，传统的180°耦合器由于传输线转角为90°或270°，面积较大，这一点在低频段尤为严重。因此，增加带宽和缩小尺寸是5GN77、N78和N79波段应用的研究热点。现有技术中，有通过采用180°反相器来增加带宽，如，MoTT,XueQ,ChanCH.一种使用新型CPW逆变器的宽带紧凑型180°耦合器，IEEETrans.Microw.TheoryTech.，2007年；第55期:第161-167页；或通过悬带线来增加带宽，如，RobertSmolarz,KrzysztofWinczaandSlawomirGruszczynski，悬条线宽带180°耦合器的大信号S参数测量,inProc.第21届国际微波会议,雷达和无线通信(MIKON),2016年；第1-3页。现有技术中，有通过采用慢波人工传输线来实现小型化，如，Coromina,J.,Selga,J.,Vélez,P.,Bonache,J.andMartín,F，采用电容性负载慢波传输线实现支路耦合器的尺寸减小和谐波抑制，微波与光学技术通讯,2017年；59页：第2822-2830页；或通过基片集成波导来实现小型化，如Hagag,MohamedF.,andDimitriosPeroulis，一种紧凑的可调谐滤波180°耦合器，InProc.IEEE/MTT-S国际微波研讨会,2018年；第1118-1121页。然而，这些方法的带宽增大和尺寸小型化需要通过过渡，缺陷的地面结构，键合线或金属带，导致制造过程复杂，生产产量小。这对于容差敏感的5G设备生产是不稳定的。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种基于边耦合结构的宽带小型化180°耦合器，通过在每个输入/输出端口使用单层边耦合线以及阻抗匹配来使得带宽变大，通过采取弯曲微带线和两段环形拓扑结构级联的方法实现耦合器整体小型化。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种基于边耦合结构的宽带小型化180°耦合器，所述耦合器包括4个输入/输出端口、设置在所述4个输入/输出端口侧的单层边耦合线和两段级联的环形拓扑结构，所述两段级联的环形拓扑结构包括由弯曲微带线实现的两个环形结构以及4条突出的微带线，其中，所述单层边耦合线与突出的微带线处于同一层，每个输入/输出端口均通过对应的单层边耦合线与突出的微带线相交错，实现单层边耦合。优选地，所述单层边耦合线的长度为λg/4，其中，λg为波导波长。优选地，所述两段级联的环形拓扑结构包括4条λg/4长度的水平线和3条λg/2长度的垂直线。优选地，每个输入/输出端口的边缘端耦合强度由弯曲微带线在每个输入/输出端口的重叠区域控制，其中，边缘端的耦合效应越强，带宽特性越宽。具体地，每个输入/输出端口的边缘端耦合强度由突出的微带线与对应的端口的边缘耦合线的相交错区域控制。优选地，所述两个环形结构中的每条线均设有一个拐弯来缩短长度。优选地，所述4个输入/输出端口设置在PCB板同层的上侧，两段级联的环形拓扑结构设置在PCB板的同层下侧。优选地，所述耦合器的整体尺寸为36×20mm。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：(1)本专利技术公开的一种覆盖3-5GHz的基于边耦合结构的宽带小型化180°耦合器，在每个输入/输出端口采用边缘耦合线和阻抗匹配来获得宽带特性，采用弯曲微带线和两段环形拓扑结构级联的方法来实现耦合器整体的小型化。(2)本专利技术提供的耦合器，能够使相对带宽达到50％，且其尺寸相较传统180°耦合器减小60％，同时能够得到良好的同相和反相特性。(3)本专利技术提供的耦合器的电路采用传统的印刷电路板(PCB)工艺，相比于其他类型180°耦合器而言，更易于制作，适合大批量生产。附图说明图1为根据本专利技术实施例的180°耦合器的原理示意图。图2为根据本专利技术实施例的180°耦合器的三维结构示意图。图3为根据本专利技术实施例的用于分析从端口3向信号发射端方向看的输入阻抗的边缘耦合线示意图。图4为根据本专利技术实施例的带有尺寸参数定义的俯视示意图。图5为根据本专利技术实施例的S参数仿真结果示意图。图6为根据本专利技术实施例的180°耦合器的输出幅度差仿真结果示意图。图7为根据本专利技术实施例的180°耦合器的相位差仿真结果示意图。具体实施方式下面将结合本专利技术中的附图，对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术提供一种基于边耦合结构的宽带小型化180°耦合器，所述耦合器包括4个输入/输出端口、设置在所述4个输入/输出端口侧的单层边耦合线和两段级联的环形拓扑结构，所述两段级联的环形拓扑结构包括由弯曲微带线实现的两个环形结构以及4条突出的用于与端口进行耦合的微带线，其中，所述单层边耦合线与突出的微带线处于同一层，每个输入/输出端口均通过对应的单层边耦合线与突出的微带线相交错，实现单层边耦合。本专利技术通过在每个输入/输出端口使用单层边耦合线和两段级联的环形拓扑结构来使得带宽变大，通过采取弯曲微带线的方法实现两段环形拓扑结构的小型化。如图1所示，所述耦合器具有端口1、端口2、端口3和端口4。为了实现宽带特性，在每个输入/输出端口都使用了一段长度为λg/4的单层开路边缘耦合线，并通过所述单层开路边缘耦合线将各输入/输出端口连接至级联的两段拓扑结构。其中，端口1至4的阻抗均为Z0，每个端口设置的单层开路边缘耦合线的阻抗均为Z1。底部的两段环形拓扑结构包括4条λg/4长度的水平线和3条λg/2长度的垂直线。其中，图1左侧的环形结构中，两条水平线的阻抗均为Z2。图1右侧的环形结构中，两条水平线的阻抗均为Z3。3条垂直线的阻抗依次为Z4、Z5、Z6。图1中，每个端口的虚线框区域表示各端口设置的单层开路边缘耦合线和弯曲微带线的重叠区域(即，各端口设置的单层开路边缘耦合线与对应的突出的微带线的相交错区域)。其中，重叠区域越多，耦合效应越强，而耦合效应越强越有助于带宽变宽。如图2所示，端口1、2、3、4安装在PCB板同层的上侧，两段级联的环行结构安装在PCB板同层的下侧。上侧的4个输入/输出端口和下侧两段级联环形结构之间的连本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于边耦合结构的宽带小型化180°耦合器，其特征在于，所述耦合器包括4个输入/输出端口、设置在所述4个输入/输出端口侧的单层边耦合线和两段级联的环形拓扑结构，所述两段级联的环形拓扑结构包括由弯曲微带线实现的两个环形结构以及4条突出的用于与端口进行边耦合的微带线，其中，所述单层边耦合线与突出的微带线处于同一层，每个输入/输出端口均通过对应的单层边耦合线与突出的微带线相交错，实现单层边耦合。

【技术特征摘要】
1.一种基于边耦合结构的宽带小型化180°耦合器，其特征在于，所述耦合器包括4个输入/输出端口、设置在所述4个输入/输出端口侧的单层边耦合线和两段级联的环形拓扑结构，所述两段级联的环形拓扑结构包括由弯曲微带线实现的两个环形结构以及4条突出的用于与端口进行边耦合的微带线，其中，所述单层边耦合线与突出的微带线处于同一层，每个输入/输出端口均通过对应的单层边耦合线与突出的微带线相交错，实现单层边耦合。2.根据权利要求1所述的一种基于边耦合结构的宽带小型化180°耦合器，其特征在于，所述单层边耦合线的长度为λg/4，其中，λg为波导波长。3.根据权利要求1所述的一种基于边耦合结构的宽带小型化180°耦合器，其特征在于，所述两段级联的环形拓扑结构包括4条λg/4长度的水平线...

【专利技术属性】
技术研发人员：李昌锟，钱力，周波，王柠琳，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32