李紅濤 張洪林 胡斌杰 魏曉東 曾偉森

(1.華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院,廣州 510640;2.廣東工業(yè)大學(xué),廣州 510006)

?

一種寬頻帶小尺寸頻率可重構(gòu)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(xué)電子與信息學(xué)院,廣州 510640;2.廣東工業(yè)大學(xué),廣州 510006)

為了適應(yīng)通信發(fā)展中小尺寸可重構(gòu)的需求,提出一種具有寬頻帶小尺寸中心頻率可調(diào)的可重構(gòu)耦合器. 為減小電路尺寸,采用π型可調(diào)結(jié)構(gòu),并將可調(diào)部分電路放進(jìn)耦合器內(nèi)部夾角處,并分析可調(diào)電路開(kāi)路微帶線(xiàn)的夾角、長(zhǎng)度和寬度對(duì)中心頻率的影響. 電調(diào)功能由變?nèi)荻O管實(shí)現(xiàn). 文中通過(guò)分析電路結(jié)構(gòu),從理論上揭示了中心頻率可調(diào)的機(jī)理. 通過(guò)仿真、加工和測(cè)試,仿真和測(cè)試結(jié)果吻合良好.仿真和測(cè)試結(jié)果表明:通過(guò)改變加在變?nèi)荻O管兩端的電壓,耦合器的中心頻率在705～1 050 MHz范圍內(nèi)連續(xù)變化,在頻率變化過(guò)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(gòu);寬頻帶;相位正交和幅度平衡;變?nèi)荻O管;小尺寸

DOI 10.13443/j.cjors.2015090201

引 言

Hybrid耦合器是現(xiàn)代無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分. 它已被廣泛應(yīng)用于各方面,如天線(xiàn)陣列的饋電網(wǎng)絡(luò),功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)和平衡混頻器.

近年來(lái),有關(guān)耦合器的研究非常多. 文獻(xiàn)[1-2]研究了寬頻帶耦合器. 文獻(xiàn)[3]研究了耦合器尺寸的縮小. 文獻(xiàn)[4-13]研究了雙頻段耦合器. 文獻(xiàn)[7]研究了雙頻段耦合器原理. 文獻(xiàn)[8-9]研究雙頻段對(duì)稱(chēng)耦合器. 在文獻(xiàn)[10-11]中,實(shí)現(xiàn)了雙頻段不同功分比耦合器. 文獻(xiàn)[12]研究了在雙頻耦合器的兩個(gè)頻段上可以實(shí)現(xiàn)同步功分比變化. 文獻(xiàn)[13]研究了雙頻段上任意功分比耦合器. 然而以上有關(guān)耦合器的設(shè)計(jì)沒(méi)有加入可調(diào)功能,實(shí)現(xiàn)不了可重構(gòu)功能. 在常規(guī)耦合器的研究基礎(chǔ)上,變?nèi)荻O管用于設(shè)計(jì)可重構(gòu)耦合器成為研究熱點(diǎn). 文獻(xiàn)[14-20]中可調(diào)功率分配比Hybrid耦合器采用變?nèi)荻O管設(shè)計(jì),然而工作頻率卻是固定的. 在文獻(xiàn)[21-22]中,Hybrid耦合器可以在幾個(gè)窄頻帶之間切換,但是這些頻段之間并不連續(xù). 在文獻(xiàn)[23]中,一個(gè)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(diào)帶寬,但其最大的可調(diào)頻率帶寬也只有16.8%. 雖然已有很多電調(diào)混合耦合器的研究,但是他們不具有連續(xù)的可調(diào)中心頻率、寬頻帶、小尺寸,同時(shí)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(diào)中心頻率的可重構(gòu)耦合器. 利用π型結(jié)構(gòu)代替耦合器中的微帶線(xiàn)可以實(shí)現(xiàn)耦合器小型化. 變?nèi)荻O管用來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率的可調(diào)性. 該Hybrid耦合器的電長(zhǎng)度是由變?nèi)荻O管控制. 通過(guò)改變變?nèi)荻O管的偏置電壓,中心工作頻率在705～1 050 MHz范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào). 此外,在可調(diào)頻率范圍內(nèi),耦合器保持輸出端口相位正交和幅度平衡. 對(duì)加工后的耦合器測(cè)試,獲得與仿真數(shù)據(jù)很好的吻合一致性. 整個(gè)電路尺寸只有3.9 cm×3.7 cm.

1 頻率可重構(gòu)Hybrid耦合器的設(shè)計(jì)

該頻率可重構(gòu)的Hybrid耦合器結(jié)構(gòu)如圖1所示. 通過(guò)合并Hybrid耦合器 (圖2 (a))和電調(diào)結(jié)構(gòu)(圖2 (b))獲得頻率可重構(gòu)Hybrid耦合器. 為了實(shí)現(xiàn)頻率可重構(gòu)Hybrid耦合器,使用電調(diào)網(wǎng)絡(luò)取代Hybrid耦合器的四根微帶線(xiàn). 電調(diào)網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)分支線(xiàn)和兩個(gè)并聯(lián)可變電容(用變?nèi)荻O管實(shí)現(xiàn)),形成一個(gè)π型網(wǎng)絡(luò). 這個(gè)π型網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)于一個(gè)具有ZTa的特性阻抗和90°電長(zhǎng)度的微帶傳輸線(xiàn). 根據(jù)文獻(xiàn)[3]提出的利用π型結(jié)構(gòu)代替耦合器中的微帶線(xiàn)可以實(shí)現(xiàn)耦合器小型化,可以將邊長(zhǎng)由原來(lái)的四分之一波長(zhǎng)縮小為十二分之一波長(zhǎng),大大縮小了電路尺寸. 本文也采用π型結(jié)構(gòu)代替耦合器中的微帶線(xiàn),并將可調(diào)部分電路放進(jìn)耦合器內(nèi)部夾角處,以實(shí)現(xiàn)耦合器小型化.

圖1 寬頻帶中心頻率可調(diào)耦合器電路結(jié)構(gòu)

(a) 一般耦合器 (b)電調(diào)網(wǎng)絡(luò)圖2 寬頻帶中心頻率可調(diào)耦合器電路組成

先不考慮與變?nèi)荻O管串聯(lián)部分的微帶線(xiàn)影響,π型網(wǎng)絡(luò)對(duì)應(yīng)的ABCD矩陣如下

(1)

(2)

式中,

Y=ωCp=2πfCp.

(3)

從式(2) 可獲得如下兩個(gè)方程:

cos θa-ZaYsin θa=cos 90°,

(4)

jZasin θa=jZTasin 90°.

(5)

將式(3)帶入式(4), 電長(zhǎng)度θa表達(dá)式如下:

θa=arccot(YZa)=arccot(2πfCpZa).

(6)

將式(6)帶入式(5),可以獲得如下結(jié)果:

ZTa=Zasin θa=Zasin(arccot(2πfCpZa))

(7)

所以,

(8)

對(duì)微帶線(xiàn)Zb通過(guò)同樣的方法,可以獲得如下結(jié)果:

ZTa=Zbsin θb=Zbsin(arccot(2πfCpZb))

=Z0,

(9)

進(jìn)一步可以將式(6)轉(zhuǎn)化為以下結(jié)果

(10)

根據(jù)式(8)和式(10), 電容Cp與工作頻率f成反比關(guān)系. 通過(guò)增加變?nèi)荻O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(xiàn)的電長(zhǎng)度由變?nèi)荻O管兩端的偏置電壓決定. 通過(guò)連續(xù)調(diào)整變?nèi)荻O管的偏置電壓, Hybrid耦合器的工作頻率跟著連續(xù)可調(diào)變化.

另外,通過(guò)仿真分析發(fā)現(xiàn),與變?nèi)荻O管串聯(lián)部分的微帶線(xiàn)的角度、長(zhǎng)度和寬度變化時(shí),也會(huì)對(duì)中心頻率起到微調(diào)的作用,具體仿真結(jié)果見(jiàn)下文分析.

通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn),短接線(xiàn)與邊框電路的夾角t會(huì)影響耦合器中心頻率,如圖3所示,當(dāng)夾角t從20°變化至40°之間變化時(shí),中心頻率會(huì)從710 MHz降低到680 MHz.

圖3 當(dāng)Cp=6.5 pF，短接線(xiàn)與邊框電路的夾角t對(duì)中心頻率的影響

通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn),短接線(xiàn)的長(zhǎng)度l3影響耦合器中心頻率,如圖4所示,當(dāng)長(zhǎng)度從7 mm變化至16 mm時(shí),中心頻率會(huì)從700 MHz降低到575 MHz.

通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn),短接線(xiàn)的寬度w3影響耦合器中心頻率,如圖5所示,當(dāng)長(zhǎng)度從0.2 mm變化至1.0 mm時(shí),中心頻率會(huì)從675 MHz升高到720 MHz.

圖4 當(dāng)Cp=6.5 pF，短接線(xiàn)的長(zhǎng)度l3對(duì)中心頻率的影響

圖5 當(dāng)Cp=6.5 pF，短接線(xiàn)的寬度w3對(duì)中心頻率的影響

綜上所述,通過(guò)連續(xù)調(diào)整變?nèi)荻O管的偏置電壓, Hybrid耦合器的工作頻率跟著連續(xù)可調(diào)變化;另外,與變?nèi)荻O管串聯(lián)部分的微帶線(xiàn)的角度、長(zhǎng)度和寬度也會(huì)對(duì)中心頻率有影響,改變相應(yīng)參數(shù),也會(huì)相應(yīng)地調(diào)整耦合器的中心頻率. 在實(shí)際設(shè)計(jì)中,可以參照以上短接線(xiàn)與邊框電路的夾角t對(duì)中心頻率的影響、短接線(xiàn)的長(zhǎng)度l3對(duì)中心頻率的影響以及短接線(xiàn)的寬度w3對(duì)中心頻率的影響進(jìn)行綜合,最終確定可重構(gòu)耦合器的中心頻率.

2 結(jié)果和討論

綜合上文給出的有關(guān)可重構(gòu)耦合器中心頻率的 決定因素,經(jīng)過(guò)反復(fù)仿真,獲得表1的參數(shù),對(duì)應(yīng)于表1參數(shù)的頻率可重構(gòu)Hybrid耦合器,其仿真S參數(shù)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(dāng)可變電容Cp增大時(shí),Hybrid耦合器的工作頻率下降,這符合原理推導(dǎo)部分獲得的結(jié)論:電容Cp與工作頻率f成反比關(guān)系. 圖6(c)和6 (d)表明,在工作頻帶內(nèi),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(diào)耦合器結(jié)構(gòu)參數(shù)

(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(shí)的仿真參數(shù)

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的Hybrid耦合器的性能,本文利用FR-4制作一個(gè)Hybrid耦合器. 板材FR-4的介電常數(shù)是和介質(zhì)損耗角正切分別為4.7和0.02,厚度為1 mm. 實(shí)際加工的Hybrid耦合器尺寸與仿真參數(shù)一致. 變?nèi)荻O管JDV2S71E代替圖1中的可變電容Cp,變?nèi)荻O管JDV2S71E電壓與電容Cp對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖9所示. 實(shí)際設(shè)計(jì)加工后的電路如圖7所示. 為了保護(hù)測(cè)試設(shè)備和變?nèi)荻O管,增加了保護(hù)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(shí)的波長(zhǎng),λg2代表在1 050 MHz時(shí)的波長(zhǎng).

圖7 頻率可重構(gòu)耦合器實(shí)物照片

運(yùn)用四端口網(wǎng)絡(luò)分析儀E5071C測(cè)試Hybrid耦合器,測(cè)試結(jié)果S參數(shù)如圖8所示. 從圖8的數(shù)據(jù)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?nèi)荻O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(diǎn),Hybrid耦合器的反射系數(shù)|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(diǎn),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(nèi), 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(jié)果相比較,測(cè)試結(jié)果與之吻合良好.

(a) |S11|

(b) |S14|

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

圖9 變?nèi)荻O管JDV2S71E電壓與電容Cp對(duì)應(yīng)關(guān)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(tǒng)的3 dB耦合器相比,插入損耗大約為1.5～2 dB. 引起這個(gè)損耗的原因在于如圖7所示的頻率可重構(gòu)耦合器中變?nèi)荻O管電路電壓加載電路部分的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu). 為了保護(hù)測(cè)試設(shè)備和變?nèi)荻O管,增加了保護(hù)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(nèi)連續(xù)可調(diào),根據(jù)圖9中變?nèi)荻O管JDV2S71E電壓與電容Cp對(duì)應(yīng)關(guān)系,變?nèi)荻O管JDV2S71E的變化范圍在0.5～9 pF內(nèi). 在705 MHz時(shí)變?nèi)荻O管等效電容對(duì)應(yīng)的阻抗值為25 Ω,在1 050 MHz時(shí)變?nèi)荻O管等效電容對(duì)應(yīng)的阻抗值為303 Ω. 相對(duì)于隔直電阻Rbias=4.7 kΩ來(lái)說(shuō),變?nèi)荻O管的阻抗偏小,從端口1進(jìn)入的能量大部分會(huì)通過(guò)四個(gè)變?nèi)荻O管泄露,導(dǎo)致輸出端口具有能量損失,導(dǎo)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(cè)試的中心頻率和帶寬.偏置電壓從1.0到 22 V的變化過(guò)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(cè)試結(jié)果也表明,偏置電壓增加工作帶寬也變寬. 當(dāng)偏置電壓達(dá)到22 V, 測(cè)試帶寬達(dá)到41.1%(850～1 290 MHz).

表2 在不同偏置電壓條件下，|S11|< - 10 dB時(shí)，測(cè)試的中心頻率和帶寬數(shù)據(jù)

表3 可調(diào)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(shè)計(jì)的電路表現(xiàn)出更寬的可調(diào)帶寬和更小的尺寸.

3 結(jié)論

本文展示了一種具有寬頻帶小尺寸中心頻率可調(diào)的可重構(gòu)耦合器. 通過(guò)改變加在變?nèi)荻O管兩端的電壓,耦合器的中心頻率在705～1 050 MHz (39.3%)范圍內(nèi)連續(xù)變化. 在不同偏置電壓下的工作頻帶內(nèi),Hybrid耦合器都保持輸出端口相位正交和幅度平衡. 另外,整個(gè)電路尺寸比較小(3.9 cm×3.7 cm,相當(dāng)于0.092λg1×0.087λg1或者0.137λg2×0.130λg2). 測(cè)試數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)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(guó)家自然科學(xué)聯(lián)合基金(U1035002); 粵港科技攻關(guān)項(xiàng)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(xué)電子與信息學(xué)院通信與信息系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)博士研究生,主要從事無(wú)線(xiàn)通信方面的研究.

張洪林 (1976-),男,四川人,華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院教師,博士,研究方向?yàn)殡姶爬碚撆c電磁兼容.

胡斌杰 (1960-),男,陜西人,華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院教授,博士生導(dǎo)師, 1991年在中國(guó)電波傳播研究所獲碩士學(xué)位,1997年在成都電子科技大學(xué)獲博士學(xué)位,1997-1999年,作為華南理工大學(xué)的博士后從事研究工作,2001-2002年,作為訪問(wèn)學(xué)者,在香港城市大學(xué)電子工程系做科研工作,2005年,在法國(guó)Nantes大學(xué)做訪問(wèn)教授, 目前主要研究無(wú)線(xiàn)通信、微波電路、認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電和天線(xiàn).

魏曉東 (1988-),男,安徽人,華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院通信與信息系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)博士研究生,主要從事無(wú)線(xiàn)通信方面的研究.

曾偉森 (1992-),男,廣東人,廣東工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)本科生,主要從事無(wú)線(xiàn)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(gòu)耦合器[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào),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(xiàng)目(CGZHZD1102)

聯(lián)系人： 張洪林 E-mail:eezhl@scut.edu.cn