祝子輝++王鐘葆

摘 要： 提出一種具有諧波抑制的小型化混合環(huán)耦合器。采用T型結(jié)構(gòu)代替[7λ6]混合環(huán)中的每一段[λ6]傳輸線(xiàn)，以顯著減小混合環(huán)的尺寸；并且通過(guò)T型結(jié)構(gòu)中的并聯(lián)開(kāi)路枝節(jié)引入帶外傳輸零點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)針對(duì)三次諧波的抑制作用。為驗(yàn)證理論的正確性，設(shè)計(jì)了一個(gè)中心工作頻率為1 GHz的小型化混合環(huán)，并給出電磁仿真和實(shí)物測(cè)試結(jié)果。測(cè)試結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的混合環(huán)在保持3 dB耦合器工作特性的同時(shí)，在三次諧波附近插入衰減大于30 dB，實(shí)現(xiàn)了良好的諧波抑制功能。此外，該混合環(huán)的尺寸僅為傳統(tǒng)混合環(huán)耦合器的34.2%，具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞： 混合環(huán)耦合器； 小型化； 諧波抑制； 開(kāi)路枝節(jié)

中圖分類(lèi)號(hào)： TN622?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）21?0043?03

Design of a miniaturized rat?race coupler with harmonic suppression function

ZHU Zihui， WANG Zhongbao

（School of Information Science and Technology， Dalian Maritime University， Dalian 116026， China）

Abstract： A miniaturized rat?race coupler with harmonic suppression function is proposed， in which the T?type structure replaces each [λ6] transmission line in [7λ6] rat?race loop to reduce the dimension of the rat?race loop， and the out?of?band transmission zero is introduced through the parallel open?circuit stub in T?type structure to suppress the third harmonic. In order to verify the validity of the theory， a miniaturized rat?race loop is designed， whose central working frequency is 1 GHz. The results of material object test and electromagnetic simulation are given. The test results show that the rat?race loop has perfect harmonic suppression function， and its insertion attenuation near the third harmonic is higher than 30 dB while the working characteristic of the coupler maintains at 3 dB. The dimension of the proposed rat?race coupler is 34.2% of the traditional rat?race coupler. The coupler has broad application prospect.

Keywords： rat?race coupler； miniaturization； harmonic suppression； open?circuit stub

0 引 言

混合環(huán)耦合器不僅能夠?qū)崿F(xiàn)功率分配作用，還能實(shí)現(xiàn)特定端口之間的同相或反相輸出，已廣泛應(yīng)用于差分饋電天線(xiàn)、平衡式放大器和混頻器中。在實(shí)際運(yùn)用中，耦合器的尺寸已成為設(shè)計(jì)過(guò)程中必須考慮的重要指標(biāo)。此外，在有源電路應(yīng)用中，其諧波抑制能力也成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。

近年來(lái)，出現(xiàn)了較多的混合環(huán)小型化技術(shù)，例如，采用C型折疊耦合線(xiàn)結(jié)構(gòu)[1]、非均勻傳輸線(xiàn)[2]或基于左右手傳輸線(xiàn)概念[3]的集總電感電容元件等小型化方案。而折疊耦合微帶線(xiàn)奇偶模電長(zhǎng)度不相等將惡化性能，非均勻傳輸線(xiàn)設(shè)計(jì)理論復(fù)雜，左右手傳輸線(xiàn)需較多的集總電感電容將引入較大的損耗。另外，與Π型[4]和T型[5]等效電路法相比，通過(guò)缺陷性地結(jié)構(gòu)[6]、階梯阻抗變換器[7]、補(bǔ)償開(kāi)環(huán)諧振單元[8]等方案用于諧波抑制，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)計(jì)困難?；谇叭搜芯砍晒?，本文提出一種利于實(shí)現(xiàn)且具有諧波抑制的小型化耦合器。

1 理論分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1給出了[7λ6]混合環(huán)耦合器的結(jié)構(gòu)示意圖。根據(jù)奇偶模理論分析可知[9]：當(dāng)[θ1=]60°時(shí)，[Z1=2×503 Ω，]傳統(tǒng)耦合器總的電長(zhǎng)度由原來(lái)的540°變?yōu)?20°，圓周減小了22.2%。

為了進(jìn)一步減小混合環(huán)的尺寸，采用如圖2所示的T型結(jié)構(gòu)代替[7λ6]耦合環(huán)中的每一段[λ6]傳輸線(xiàn)，得到如圖3所示的小型化耦合器結(jié)構(gòu)。通過(guò)令T型結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)移矩陣與[λ6]傳輸線(xiàn)的轉(zhuǎn)移矩陣各元素一一對(duì)應(yīng)相等，可得如下等效關(guān)系式：

[ZT=100（3tanθT）] （1）

[ZO=200cos2θTtanθO（6cos2θT-3）] （2）

式中：[ZT]和[θT]分別為左右臂傳輸線(xiàn)的特性阻抗和電長(zhǎng)度；[ZO]和[θO]分別為開(kāi)路枝節(jié)的特性阻抗和電長(zhǎng)度。

針對(duì)三次諧波的抑制，根據(jù)式（3）可以算出開(kāi)路枝節(jié)的電長(zhǎng)度：

[θO=πf0（2fs）] （3）

式中：[f0]為耦合器中心工作頻率；[fs]為諧波抑制頻率。endprint

通過(guò)ADS電路仿真分析，確定一組最優(yōu)的設(shè)計(jì)參數(shù)：開(kāi)路枝節(jié)的特性阻抗和電長(zhǎng)度分別為78.4 Ω和30°；T型結(jié)構(gòu)左右臂傳輸線(xiàn)的特性阻抗和電長(zhǎng)度分別為80.9 Ω和22.4°。

由圖4可知，在中心工作頻率1 GHz處，本文提出的耦合器與傳統(tǒng)耦合器在性能上有著很好的一致性，但本文提出的結(jié)構(gòu)在3 GHz處的傳輸零點(diǎn)很好地抑制了諧波。

2 實(shí)物制作與性能分析

基于第1節(jié)的理論分析，對(duì)小型化耦合器進(jìn)行實(shí)物加工與測(cè)試驗(yàn)證。采用的微波電路板的相對(duì)介電常數(shù)為2.65，厚度為1.5 mm。采用TXline傳輸線(xiàn)計(jì)算工具，根據(jù)特性阻抗和電長(zhǎng)度計(jì)算出物理尺寸，再通過(guò)HFSS仿真，考慮開(kāi)路端邊緣電容效應(yīng)后，開(kāi)路枝節(jié)長(zhǎng)度為17.31 mm，開(kāi)路枝節(jié)寬度為1.87 mm，耦合環(huán)的半徑為28.86 mm，耦合環(huán)傳輸線(xiàn)的寬度為1.76 mm。制作的混合環(huán)耦合器實(shí)物如圖5所示，該混合環(huán)的尺寸僅為傳統(tǒng)混合環(huán)耦合器的34.2%。

使用安捷倫N5230A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)加工的耦合器進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，仿真與測(cè)試結(jié)果如圖6所示，仿真與測(cè)試結(jié)果具有較好的一致性。

由圖6（a）可知，測(cè)試的回波損耗（[S11<]-10 dB）大于10 dB的相對(duì)帶寬為30.8%（0.927～1.264 GHz），隔離度（[S31<]-20 dB）大于20 dB的相對(duì)帶寬為25.1%（0.929～1.196 GHz，最大隔離35.5 dB）。

由圖6（b）和圖6（c）可知，在測(cè)試的匹配最佳點(diǎn)（1.05 GHz）處，[S21=]-3.21 dB，[S41=]-3.24 dB，[∠S21-][∠S41=]0.95°，[∠S23-∠S43=]179.49°，實(shí)現(xiàn)了等幅同相和反相輸出特性。

此外，由圖6（b）的測(cè)試結(jié)果可知，在2.17 GHz和3.11 GHz處有兩個(gè)明顯的傳輸零點(diǎn)，使得2.1～3.7 GHz范圍內(nèi)插入衰減大于10 dB，在三次諧波（3.15 GHz）處抑制度大于30 dB，這歸功于開(kāi)路枝節(jié)所引入的傳輸零點(diǎn)。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文提出一種具有諧波抑制的小型化混合環(huán)耦合器。該耦合器以[7λ6]混合環(huán)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，通過(guò)引入T型等效傳輸線(xiàn)結(jié)構(gòu)，不僅將電路尺寸縮小了65.8%，而且利用該結(jié)構(gòu)的開(kāi)路枝節(jié)引入的傳輸零點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了30 dB以上的三次諧波抑制作用。該耦合器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能良好等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

注：本文通訊作者為王鐘葆。

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