具有諧波抑制的小型化混合環(huán)耦合器設計

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型結構代替[7λ6]混合環(huán)中的每一段[λ6]傳輸線，以顯著減小混合環(huán)的尺寸；并且通過T型結構中的并聯(lián)開路枝節(jié)引入帶外傳輸零點，實現(xiàn)針對三次諧波的抑制作用。為驗證理論的正確性，設計了一個中心工作頻率為1 GHz的小型化混合環(huán)，并給出電磁仿真和實物測試結果。測試結果表明，所設計的混合環(huán)在保持3 dB耦合器工作特性的同時，在三次諧波附近插入衰減大于30 dB，實現(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%，具有廣闊的應用前景。

關鍵詞： 混合環(huán)耦合器； 小型化； 諧波抑制； 開路枝節(jié)

中圖分類號： TN622?34 文獻標識碼： A 文章編號： 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)耦合器不僅能夠實現(xiàn)功率分配作用，還能實現(xiàn)特定端口之間的同相或反相輸出，已廣泛應用于差分饋電天線、平衡式放大器和混頻器中。在實際運用中，耦合器的尺寸已成為設計過程中必須考慮的重要指標。此外，在有源電路應用中，其諧波抑制能力也成為國內外研究的熱點。

近年來，出現(xiàn)了較多的混合環(huán)小型化技術，例如，采用C型折疊耦合線結構[1]、非均勻傳輸線[2]或基于左右手傳輸線概念[3]的集總電感電容元件等小型化方案。而折疊耦合微帶線奇偶模電長度不相等將惡化性能，非均勻傳輸線設計理論復雜，左右手傳輸線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，通過缺陷性地結構[6]、階梯阻抗變換器[7]、補償開環(huán)諧振單元[8]等方案用于諧波抑制，其結構復雜、設計困難。基于前人研究成果，本文提出一種利于實現(xiàn)且具有諧波抑制的小型化耦合器。

1 理論分析與結構設計

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

為了進一步減小混合環(huán)的尺寸，采用如圖2所示的T型結構代替[7λ6]耦合環(huán)中的每一段[λ6]傳輸線，得到如圖3所示的小型化耦合器結構。通過令T型結構的轉移矩陣與[λ6]傳輸線的轉移矩陣各元素一一對應相等，可得如下等效關系式：

[ZT=100（3tanθT）] （1）

[ZO=200cos2θTtanθO（6cos2θT-3）] （2）

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

針對三次諧波的抑制，根據(jù)式（3）可以算出開路枝節(jié)的電長度：

[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ADS電路仿真分析，確定一組最優(yōu)的設計參數(shù)：開路枝節(jié)的特性阻抗和電長度分別為78.4 Ω和30°；T型結構左右臂傳輸線的特性阻抗和電長度分別為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，但本文提出的結構在3 GHz處的傳輸零點很好地抑制了諧波。

2 實物制作與性能分析

基于第1節(jié)的理論分析，對小型化耦合器進行實物加工與測試驗證。采用的微波電路板的相對介電常數(shù)為2.65，厚度為1.5 mm。采用TXline傳輸線計算工具，根據(jù)特性阻抗和電長度計算出物理尺寸，再通過HFSS仿真，考慮開路端邊緣電容效應后，開路枝節(jié)長度為17.31 mm，開路枝節(jié)寬度為1.87 mm，耦合環(huán)的半徑為28.86 mm，耦合環(huán)傳輸線的寬度為1.76 mm。制作的混合環(huán)耦合器實物如圖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)絡分析儀對加工的耦合器進行實際測試，仿真與測試結果如圖6所示，仿真與測試結果具有較好的一致性。

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

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

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

3 結 語

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)結構為基礎，通過引入T型等效傳輸線結構，不僅將電路尺寸縮小了65.8%，而且利用該結構的開路枝節(jié)引入的傳輸零點實現(xiàn)了30 dB以上的三次諧波抑制作用。該耦合器具有結構簡單、性能良好等優(yōu)點，具有廣闊的應用前景。

注：本文通訊作者為王鐘葆。

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