一种任意阻抗变换比集总宽带正交定向耦合器的分析方法

左劲风,　杨明武,　张祖华

(合肥工业大学 电子科学与应用物理学院,安徽 合肥　230009)



一种任意阻抗变换比集总宽带正交定向耦合器的分析方法

左劲风,杨明武,张祖华

(合肥工业大学 电子科学与应用物理学院,安徽 合肥230009)

摘要:文章提出了一种实现任意阻抗变换比的集总参数宽带正交定向耦合器的分析及设计方法,通过定向耦合器的奇偶模分析,从链形散射矩阵角度出发,得到级联定向耦合器的任意阻抗变换比的元件参数解算公式。经先进设计系统(advanced design system,ADS)仿真验证,由参数解算公式得到的网络变换阻抗值和计算结果一致,并且级联的带宽比单级定向耦合器单元的带宽有显著提高。给出以2.45 GHz为中心频点、阻抗变换比为4的设计实例,对分析方法进行了验证,测试结果与仿真结果吻合。由于使用的是集总参数型的元件,该耦合器输出阻抗可根据比例要求设定,具有小尺寸、大带宽、易于单片微波集成电路(monolithic microwave integrated circuit,MMIC)的集成等优点。

关键词:集总参数;任意阻抗比;正交定向耦合器

定向耦合器被广泛应用于移相器中,传统的定向耦合器一般采用微带传输线实现。然而用分布参数设计的定向耦合器占用面积大[1],不利于单片微波集成电路(monolithic microwave integrated circuit,MMIC)移相器集成度的提高。在移相器后端变容二极管电容变化范围有限的情况下,集总参数定向耦合器输入输出阻抗的不对等[2]可以提高移相器的相移度,降低了对后端容抗变化范围的要求[3-4]，同时输出阻抗的减小,也降低了对容抗变换模块在MMIC中集成的苛刻要求,甚至基于目前的工艺,一个集成的三极管就可以满足要求[5]。文献[6]对阻抗变换比n=0.06的集总参数正交定向耦合器进行了相关研究。文献[7]则实现了阻抗变换比n=1的集总参数正交定向耦合器。本文从链形散射矩阵[8]的角度出发,在级联2个定向耦合器可以获得最大带宽的基础上,提出级联定向耦合器的分析方法,该方法可以满足设置级联定向耦合器的任意阻抗变换比,以使得定向耦合器更好地应用于MMIC电路设计中。

1理论分析与计算

集总参数同向定向耦合器的电路模型如图1所示。左侧两端口为输入端口,右侧两端口为输出端口。其二端口的奇偶模等效模型[9]如图2所示。

图2　双端口奇偶模等效模型

为了确定电路的反射系数和传输系数,本文采用矩阵的方式来描述,可以得到等效二端口的链形散射矩阵为:

(1)

其中

前端的定向耦合器限制了移相器整体的带宽,为了拓展带宽,将单级定向耦合器级联起来,如图3所示。

图3　级联网络模型

则级联后的链形散射矩阵为:

(2)

假设第1级的阻抗变换比为n,第2级的阻抗变换比也为n,则级联后总的阻抗比为n2,可得:

(3)

其中,Bie=Bpi;Boi=Bpi+2Bi。

对于正交定向耦合器有:

T12e=T12o=0; |T11e|2=|T11o|2=1

(4)

将(4)式代入(3)式,可得:

(5)

根据单级定向耦合器奇偶模分析可得B1=nB=n2B2,并假设

代入(5)式,可得:

(6)

(7)

考虑到电容和电感的可交换性,因此通过该方法得到正交向耦合器,2种任意阻抗变换比定向耦合器拓扑结构如图4所示。

图4　2种任意阻抗变换比定向耦合器拓扑结构

2仿真结果分析

在阻抗变换比为1/4、1、4时2种结构6种情况仿真得到的S参数如图5所示。

图5　2种结构不同阻抗变换比S参数

根据(7)式假设,图中耦合度S41值为3 dB。从图5可以看出，按照(7)式配置参数得到的级联定向耦合器可以获得较大的带宽,达到30%左右。其中图5a结构相对于图5b平坦度更好。

为了研究输入输出阻抗变换的集总参数正交耦合器的特性,本文设计了中心频点为2.45 GHz的单级和级联LLC结构的定向耦合器,2种结构下电压驻波比(voltage standing wave ratio,VSWR)和耦合度参数曲线如图6所示。图6中的2-b表示单级结构，3-b表示级联结构。耦合器带宽主要限制于输入VSWR和输入输出隔离度。对于单级结构,其输入VSWR为1～2，且耦合度小于-10 dB的带宽为10%左右,而对于级联结构,带宽接近30%。为了进一步验证上述理论分析及仿真的有效性,以级联结构为例,做出耦合器实物,如图7所示,实物尺寸为2 cm×2 cm。n=4耦合器实测S参数如图8所示。

图6　n=4时单级和级联结构的VSWR和耦合度

图7　LLC型n=4级联结构实物图

图8　n=4耦合器实测S参数曲线

从图8可以看出,该耦合器的反射损耗和隔离在-10 dB以下的带宽接近了30%,耦合口S41在带宽内整体比较平坦,与仿真曲线比较接近。

3结束语

根据奇偶模理论得到的级联同向正交定向耦合器电路模型,从链形散射矩阵角度出发,提出了一种实现任意阻抗变换比的集总参数正交定向耦合器的分析设计方法,在保证输入输出50 Ω的情况下,降低对耦合器后端的阻抗严苛性,具有较大设计灵活性。仿真及实测表明,在2.45 GHz的原型中,可以获得接近30%的带宽,并且在原型设计中,所用到的电容电感均较小,在MMIC电路设计中有很好的应用前景。

[参考文献]

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[4]李安庆，孙玉发.空气带状线交叉耦合腔体3 dB电桥设计[J].合肥工业大学学报：自然科学版，2012，35(6)：787-789，864.

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[7]Chiang Y C,Chen C Y.Design of a wide band lumped-element 3-dB quadrature coupler[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2001,49(3):476-479.

[8]Ludwig R.射频电路设计[M].王子宇,张肇仪,徐承和,等,译.北京:电子工业出版社,2002:98-130.

[9]Pozar D M.微波工程[M].张肇仪,周乐柱,吴德明,等,译.北京:电子工业出版社,2006:76-134.

(责任编辑闫杏丽)

An analytical method of arbitrary-impedance transformation ratio broadband lumped-element quadrature coupler

ZUO Jin-feng,YANG Ming-wu,ZHANG Zu-hua

(School of Electronic Science and Applied Physics, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

Abstract:In this paper, an analysis and design method for the arbitrary-impedance transformation ratio broadband lumped-element quadrature coupler is proposed. By the odd-even mode impedance analysis of the directional coupler, and in view of T-scattering matrix, a solution of arbitrary-impedance transformation ratio directional unit coupler is obtained and then the design formulas for arbitrary-impedance transformation ratio broadband lumped-element quadrature coupler are derived from cascading two directional unit couplers. The simulation results of advanced design system(ADS) coincide with the calculation results and the cascade coupler’s bandwidth is much wider than that of the unit coupler. In order to further verify this method, an example with impedance transformation ratio of 4 and the center frequency of 2.45 GHz is designed and fabricated. The measurement and simulation results closely correspond to each other. With the lumped-element, the output impedance of this coupler can be set according to the ratio requirement and the coupler has advantages of small size, large bandwidth, easier integration with monolithic microwave integrated circuit(MMIC) and so on.

Key words:lumped-element; arbitrary-impedance transformation ratio; quadrature coupler

中图分类号:TN622

文献标识码：A

文章编号：1003-5060(2016)03-0342-05

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2016.03.011

作者简介：左劲风(1991-),男,安徽合肥人,合肥工业大学硕士生;杨明武(1958-),男,安徽滁州人,合肥工业大学教授, 硕士生导师.

基金项目：安徽省高校自然科学研究重点资助项目(KJ2012Z316)

收稿日期：2015-01-20；修回日期：2015-03-09