一种功率分配比和频率可调的微带混合环

技术领域

本说明书涉及电气领域，涉及一种微波、毫米波通信中使用的无源射频器件，尤其涉及一种功率分配比和频率可调的微带混合环。

背景技术

混合环(又名环形耦合器)可以在输出端口之间提供同相/反相信号输出，广泛应用于设计平衡混频器、平衡放大器和相控阵天线馈电网络等器件和电路。在平衡放大器中，混合环可以改善输入端口匹配特性，提供不随负载阻抗变化的稳定功率输出；在相控阵天线中，混合环可以控制波束的指向和形状。

根据可重构能力，可重构耦合器可分为频率可重构耦合器和功率分配比可重构耦合器。频率可重构耦合器通常可以通过在输入/输出端口级联可调电容，或通过使用由有源电感和变容二极管组成的可调单元替代耦合器中λ/4传输线基本单元，或者通过构造基于变容二极管的特殊电路结构来实现。然而，当调谐元件的值变化很大时，上述耦合器的匹配和隔离性能会恶化，因此其频率调谐范围受到限制。因此，设计一个在所有调谐状态下都具有良好匹配和隔离性能的频率可重构耦合器是必要的。功率分配比可重构耦合器主要通过调节传输线特性阻抗、切换不同的馈电路径或构造基于变容二极管的特殊电路结构来实现。

为了进一步适应现代动态通信系统的发展趋势，对频率和功率分配比可重构同时可调的微带混合环的需求越来越高。

发明内容

本说明书一个或多个实施例提供了一种功率分配比和频率可调的微带混合环，用于解决背景技术提出的技术问题。

本说明书一个或多个实施例采用下述技术方案：

本说明书一个或多个实施例提供的一种功率分配比和频率可调的微带混合环，包括：输入端口、输出直通端口、隔离端口、输出耦合端口、第一可调单元、第二可调单元与第三可调单元，所述第一可调单元与所述第二可调单元通过所述第三可调单元级联；其中，

所述第一可调单元的两端连接所述输入端口与所述输出直通端口，所述第二可调单元的两端连接所述隔离端口与所述输出耦合端口，所述第三可调单元的两端分别连接所述输入端口与所述输出耦合端口，以及所述输出直通端口与所述隔离端口；

所述第一可调单元用于控制所述输入端口与所述输出直通端口之间的阻抗与电长度处于恒定状态；

所述第二可调单元用于控制所述隔离端口与所述输出耦合端口之间的阻抗与电长度处于恒定状态；

所述第一可调单元与所述第二可调单元，用于调节所述微带混合环的频率至目标频率值；

所述第三可调单元用于调节所述微带混合环的功率分配比至目标功率分配比。

本说明书实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：

本说明书实施例的微带混合环可以首次实现中心频率和功率分配比同时可调的微带混合环，且频率和功率分配比调节范围宽；其次，本说明书实施例的微带混合环可以首次将频率可调混合环和功率分配比可调混合环合二为一，不仅有利于实现电路的小型化，还可以降低系统复杂度、功耗和成本。

附图说明

为了更清楚地说明本说明书实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1为本说明书一个或多个实施例提供的一种功率分配比和频率可调的微带混合环的结构示意图；

图2为本说明书一个或多个实施例提供的功率分配比和频率可调的微带混合环的PCB布版结构示意图；

图3(a)为本说明书一个或多个实施例提供的第一可调单元和等效替代的可调传输线示意图；

图3(b)为本说明书一个或多个实施例提供的第二可调单元和等效替代的可调传输线示意图；

图4(a)为本说明书一个或多个实施例在频率可重构模式下输入端口被激励时的仿真结果图；

图4(b)为本说明书一个或多个实施例在频率可重构模式下隔离端口被激励时的仿真结果图；

图5为本说明书一个或多个实施例在频率可重构模式下输出直通端口和耦合端口间的相位差的仿真结果图；

图6为本说明书一个或多个实施例在频率可重构模式下，中心频率处，输出直通端口和耦合端口间的幅度差和相位不平衡的仿真结果图；

图7(a)为本说明书一个或多个实施例在功率分配比可重构模式下，输入端口被激励时，在中心频率1.2GHz、2.2GHz和3.0GHz处，功率分配比分别为-5dB、-11.4dB和-12.1dB时的仿真结果图；

图7(b)为本说明书一个或多个实施例在功率分配比可重构模式下，隔离端口被激励时，在中心频率1.2GHz、2.2GHz和3.0GHz处，功率分配比分别为-5dB、-11.4dB和-12.1dB时的仿真结果图；

图7(c)为本说明书一个或多个实施例在功率分配比可重构模式下，输入端口被激励时，在中心频率1.2GHz、2.2GHz和3.0GHz处，功率分配比分别为17dB、8dB和4dB时的仿真结果图；

图7(d)为本说明书一个或多个实施例在功率分配比可重构模式下，隔离端口被激励时，在中心频率1.2GHz、2.2GHz和3.0GHz处，功率分配比分别为17dB、8dB和4dB时的仿真结果图；

图8为本说明书一个或多个实施例在环功率分配比可重构模式下，在中心频率1.2GHz、2.2GHz和3.0GHz时，输出直通端口和耦合端口间的相位差仿真结果图。

具体实施方式

本说明书实施例提供一种功率分配比和频率可调的微带混合环。

随着通信技术的发展，通信系统(如5G和无线功率传输系统等)的工作频带和工作标准不断增加，导致射频前端复杂度增加、成本提高以及尺寸变大，因此各类电路和器件需进行小型化和集成化设计。另外，为缓解频谱资源紧张问题，多功能可重构系统可以根据频谱环境切换到不同模式工作。针对这些挑战和应用，集成化设计多功能可重构电路和器件的研究具有十分重要的理论意义和工程应用价值。作为一种重要的功率分配/合成器件，混合环(又名环形耦合器)可以在输出端口之间提供同相/反相信号输出，广泛应用于设计平衡混频器、平衡放大器和相控阵天线馈电网络等器件和电路。

为了使本技术领域的人员更好地理解本说明书中的技术方案，下面将结合本说明书实施例中的附图，对本说明书实施例中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说明书一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本说明书实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本说明书保护的范围。

图1为本说明书一个或多个实施例提供的一种功率分配比和频率可调的微带混合环的结构示意图。

本说明书实施例的微带混合环可以包括：输入端口11、输出直通端口12、隔离端口13、输出耦合端口14、第一可调单元15、第二可调单元16与第三可调单元17，第一可调单元15与第二可调单元16通过第三可调单元17级联。

本说明书实施例的第一可调单元15的两端可以连接所述输入端口11与所述输出直通端口12，所述第二可调单元16的两端可以连接所述隔离端口13与所述输出耦合端口14，所述第三可调单元17的两端分别可以连接所述输入端口11与所述输出耦合端口14，以及所述输出直通端口12与所述隔离端口13。

本说明书实施例的第一可调单元15，可以用于控制所述输入端口11与所述输出直通端口12之间的阻抗与电长度处于恒定状态。第一可调单元15可以等效替代传输线(Z

本说明书实施例的第二可调单元16可以用于控制所述隔离端口13与所述输出耦合端口14之间的阻抗与电长度处于恒定状态。第二可调单元16可以等效替代传输线(Z

本说明书实施例的第一可调单元15与第二可调单元16，可以用于控制在所述输入端口11与所述输出直通端口12之间和所述隔离端口13与所述输出耦合端口14之间的阻抗与电长度皆处于恒定状态，主要用于调节所述微带混合环的频率至目标频率值。

下面关于第一可调单元15与第二可调单元16调节微带混合环的频率至目标频率值的具体实现方式：

本说明书实施例的第一可调单元15可以包括至少两类可调电容，通过调节两类可调电容使得输入端口11与输出直通端口12之间的阻抗与电长度处于恒定状态，除了至少两类可调电容，本说明书实施例还可以增加电感，通过适配的电感，控制所需可调电容范围，从而达到在能实现的第一、二可调电容范围内获得最宽的频率调节范围的目的。

本说明书实施例的第二可调单元16可以包括至少两类可调电容，通过调节两类可调电容使得隔离端口13与输出耦合端口14之间的阻抗与电长度处于恒定状态。除了至少两类可调电容，本说明书实施例还可以增加电感，通过适配的电感，控制所需可调电容范围，从而达到在能实现的第三、四可调电容范围内获得最宽的频率调节范围的目的。

需要说明的是，本说明书实施例的第一可调单元15与第二可调单元16，用于控制在输入端口11与输出直通端口12之间和隔离端口13与输出耦合端口14之间的阻抗与电长度处于恒定状态，主要用于调节微带混合环的频率至目标频率值，具体可以包括：

在本说明书实施例中，第一可调单元15可以用于等效替代阻抗为Z

本说明书实施例对于调节微带混合环的频率至目标频率值，进行详细说明：

参见图1，本说明书实施例的第一可调单元15包括接地的两个第一可调电容(即可调电容C

其中，第一个第二电感L

需要说明的是，当第一可调单元和第二可调单元分别等效替代可调传输线(Z

第一可调单元15用于等效替代可调传输线(Z

a

根据上述的关系式，可以得到第一关系式为：

其中，L

第二可调单元16用于等效替代可调传输线(Z

a

a

a

根据上述的关系式，可以得到第二关系式为：

其中，L

根据上述可调电容C

下面关于第三可调单元17主要用于调节微带混合环的功率分配比至目标功率分配比的具体实现方式：

第三可调单元17主要用于，在所述输入端口11与输出直通端口12之间和隔离端口13与输出耦合端口14之间的阻抗与电长度皆处于恒定状态下的前提下，调节所述微带混合环的功率分配比至目标功率分配比，可以具体包括：

第三可调单元17主要用于，确定输入端口11、输出直通端口12、隔离端口13与输出耦合端口14之间的功率分配比和第五可调电容之间的第三关系式；根据所述第三关系式，调节所述微带混合环的功率分配比至目标功率分配比。

本说明书实施例的第三关系式，第三可调单元17用于根据奇偶模方法对所述微带混合环进行简化分析，得到奇模电路与偶模电路，根据奇模电路与偶模电路得到相应的奇模传输矩阵与偶模传输矩阵：

根据所述奇模传输矩阵与偶模传输矩阵得到所述微带混合环的奇散射矩阵与偶散射矩阵：

根据所述奇散射矩阵与所述偶散射矩阵得到所述微带混合环的散射矩阵：

S

根据微带混合环的散射矩阵，确定输入端口11、输出直通端口12、隔离端口13与输出耦合端口14之间的功率分配比和所述第五可调电容之间的第三关系式：

其中，R为功率分配比，ω为角频率，Z

进一步的，本说明书实施例的第一可调电容、第二可调电容、第三可调电容和第四可调电容的取值范围分别可以为1.0～15.0pF、0.8～2.1pF、1.0～7.0pF和1.0～14.0pF。

进一步的，本说明书实施例的第五可调电容的取值范围可以为0.7～15.0pF。

需要说明的是，本说明书实施例的上述技术特征是一种频率和功率分配比同时可调的微带混合环，可以构建于单层印刷版电路上，顶层为微带电路结构，底层为金属地面，具体微带结构参见图2示出的功率分配比和频率可调的微带混合环的PCB布版结构示意图，其中为了减小混合环损耗，所述电感均采用微带传输线实现。

与此同时，本发明还提出了一种频率和功率分配比同时可调的微带混合环的设计方法，并将其总结如下：

a)构建如上述方案中所述的频率和功率分配比同时可调的微带混合环电路结构；

b)根据设计需求，给定设计参数，至少包括3-dB频率调节范围，功率分配比和端口阻抗；

具体来说，本说明书实施例混合环的3-dB频率调节范围可以为1.0GHz～3.0GHz，端口阻抗为50Ω，功率分配比的表达式为：

从公式中可以看到，当Z

c)采用奇偶模方法进行简化分析，根据微带混合环端口输出特性，获取可调电容(31)的值；

进一步地，在设计方法步骤c)中，获取第五可调电容的值的步骤如下：

c1)采用奇偶模方法对混合环进行简化分析，将其简化为两个二分之一电路(偶模电路，奇模电路)，得到相应的偶、奇模传输矩阵，进而得到对应的偶、奇模散射矩阵，最终得到混合环的散射矩阵；

c2)根据微带混合环端口输出特性，获取第五可调电容的表达式，所述表达式为：

其中，ω是角频率，Z

本实施中Z

d)根据结构等效特性原理，分别获取第一可调单元中的第一、二可调电容的值，以及取第二可调单元中的第三、四可调电容的值。

进一步地，在设计方法的步骤d)中，获取第一、二可调单元中的第一、二、三、四可调电容的步骤如下：

d1)参照图3(a)所示的第一可调单元和等效替代的可调传输线示意图和图3(b)所示的第二可调单元和等效替代的可调传输线示意图，当第一、二可调单元等效替代可调传输线(Z

具体来说，第一、二可调单元的传输矩阵[A

其中，a

其中，a

a

a

d2)根据上述传输矩阵相等的关系式，可以分别获取第一、二可调单元中的第一、二、三、四可调电容，所述表达式分别为：

根据上述第一、二、三、四可调电容的表达式，可以绘制四类电感取不同值时，第一、二、三、四可调电容随频率变化的关系曲线，通过选择不同电感的值，达到在可利用的可调电容范围内，使得混合环覆盖整个频率和功率分配比调谐范围的目的。

进一步地，根据上述分析设计过程，可以得到本说明书实施例的各部分电路参数值，具体如下：

本说明书实施例的第一、二、三、四电感(即L

本说明书实施例的第一、三、四、五可调电容(即C

本说明书实施例的印刷介质基板可以采用Rogers RT/Duroid 5880板材，其厚度为0.787mm，介电常数为2.2。

进一步的，根据所得本实施例所取的电感和可调电容值，在考虑各种寄生效应前提下，得到的微带混合环的电磁仿真结果如下：

本说明书实施例在频率可重构模式下的回波损耗(即|S11|)、隔离(即|S31|)和插入损耗(即|S21|、|S32|、|S34|和|S41|)参数仿真结果。其中图4(a)和图4(b)分别为在频率可重构模式下输入端口被激励时的仿真结果图和在频率可重构模式下隔离端口被激励时的仿真结果图，由图中各项S参数曲线，可以看到：当端口1或3被激励时，回波损耗小于-20dB的频率调节范围是1.2GHz至3.1GHz，相对带宽高达88％，且在频率调节过程中隔离度始终优于35dB。实施例在1.2GHz至3.1GHz范围内的插入损耗为3.3～4.1dB。

参照图5示出的在频率可重构模式下输出直通端口和耦合端口间的相位差的仿真结果图，本说明书实施例在频率可重构模式下，输出直通端口2和耦合端口4之间的相位差仿真结果，可以看到：在整个频率调节范围内，中心频率处的相位不平衡小于5°。

参照图6示出的在频率可重构模式下，中心频率处，输出直通端口和耦合端口间的幅度差和相位不平衡的仿真结果图，本说明书实施例在频率可重构模式下，中心频率处，输出直通端口2和耦合端口4之间的幅度差和相位不平衡仿真结果。可以看到：对于所有状态，中心频率处的幅度差和相位不平衡分别<0.13dB和<2.3°。

本说明书实施例在功率分配比可重构模式下的回波损耗、隔离和插入损耗参数仿真结果。图7(a)和图7(b)分别为在功率分配比可重构模式下，输入端口被激励时，在中心频率1.2GHz、2.2GHz和3.0GHz处，功率分配比分别为-5dB、-11.4dB和-12.1dB时的仿真结果图，和在功率分配比可重构模式下，隔离端口被激励时，在中心频率1.2GHz、2.2GHz和3.0GHz处，功率分配比分别为-5dB、-11.4dB和-12.1dB时的仿真结果图，在中心频率1.2GHz、2.2GHz和3.0GHz处功率分配比分别为-5dB、-11.4dB和-12.1dB时，各项S参数曲线，可以看到：在1.2GHz、2.2GHz和3.0GHz处，15-dB回波损耗带宽分别优于44MHz、154MHz和260MHz。图7(c)和图7(d)分别为在功率分配比可重构模式下，输入端口被激励时，在中心频率1.2GHz、2.2GHz和3.0GHz处，功率分配比分别为17dB、8dB和4dB时的仿真结果图，和在功率分配比可重构模式下，隔离端口被激励时，在中心频率1.2GHz、2.2GHz和3.0GHz处，功率分配比分别为17dB、8dB和4dB时的仿真结果图，在中心频率1.2GHz、2.2GHz和3.0GHz处功率分配比分别为17dB、8dB和4dB时，各项S参数曲线，可以看到：在1.2GHz、2.2GHz和3.0GHz处，15-dB回波损耗带宽分别优于80MHz、232MHz和330MHz。

参照图8示出的在环功率分配比可重构模式下，在中心频率1.2GHz、2.2GHz和3.0GHz时，输出直通端口和耦合端口间的相位差仿真结果图，本实施例在功率分配比可重构模式下，输出直通端口2和耦合端口4之间的相位差仿真结果，可以看到：在中心频率1.2GHz、2.2GHz和3.0GHz处，在整个功率分配比调节范围内，中心频率处的相位不平衡小于5°。

上述所有结果均在基板材料为Rogers RT/Duroid 5880，介电常数为2.2，基板厚度为0.787mm的电磁仿真环境下仿真得到的。以上数据能很好地体现了本实施例频率和功率分配比同时可调的微带混合环的各项性能，且能覆盖到很宽的频率和功率分配比范围，应用场景广阔。

本说明书实施例整个电路的尺寸大小可以为28.3mm×14.6mm，具有小型化和集成化特点，非常利于进行器件封装。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置、设备、非易失性计算机存储介质实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。

以上所述仅为本说明书的一个或多个实施例而已，并不用于限制本说明书。对于本领域技术人员来说，本说明书的一个或多个实施例可以有各种更改和变化。凡在本说明书的一个或多个实施例的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书的权利要求范围之内。