基于对称阶梯阻抗K 变换器的双频电桥耦合器

张国安

(中国船舶重工集团公司第七二三研究所,江苏 扬州225101)

0 引 言

近年来,无线通信技术不断发展,不同的通信标准无线应用相继出现,多种通信标准和网络将相互竞争、长期共存,所使用的频率范围也各不相同。多频多模的发展趋势对射频前端的发展提出了新的要求。为了能够充分利用现有的频谱资源,同时满足现代通信系统的高性能和小型化,最有效的方法之一,就是设计能工作于多频带的通讯系统。双频电桥耦合器在构建双频功率放大器和其他双频微波电路系统中具有重要的应用,吸引了很多学者的关注。

在过去10年内已有一些关于双频电桥耦合器的研究,而其关键主要还是给出了双频K变换器的电路结构。文献[1]在一段传输线中间加载短截线的T型网络也可以实现双频K变换器,并用于设计双频电桥耦合器。文献[2]中,在传统分支线电桥的电路4个端口之间增加2条相交的传输线,可以实现双频电桥耦合器。文献[3]中使用缺陷地互补分裂环谐振器加载可以实现双频K变换器,从而实现双频电桥耦合器。文献[4]中采用PI型网络,通过在一段传输线的3个位置加载3个短截线,实现双频K变换器,继而实现双频电桥耦合器。利用在传输线中间加载阶梯阻抗短截线构造双频K变换器,继而实现电桥耦合器[5]。文献[6]中将T型网络和阶梯阻抗传输线引入,并通过折叠布线获得紧凑的双频电桥耦合器。文献[7]利用阶梯阻抗耦合线结构可实现小型化的双频电桥耦合器。这些方案有的因为加载了枝节而体积过大,有的则电路复杂,难于安排。本文采用对称阶梯阻抗传输线[8]作为双频K变换器,实现双频电桥耦合器,具有电路简单易排版、尺寸不大于单频电桥耦合器、易于安排等特点。

1 对称阶梯阻抗K变换器及双频电桥耦合器

如图1(a)中,传统的四分之一波长传输线K变换器其实也可看作双频阻抗变换器,工作频率分别为f1和3f1。该K变换器具有对称的结构。为实现频率比可控的双频K变换器,采用如图1(b)中的对称阶梯阻抗二端口网络。通过调节3段传输线的特性阻抗和电长度,可以调控双频K变换器的频率比值和等效K值。

图1 阶梯阻抗变换器的模型

可以推导出阶梯阻抗线二端口网络的ABCD矩阵如下:

式中:θ1和θ2为传输线段在工作频率f1处的电长度。

可得到:

而所需要的阻抗变换器的ABCD矩阵可以给出如下:

需要说明的是K(θ1,θ2)和P(θ1,θ2)是为了方便理论推导而给出的辅助函数。

因为是复杂的超越方程,很难获得解析的结果。为了能够获得解析结果,仅考虑一些特殊情况:θ1=θ2,θ2=2θ1以及θ1=2θ2。

(1)当θ1=θ2时,方程 (4)可以简化如下:

比较4个方程的右边,可以得到双频工作的充分条件:

得到0＜θ1＜π/6,这种情况下,频率比m＞5。

(2)当θ2=2θ1时,方程(4)转化为:

类似地,可以得到如下解:

也可以很容易找到θ1可能的取值范围θ1＞3π/8或θ1＜π/8。对应地,实用的频率比m的范围

根据方程(10),可以获得θ2的取值范围θ2＞3π/10或θ2＜π/10。相应地,频率比值m的取值范围为m＜4.34或m＞9。

一旦根据m的值求得θ1和θ2,可以根据式(4)得到特性阻抗的值如下:

虽然本文仅列出3种情况的对称阶梯阻抗K变换器,但较宽范围的频率比值m都可以实现了。

图2(a)给出了情况(1)的总电长度-频率比的对应曲线。可以看到情况(1)适用于m在5到7之间,总电长度在f1频率处小于90°,且随着m增大而变小。图2(b)给出了特性阻抗随频率比变化的曲线。

如图3给出了双频电桥耦合器的基本电路拓扑,其中上下各一个阶梯阻抗双频K变换器,K=Z0/2,左右各有一个双频K变换器,K=Z0。对于给定的工作频率比值m,可以选择3种情况中的1种,计算出各段电长度;然后根据K值计算出各段传输线的特性阻抗。由此可以设计出双频电桥耦合器。

2 双频电桥耦合器的设计实例和测试结果

图2 对称阶梯阻抗K变换器的电长度和特性阻抗与频率比的关系曲线

本文要设计一个工作于1 GHz和5.2 GHz的双频电桥耦合器,各端口特性阻抗为50Ω。为此需要设计K值为35.35Ω和50Ω的2种双频阻抗变换器。对于频率比m=5.2,选择情况(1)使得θ1=θ2和θ3=θ4。由公式(6)和(12),可以得到双频电桥耦合器的电路参数如表1所示。

本文采用微带形式实现双频电桥耦合器,其中

表1 工作频率为1 GHz和5.2 GHz的双频_电桥耦合器的电路参数

图3 双频电桥耦合器的电路拓扑结构

使用介质衬底的介电常数为2.55,厚度为0.8 mm。根据各段传输线的特性阻抗和电长度可以计算出各段微带线的宽度和长度。图4给出了使用仿真和实测的S参数的比较曲线,可以看到在1 GHz和5 GHz附近,该电桥耦合器实现了3 d B耦合,这2个频点处耦合度分别为3.3 dB和3.5 dB,反射系数分别达到-30 d B以下,而隔离度达到了-28 d B和-30 dB。该双频电桥耦合器在2个使用频率附近各有一定的使用带宽,与传统单频电桥耦合器的使用带宽接近。图5给出了该双频电桥耦合器的实际电路。可以看到该电路结构易于安排,非常简洁,而且尺寸较小。

图4 双频电桥耦合器仿真和实测曲线比较

图5 双频电桥耦合器的电路实物

3 结束语

本文将对称阶梯阻抗双频K变换器应用于双频电桥耦合器的设计。该双频电桥耦合器的结构与传统单频分支线电桥类似,电路简单易于安排,尺寸小于单频电桥的尺寸,2个频率可以控制,且往往可以实现较大的频率比。对双频K变换器做了仿真和实物测量,2种结果吻合,衰减和隔离指标达到了工程实用要求。