一种频率和相位可重构的混合耦合器及其设计方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及微波、毫米波通信中使用的耦合器，特别涉及一种可同时实现频率和相位可重构的混合耦合器，以及该耦合器的设计方法。
【背景技术】
[0002]耦合器是一种具有方向性的功率分配元件，它能从主传输系统的正向波中按照不同比例把功率分配到耦合端。在功率增益控制器件、平衡放大器、调制解调电路、相控阵雷达系统的馈电网络中，都需要用到耦合器。一直以来，人们对耦合器的研宄主要集中在带宽增强，双频带，任意的功分比和差分相位以及频率、耦合系数可重构方面，可重构相位的耦合器至今从未实现。
[0003]事实上，在相位天线阵中，到达每个天线的信号相位需要通过波束成形网络进行精确控制，这通常是通过在功分器或者混合耦合器之后级联可调的移相器实现，但移相器的引入会导致整个前馈网络产生高的插入损耗，大的相位偏差以及较大的尺寸等问题，假如功率分配单元可以实现相位可重构，就可以去掉多元的移相单元，上述问题将迎刃而解，所以，相位可重构特性在波束成形技术中至关重要。
[0004]因此，本发明提出一种实现相位可重构的混合耦合器，它同时还具有频率可重构特性。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服上述现有波束成形技术中存在的不足，并填补耦合器在可调相位特性研宄中的空白，而提供一种结构简单、合理，能实现可调相位和可调频率输出的混合耦合器。
[0006]本发明的目的通过以下技术措施解决:
一种频率和相位可重构的混合耦合器，其特征是，包括从上至下依次排布的三层结构:第一层为微带单元，第二层为基板，第三层为金属地层；其中，第一层微带单元上设有加载变容二极管的分支线耦合器，该分支线耦合器主要由分支线耦合器、隔直电容、射频扼流圈和变容二极管组成。
[0007]所述分支线耦合器由四条微带线和四条阻抗匹配线构成，所述四条微带线围成四边形、且各条微带线分别作为四边形的一边，所述第一微带线和第二微带线为一组，第三微带线和第四微带线为另一组，每一组内的两条微带线之间相互平行且结构一致，其中，第一微带线和第二微带线作为四边形的左右两侧竖直边，第三微带线和第四微带线作为四边形的上下两侧水平边，所述四条端口阻抗匹配线分别拼接在第三微带线和第四微带线的两端。
[0008]所述第一微带线和第二微带线的两端分别依次连接有隔直电容、射频扼流圈和变容二极管。
[0009]所述射频扼流圈一端跨接在隔直电容和变容二极管之间，另一端通过导线输入直流电压，提供给变容二极管；所述变容二极管一段连接在隔直电容和射频扼流圈之间，另一端通过金属过孔接地。
[0010]所述变容二极管型号为Skyworks SMV1265，通过改变偏置电压值在0-30V之间，提供0.7 IpF到22.47pF的电容值。
[0011]所述加载有变容二极管的分支线耦合器，采用微带工艺固定在基板上，基板为介质材料基板，介质材料采用厚度为0.6-0.8mm的Rogers RT/Duroid 5870材料，其介电常数在2.25-2.35之间；如:介质材料采用厚度为0.787mm的Rogers RT/Duroid 5870材料，其介电常数为2.33。
[0012]所述金属地层为铺满良导体的金属地层。
[0013]所述混合耦合器在保证等功分输出的前提下，可提供45° -135°的可调差分相位输出；且所述混合耦合器在0.8GHz-l.1GHz频率范围内可调
所述耦合器结构还可以用以实现其它无源器件(如功分器，移相器)功能。
[0014]本发明的另一目的还在于提供一种频率和相位可重构的混合耦合器可重构相位的设计方法。
[0015]一种频率和相位可重构的混合耦合器可重构相位的设计方法，其特征是，首先，根据所需中心频率，初始差分相位以及3dB定向耦合器的设计方法，按等功分、低反射和高隔离的要求，以确定四条微带线的宽度和长度以及变容二极管电容的初始值，然后，固定中心频率，通过改变变容二极管上的电压改变其电容值来实现不同的差分相位输出；其中，四个变容二极管，沿水平轴对称分布的每一对二极管上的电压相等。
[0016]作为设计方法的另一实施方案，一种频率和相位可重构的混合耦合器可重构频率的设计方法，其特征是，首先，根据初始中心频率，差分相位以及3dB定向耦合器的设计方法，按等功分、低反射和高隔离的要求，以确定四条微带线的宽度和长度以及变容二极管电容的初始值，然后，固定输出差分相位，通过改变变容二极管上的电压改变其电容值来实现不同的频率范围；其中，四个变容二极管，沿水平轴对称分布的每一对二极管上的电压相等。
[0017]本发明的有益效果如下:
(I)本发明首次提出了一种相位和频率可重构的耦合器，将波束成形技术中的功分器件和移相器件合二为一，非常适合于相位天线阵等无线通信系统的应用。
[0018](2)与现有技术相比，实施本发明中所采用的相位和频率可重构耦合器，具有以下有益效果:1、通过在分支线耦合器上加载变容二极管，可实现任意差分相位，任意中心频率输出。2、尺寸小，可实现小型化，易于集成；3、使用平面微带结构，结构简单，成本低；4、可实现的可调相位角度范围广。
【附图说明】
[0019]图1为本发明实施例侧面结构示意图。
[0020]图2为本发明实施例第一层上层微带整体结构示意图。
[0021]图3为本发明实施例在不同的偏置电压下实现的可重构差分相位仿真和测量结果对比图。
[0022]图4为图3所对应的不同状态的电容和偏置电压参数表格。
[0023]图5为本发明实施例输出差分相位为45°时仿真和测量的幅度响应结果对比图。
[0024]图6为本发明实施例输出差分相位为45°时仿真和测量的相位响应结果对比图。
[0025]图7为本发明实施例输出差分相位为90°时仿真和测量的幅度响应结果对比图。
[0026]图8为本发明实施例输出差分相位为90°时仿真和测量的相位响应结果对比图。
[0027]图9为本发明实施例输出差分相位为135°时仿真和测量的幅度响应结果对比图。
[0028]图10为本发明实施例输出差分相位为135°时仿真和测量的相位响应结果对比图。
[0029]图11为本发明实施例加载不同变容二极管时(预设C1=C2)对应的S11测量结果图。
[0030]图12为图11所对应的不同状态的电容和偏置电压参数表格。
[0031]图13为本发明实施例中心频率为0.8GHz时仿真和测量的幅度响应结果对比图。
[0032]图14为本发明实施例中心频率为0.8GHz时仿真和测量的相位响应结果对比图。
[0033]图15为本发明实施例中心频率为1.1GHz时仿真和测量的幅度响应结果对比图。
[0034]图16为本发明实施例中心频率为1.1GHz时仿真和测量的相位响应结果对比图。
【具体实施方式】
[0035]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例所采用的技术方案进行清晰、详细的说明，所描述的实施例仅仅是本发明中的一部分实施例，而不是全部的实施例?；诒痉⒚鞯氖凳├?，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，都属于本发明实施例的?；し段?。
[0036]结合图1和图2所示，一种频率和相位可重构的混合耦合器，其特征是，包括从上至下依次排布的三层结构:第一层为微带单元101，第二层为基板102，第三层为金属地层103 ;其中，第一层微带单元101上设有加载变容二极管的分支线耦合器200，该分支线耦合器200主要由分支线耦合器201、隔直电容202、射频扼流圈203和变容二极管204组成。
[0037]所述分支线耦合器201由四条微带线A1、A2、A3、A4和四条阻抗匹配线B1、B2、B3、B4构成，所述四条微带线A1、A2、A3、A4围成四边形、且各条微带线分别作为四边形的一边，所述第一微带线Al和第二微带线A2为一组，第三微带线A3和第四微带线A4为另一组，每一组内的两条微带线之间相互平行且结构一致，其中，第一微带线Al和第二微带线A2作为四边形的左右两侧竖直边，第三微带线A3和第四微带线A4作为四边形的上下两侧水平边，所述四条端口阻抗匹配线B1、B2、B3、B4分别拼接在第三微带线A3和第四微带线A4的两端。
[0038]所述第一微带线Al和第二微带线A2的两端分别依次连接有隔直电容202、射频扼流圈203和变容二极管204 ;即:第一微带线Al和第二微带线A2的两端依次共连接有四个隔直电容202，四个射频扼流圈203和四个变容二极管204。
[0039]所述射频扼流圈203 —端跨接在隔直电容202和变容二极管204之间，另一端通过导线输入直流电压，提供给变容二极管204 ;所述变容二极管204 —段连接在隔直电容202和射频扼流圈203之间，另一端通过金属过孔205接地，该金属过孔半径为Rv，位于边长为Wv的正方形贴片上。
[0040]所述变容二极管204型号为Skyworks SMV1265，通过改变偏置电压值在0-30V之间，提供0.7 IpF到22.47pF的电容值。
[0041]所述加载有变容二极管的分支线耦合器200，采用微带工艺固定在基板102上，基板102为介质材料基板102，介质材料采用厚度为0.6-0.8mm的Rogers RT/Duroid 5870材料，其介电常数在2.25-2.35之间，如:介质材料采用厚度为0.787mm的Rogers RT/Duroid 5870材料，其介电常数为2.33。
[0042]所述金属地层103为铺满良导体的金属地层103。
[0043]所述混合耦合器在保证等功分输出的前提下，可提供45° -135°的可调差分相位输出；且所述混合耦合器在0.8GHz-l.1GHz频率范围内可调。
[0044]所述耦合器的结构还可以