基于對稱階梯阻抗K 變換器的雙頻電橋耦合器

張國安

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所,江蘇 揚州225101)

0 引 言

近年來,無線通信技術不斷發展,不同的通信標準無線應用相繼出現,多種通信標準和網絡將相互競爭、長期共存,所使用的頻率范圍也各不相同。多頻多模的發展趨勢對射頻前端的發展提出了新的要求。為了能夠充分利用現有的頻譜資源,同時滿足現代通信系統的高性能和小型化,最有效的方法之一,就是設計能工作于多頻帶的通訊系統。雙頻電橋耦合器在構建雙頻功率放大器和其他雙頻微波電路系統中具有重要的應用,吸引了很多學者的關注。

在過去10年內已有一些關于雙頻電橋耦合器的研究,而其關鍵主要還是給出了雙頻K變換器的電路結構。文獻[1]在一段傳輸線中間加載短截線的T型網絡也可以實現雙頻K變換器,并用于設計雙頻電橋耦合器。文獻[2]中,在傳統分支線電橋的電路4個端口之間增加2條相交的傳輸線,可以實現雙頻電橋耦合器。文獻[3]中使用缺陷地互補分裂環諧振器加載可以實現雙頻K變換器,從而實現雙頻電橋耦合器。文獻[4]中采用PI型網絡,通過在一段傳輸線的3個位置加載3個短截線,實現雙頻K變換器,繼而實現雙頻電橋耦合器。利用在傳輸線中間加載階梯阻抗短截線構造雙頻K變換器,繼而實現電橋耦合器[5]。文獻[6]中將T型網絡和階梯阻抗傳輸線引入,并通過折疊布線獲得緊湊的雙頻電橋耦合器。文獻[7]利用階梯阻抗耦合線結構可實現小型化的雙頻電橋耦合器。這些方案有的因為加載了枝節而體積過大,有的則電路復雜,難于安排。本文采用對稱階梯阻抗傳輸線[8]作為雙頻K變換器,實現雙頻電橋耦合器,具有電路簡單易排版、尺寸不大于單頻電橋耦合器、易于安排等特點。

1 對稱階梯阻抗K變換器及雙頻電橋耦合器

如圖1(a)中,傳統的四分之一波長傳輸線K變換器其實也可看作雙頻阻抗變換器,工作頻率分別為f1和3f1。該K變換器具有對稱的結構。為實現頻率比可控的雙頻K變換器,采用如圖1(b)中的對稱階梯阻抗二端口網絡。通過調節3段傳輸線的特性阻抗和電長度,可以調控雙頻K變換器的頻率比值和等效K值。

圖1 階梯阻抗變換器的模型

可以推導出階梯阻抗線二端口網絡的ABCD矩陣如下:

式中:θ1和θ2為傳輸線段在工作頻率f1處的電長度。

可得到:

而所需要的阻抗變換器的ABCD矩陣可以給出如下:

需要說明的是K(θ1,θ2)和P(θ1,θ2)是為了方便理論推導而給出的輔助函數。

因為是復雜的超越方程,很難獲得解析的結果。為了能夠獲得解析結果,僅考慮一些特殊情況:θ1=θ2,θ2=2θ1以及θ1=2θ2。

(1)當θ1=θ2時,方程 (4)可以簡化如下:

比較4個方程的右邊,可以得到雙頻工作的充分條件:

得到0＜θ1＜π/6,這種情況下,頻率比m＞5。

(2)當θ2=2θ1時,方程(4)轉化為:

類似地,可以得到如下解:

也可以很容易找到θ1可能的取值范圍θ1＞3π/8或θ1＜π/8。對應地,實用的頻率比m的范圍

根據方程(10),可以獲得θ2的取值范圍θ2＞3π/10或θ2＜π/10。相應地,頻率比值m的取值范圍為m＜4.34或m＞9。

一旦根據m的值求得θ1和θ2,可以根據式(4)得到特性阻抗的值如下:

雖然本文僅列出3種情況的對稱階梯阻抗K變換器,但較寬范圍的頻率比值m都可以實現了。

圖2(a)給出了情況(1)的總電長度-頻率比的對應曲線。可以看到情況(1)適用于m在5到7之間,總電長度在f1頻率處小于90°,且隨著m增大而變小。圖2(b)給出了特性阻抗隨頻率比變化的曲線。

如圖3給出了雙頻電橋耦合器的基本電路拓撲,其中上下各一個階梯阻抗雙頻K變換器,K=Z0/2,左右各有一個雙頻K變換器,K=Z0。對于給定的工作頻率比值m,可以選擇3種情況中的1種,計算出各段電長度;然后根據K值計算出各段傳輸線的特性阻抗。由此可以設計出雙頻電橋耦合器。

2 雙頻電橋耦合器的設計實例和測試結果

圖2 對稱階梯阻抗K變換器的電長度和特性阻抗與頻率比的關系曲線

本文要設計一個工作于1 GHz和5.2 GHz的雙頻電橋耦合器,各端口特性阻抗為50Ω。為此需要設計K值為35.35Ω和50Ω的2種雙頻阻抗變換器。對于頻率比m=5.2,選擇情況(1)使得θ1=θ2和θ3=θ4。由公式(6)和(12),可以得到雙頻電橋耦合器的電路參數如表1所示。

本文采用微帶形式實現雙頻電橋耦合器,其中

表1 工作頻率為1 GHz和5.2 GHz的雙頻_電橋耦合器的電路參數

圖3 雙頻電橋耦合器的電路拓撲結構

使用介質襯底的介電常數為2.55,厚度為0.8 mm。根據各段傳輸線的特性阻抗和電長度可以計算出各段微帶線的寬度和長度。圖4給出了使用仿真和實測的S參數的比較曲線,可以看到在1 GHz和5 GHz附近,該電橋耦合器實現了3 d B耦合,這2個頻點處耦合度分別為3.3 dB和3.5 dB,反射系數分別達到-30 d B以下,而隔離度達到了-28 d B和-30 dB。該雙頻電橋耦合器在2個使用頻率附近各有一定的使用帶寬,與傳統單頻電橋耦合器的使用帶寬接近。圖5給出了該雙頻電橋耦合器的實際電路。可以看到該電路結構易于安排,非常簡潔,而且尺寸較小。

圖4 雙頻電橋耦合器仿真和實測曲線比較

圖5 雙頻電橋耦合器的電路實物

3 結束語

本文將對稱階梯阻抗雙頻K變換器應用于雙頻電橋耦合器的設計。該雙頻電橋耦合器的結構與傳統單頻分支線電橋類似,電路簡單易于安排,尺寸小于單頻電橋的尺寸,2個頻率可以控制,且往往可以實現較大的頻率比。對雙頻K變換器做了仿真和實物測量,2種結果吻合,衰減和隔離指標達到了工程實用要求。