張國安

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所,江蘇 揚(yáng)州225101)

0 引 言

近年來,無線通信技術(shù)不斷發(fā)展,不同的通信標(biāo)準(zhǔn)無線應(yīng)用相繼出現(xiàn),多種通信標(biāo)準(zhǔn)和網(wǎng)絡(luò)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(fā)展趨勢對射頻前端的發(fā)展提出了新的要求。為了能夠充分利用現(xiàn)有的頻譜資源,同時(shí)滿足現(xiàn)代通信系統(tǒng)的高性能和小型化,最有效的方法之一,就是設(shè)計(jì)能工作于多頻帶的通訊系統(tǒng)。雙頻電橋耦合器在構(gòu)建雙頻功率放大器和其他雙頻微波電路系統(tǒng)中具有重要的應(yīng)用,吸引了很多學(xué)者的關(guān)注。

在過去10年內(nèi)已有一些關(guān)于雙頻電橋耦合器的研究,而其關(guān)鍵主要還是給出了雙頻K變換器的電路結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[1]在一段傳輸線中間加載短截線的T型網(wǎng)絡(luò)也可以實(shí)現(xiàn)雙頻K變換器,并用于設(shè)計(jì)雙頻電橋耦合器。文獻(xiàn)[2]中,在傳統(tǒng)分支線電橋的電路4個(gè)端口之間增加2條相交的傳輸線,可以實(shí)現(xiàn)雙頻電橋耦合器。文獻(xiàn)[3]中使用缺陷地互補(bǔ)分裂環(huán)諧振器加載可以實(shí)現(xiàn)雙頻K變換器,從而實(shí)現(xiàn)雙頻電橋耦合器。文獻(xiàn)[4]中采用PI型網(wǎng)絡(luò),通過在一段傳輸線的3個(gè)位置加載3個(gè)短截線,實(shí)現(xiàn)雙頻K變換器,繼而實(shí)現(xiàn)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(gòu)造雙頻K變換器,繼而實(shí)現(xiàn)電橋耦合器[5]。文獻(xiàn)[6]中將T型網(wǎng)絡(luò)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(xiàn)[7]利用階梯阻抗耦合線結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)小型化的雙頻電橋耦合器。這些方案有的因?yàn)榧虞d了枝節(jié)而體積過大,有的則電路復(fù)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(shí)現(xiàn)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(diǎn)。

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(tǒng)的四分之一波長傳輸線K變換器其實(shí)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(jié)構(gòu)。為實(shí)現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)。通過調(diào)節(jié)3段傳輸線的特性阻抗和電長度,可以調(diào)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(dǎo)出階梯阻抗線二端口網(wǎng)絡(luò)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(dǎo)而給出的輔助函數(shù)。

因?yàn)槭菑?fù)雜的超越方程,很難獲得解析的結(jié)果。為了能夠獲得解析結(jié)果,僅考慮一些特殊情況:θ1=θ2,θ2=2θ1以及θ1=2θ2。

(1)當(dāng)θ1=θ2時(shí),方程 (4)可以簡化如下:

比較4個(gè)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(dāng)θ2=2θ1時(shí),方程(4)轉(zhuǎn)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(yīng)地,實(shí)用的頻率比m的范圍

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

一旦根據(jù)m的值求得θ1和θ2,可以根據(jù)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(shí)現(xiàn)了。

圖2(a)給出了情況(1)的總電長度-頻率比的對應(yīng)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?fù)?其中上下各一個(gè)階梯阻抗雙頻K變換器,K=Z0/2,左右各有一個(gè)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(jì)算出各段電長度;然后根據(jù)K值計(jì)算出各段傳輸線的特性阻抗。由此可以設(shè)計(jì)出雙頻電橋耦合器。

2 雙頻電橋耦合器的設(shè)計(jì)實(shí)例和測試結(jié)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(guān)系曲線

本文要設(shè)計(jì)一個(gè)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(shè)計(jì)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(shù)如表1所示。

本文采用微帶形式實(shí)現(xiàn)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(shù)

圖3 雙頻電橋耦合器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

使用介質(zhì)襯底的介電常數(shù)為2.55,厚度為0.8 mm。根據(jù)各段傳輸線的特性阻抗和電長度可以計(jì)算出各段微帶線的寬度和長度。圖4給出了使用仿真和實(shí)測的S參數(shù)的比較曲線,可以看到在1 GHz和5 GHz附近,該電橋耦合器實(shí)現(xiàn)了3 d B耦合,這2個(gè)頻點(diǎn)處耦合度分別為3.3 dB和3.5 dB,反射系數(shù)分別達(dá)到-30 d B以下,而隔離度達(dá)到了-28 d B和-30 dB。該雙頻電橋耦合器在2個(gè)使用頻率附近各有一定的使用帶寬,與傳統(tǒng)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(shí)際電路?？梢钥吹皆撾娐方Y(jié)構(gòu)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(shí)測曲線比較

圖5 雙頻電橋耦合器的電路實(shí)物

3 結(jié)束語

本文將對稱階梯阻抗雙頻K變換器應(yīng)用于雙頻電橋耦合器的設(shè)計(jì)。該雙頻電橋耦合器的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)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(gè)頻率可以控制,且往往可以實(shí)現(xiàn)較大的頻率比。對雙頻K變換器做了仿真和實(shí)物測量,2種結(jié)果吻合,衰減和隔離指標(biāo)達(dá)到了工程實(shí)用要求。