一种宽频带小尺寸频率可重构耦合器

李红涛 张洪林 胡斌杰 魏晓东 曾伟森

(1.华南理工大学电子与信息学院,广州 510640;2.广东工业大学,广州 510006)



一种宽频带小尺寸频率可重构耦合器

李红涛1,2张洪林1胡斌杰1魏晓东1曾伟森2

(1.华南理工大学电子与信息学院,广州 510640;2.广东工业大学,广州 510006)

为了适应通信发展中小尺寸可重构的需求,提出一种具有宽频带小尺寸中心频率可调的可重构耦合器. 为减小电路尺寸,采用π型可调结构,并将可调部分电路放进耦合器内部夹角处,并分析可调电路开路微带线的夹角、长度和宽度对中心频率的影响. 电调功能由变容二极管实现. 文中通过分析电路结构,从理论上揭示了中心频率可调的机理. 通过仿真、加工和测试,仿真和测试结果吻合良好.仿真和测试结果表明:通过改变加在变容二极管两端的电压,耦合器的中心频率在705～1 050 MHz范围内连续变化,在频率变化过程中,耦合器保持输出端口相位正交和幅度平衡. 并分析了引起输出端插入损耗的原因.

频率可重构;宽频带;相位正交和幅度平衡;变容二极管;小尺寸

DOI 10.13443/j.cjors.2015090201

引 言

Hybrid耦合器是现代无线通信系统中的一个重要组成部分. 它已被广泛应用于各方面,如天线阵列的馈电网络,功率分配/合成网络和平衡混频器.

近年来,有关耦合器的研究非常多. 文献[1-2]研究了宽频带耦合器. 文献[3]研究了耦合器尺寸的缩小. 文献[4-13]研究了双频段耦合器. 文献[7]研究了双频段耦合器原理. 文献[8-9]研究双频段对称耦合器. 在文献[10-11]中,实现了双频段不同功分比耦合器. 文献[12]研究了在双频耦合器的两个频段上可以实现同步功分比变化. 文献[13]研究了双频段上任意功分比耦合器. 然而以上有关耦合器的设计没有加入可调功能,实现不了可重构功能. 在常规耦合器的研究基础上,变容二极管用于设计可重构耦合器成为研究热点. 文献[14-20]中可调功率分配比Hybrid耦合器采用变容二极管设计,然而工作频率却是固定的. 在文献[21-22]中,Hybrid耦合器可以在几个窄频带之间切换,但是这些频段之间并不连续. 在文献[23]中,一个T字功率分配器具第一和第二频带分别具有16.8%和6.8%的可调带宽,但其最大的可调频率带宽也只有16.8%. 虽然已有很多电调混合耦合器的研究,但是他们不具有连续的可调中心频率、宽频带、小尺寸,同时保持输出端口的相位正交和幅度平衡特性.

本文中,提出了一种具有宽频小尺寸可调中心频率的可重构耦合器. 利用π型结构代替耦合器中的微带线可以实现耦合器小型化. 变容二极管用来实现频率的可调性. 该Hybrid耦合器的电长度是由变容二极管控制. 通过改变变容二极管的偏置电压,中心工作频率在705～1 050 MHz范围内连续可调. 此外,在可调频率范围内,耦合器保持输出端口相位正交和幅度平衡. 对加工后的耦合器测试,获得与仿真数据很好的吻合一致性. 整个电路尺寸只有3.9 cm×3.7 cm.

1 频率可重构Hybrid耦合器的设计

该频率可重构的Hybrid耦合器结构如图1所示. 通过合并Hybrid耦合器 (图2 (a))和电调结构(图2 (b))获得频率可重构Hybrid耦合器. 为了实现频率可重构Hybrid耦合器,使用电调网络取代Hybrid耦合器的四根微带线. 电调网络由一个分支线和两个并联可变电容(用变容二极管实现),形成一个π型网络. 这个π型网络相当于一个具有ZTa的特性阻抗和90°电长度的微带传输线. 根据文献[3]提出的利用π型结构代替耦合器中的微带线可以实现耦合器小型化,可以将边长由原来的四分之一波长缩小为十二分之一波长,大大缩小了电路尺寸. 本文也采用π型结构代替耦合器中的微带线,并将可调部分电路放进耦合器内部夹角处,以实现耦合器小型化.

图1 宽频带中心频率可调耦合器电路结构

(a) 一般耦合器 (b)电调网络图2 宽频带中心频率可调耦合器电路组成

先不考虑与变容二极管串联部分的微带线影响,π型网络对应的ABCD矩阵如下

(1)

(2)

式中,

Y=ωCp=2πfCp.

(3)

从式(2) 可获得如下两个方程:

cos θa-ZaYsin θa=cos 90°,

(4)

jZasin θa=jZTasin 90°.

(5)

将式(3)带入式(4), 电长度θa表达式如下:

θa=arccot(YZa)=arccot(2πfCpZa).

(6)

将式(6)带入式(5),可以获得如下结果:

ZTa=Zasin θa=Zasin(arccot(2πfCpZa))

(7)

所以,

(8)

对微带线Zb通过同样的方法,可以获得如下结果:

ZTa=Zbsin θb=Zbsin(arccot(2πfCpZb))

=Z0,

(9)

进一步可以将式(6)转化为以下结果

(10)

根据式(8)和式(10), 电容Cp与工作频率f成反比关系. 通过增加变容二极管两端的偏置电压,电容值Cp变小, 所以工作频率变高. 等效微带线的电长度由变容二极管两端的偏置电压决定. 通过连续调整变容二极管的偏置电压, Hybrid耦合器的工作频率跟着连续可调变化.

另外,通过仿真分析发现,与变容二极管串联部分的微带线的角度、长度和宽度变化时,也会对中心频率起到微调的作用,具体仿真结果见下文分析.

通过仿真发现,短接线与边框电路的夹角t会影响耦合器中心频率,如图3所示,当夹角t从20°变化至40°之间变化时,中心频率会从710 MHz降低到680 MHz.

图3 当Cp=6.5 pF，短接线与边框电路的夹角t对中心频率的影响

通过仿真发现,短接线的长度l3影响耦合器中心频率,如图4所示,当长度从7 mm变化至16 mm时,中心频率会从700 MHz降低到575 MHz.

通过仿真发现,短接线的宽度w3影响耦合器中心频率,如图5所示,当长度从0.2 mm变化至1.0 mm时,中心频率会从675 MHz升高到720 MHz.

图4 当Cp=6.5 pF，短接线的长度l3对中心频率的影响

图5 当Cp=6.5 pF，短接线的宽度w3对中心频率的影响

综上所述,通过连续调整变容二极管的偏置电压, Hybrid耦合器的工作频率跟着连续可调变化;另外,与变容二极管串联部分的微带线的角度、长度和宽度也会对中心频率有影响,改变相应参数,也会相应地调整耦合器的中心频率. 在实际设计中,可以参照以上短接线与边框电路的夹角t对中心频率的影响、短接线的长度l3对中心频率的影响以及短接线的宽度w3对中心频率的影响进行综合,最终确定可重构耦合器的中心频率.

2 结果和讨论

综合上文给出的有关可重构耦合器中心频率的 决定因素,经过反复仿真,获得表1的参数,对应于表1参数的频率可重构Hybrid耦合器,其仿真S参数和输出端(端口2和3)相位差如图6所示. 如图6 (a)和6 (b)所示,当可变电容Cp增大时,Hybrid耦合器的工作频率下降,这符合原理推导部分获得的结论:电容Cp与工作频率f成反比关系. 图6(c)和6 (d)表明,在工作频带内,Hybrid耦合器可以保持输出端口的相位正交性和幅度平衡特性.

表1 宽频带中心频率可调耦合器结构参数

(a) |S11|

(b) |S14|

(c) |S12|和 |S13|

(d) |S12| 和|S13|之间的仿真相位差图6 Hybrid耦合器在不同Cp时的仿真参数

为了验证本文设计的Hybrid耦合器的性能,本文利用FR-4制作一个Hybrid耦合器. 板材FR-4的介电常数是和介质损耗角正切分别为4.7和0.02,厚度为1 mm. 实际加工的Hybrid耦合器尺寸与仿真参数一致. 变容二极管JDV2S71E代替图1中的可变电容Cp,变容二极管JDV2S71E电压与电容Cp对应关系如图9所示. 实际设计加工后的电路如图7所示. 为了保护测试设备和变容二极管,增加了保护电阻Rbias=4.7 kΩ和隔直电容C=20 pF. 核心电路占用面积为3.9×3.7 cm2(0.092λg1×0.087λg1或者0.137λg2×0.130λg2)其中λg1代表在705 MHz时的波长,λg2代表在1 050 MHz时的波长.

图7 频率可重构耦合器实物照片

运用四端口网络分析仪E5071C测试Hybrid耦合器,测试结果S参数如图8所示. 从图8的数据可以看出,随着偏置电压的增加,Hybrid耦合器的工作频率也随之增加. 原因在于随着偏置电压的增加变容二极管的等效电容变小. 从图8(a)可以看出,在不同的偏置电压下,在其中心频率点,Hybrid耦合器的反射系数|S11|都小于-20 dB. 从图8(b)可以看出,在不同的偏置电压下,在其中心频率点,Hybrid耦合器的隔离度|S14|都大于25 dB. 从图8(c)和(d)可以看出在同偏置电压下的工作频带内, Hybrid耦合器都保持输出端口的相位正交和幅度平衡. 与图7中仿真结果相比较,测试结果与之吻合良好.

(a) |S11|

(b) |S14|

(d) |S12| 和|S13|之间的测试相位差图8 Hybrid耦合器在不同偏置电压下的测试参数

图9 变容二极管JDV2S71E电压与电容Cp对应关系

如图8(c) 所示,该耦合器在705 MHz和800 MHz 工作频率下,与传统的3 dB耦合器相比,插入损耗大约为1.5～2 dB. 引起这个损耗的原因在于如图7所示的频率可重构耦合器中变容二极管电路电压加载电路部分的设计结构. 为了保护测试设备和变容二极管,增加了保护电阻Rbias=4.7 kΩ和隔直电容C=20 pF. 本文中耦合器工作中心频率在705至1 050 MHz范围内连续可调,根据图9中变容二极管JDV2S71E电压与电容Cp对应关系,变容二极管JDV2S71E的变化范围在0.5～9 pF内. 在705 MHz时变容二极管等效电容对应的阻抗值为25 Ω,在1 050 MHz时变容二极管等效电容对应的阻抗值为303 Ω. 相对于隔直电阻Rbias=4.7 kΩ来说,变容二极管的阻抗偏小,从端口1进入的能量大部分会通过四个变容二极管泄露,导致输出端口具有能量损失,导致插入损耗大约为1.5～2 dB.

表2列出了在不同偏置电压下测试的中心频率和带宽.偏置电压从1.0到 22 V的变化过程中,Hybrid耦合器的中心频率从705～1 050 MHz变化. 在不同的偏置电压下,Hybrid耦合器的带宽都大于140 MHz. 测试结果也表明,偏置电压增加工作带宽也变宽. 当偏置电压达到22 V, 测试带宽达到41.1%(850～1 290 MHz).

表2 在不同偏置电压条件下，|S11|< - 10 dB时，测试的中心频率和带宽数据

表3 可调带宽和电路尺寸性能与之前的工作比较

表3将之前的一些论文成果与本文相比较,可以看出,本文设计的电路表现出更宽的可调带宽和更小的尺寸.

3 结论

本文展示了一种具有宽频带小尺寸中心频率可调的可重构耦合器. 通过改变加在变容二极管两端的电压,耦合器的中心频率在705～1 050 MHz (39.3%)范围内连续变化. 在不同偏置电压下的工作频带内,Hybrid耦合器都保持输出端口相位正交和幅度平衡. 另外,整个电路尺寸比较小(3.9 cm×3.7 cm,相当于0.092λg1×0.087λg1或者0.137λg2×0.130λg2). 测试数据与仿真数据吻合良好.

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Tunable frequency coupler with broad bandwidth and small size

LI Hongtao1,2ZHANG Honglin1HU Binjie1WEI Xiaodong1ZENG Weisen2

(1.SchoolofElectronicandInformationEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,China;2.GuangdongUniversityofTechnology,Guangzhou510006,China)

In order to meet the demand of the small size and reconfigurable communication development, this paper presents a frequency reconfigurable hybrid with broad tuning bandwidth and small size. In order to reduce the circuit size, theπ-type adjustable structure is adopted, and the adjustable part of the circuit is placed in the internal angle of the coupler. The open circuit microstrip line of the adjustable circuit has three parameters, the angle, the length and the width. The influence of three parameters on the center frequency is analyzed. The electric adjustment network is utlized with varactor diodes. In this paper, the structure of the circuit is analyzed, and the mechanism of the tunable center frequency can be revealed. The proposed hybrid is simulated, fabricated and measured. The measured results agree well with the simulated ones. Simulation and measurement results show that by varying biasing voltage of the varactor diodes, the center operating frequency can be tuned continuously from 705 to 1050 MHz. In the tuning range, it has phase orthogonality and amplitude balance of the output ports. The cause of output terminal insertion loss is analyzed.

frequency reconfigurable; broad bandwidth; phase orthogonality and amplitude balance; varactor diodes; small size

10.13443/j.cjors.2015090201

2015-09-02

广东省国家自然科学联合基金(U1035002); 粤港科技攻关项目(2011A011305001); (2011A011302001);

TN817

A

1005-0388(2016)04-0791-07

李红涛 (1977-),男,河南人,华南理工大学电子与信息学院通信与信息系统专业博士研究生,主要从事无线通信方面的研究.

张洪林 (1976-),男,四川人,华南理工大学电子与信息学院教师,博士,研究方向为电磁理论与电磁兼容.

胡斌杰 (1960-),男,陕西人,华南理工大学电子与信息学院教授,博士生导师, 1991年在中国电波传播研究所获硕士学位,1997年在成都电子科技大学获博士学位,1997-1999年,作为华南理工大学的博士后从事研究工作,2001-2002年,作为访问学者,在香港城市大学电子工程系做科研工作,2005年,在法国Nantes大学做访问教授, 目前主要研究无线通信、微波电路、认知无线电和天线.

魏晓东 (1988-),男,安徽人,华南理工大学电子与信息学院通信与信息系统专业博士研究生,主要从事无线通信方面的研究.

曾伟森 (1992-),男,广东人,广东工业大学自动化学院自动化专业本科生,主要从事无线通信方面的研究.

李红涛, 张洪林, 胡斌杰, 等. 一种宽频带小尺寸频率可重构耦合器[J]. 电波科学学报,2016,31(4):791-797.

LI H T, ZHANG H L, HU B J, et al. Tunable frequency coupler with broad bandwidth and small size[J]. Chinese journal of radio science,2016,31(4):791-797. (in Chinese). DOI: 10.13443/j.cjors.2015090201

广东省教育厅校企合作项目(CGZHZD1102)

联系人： 张洪林 E-mail:eezhl@scut.edu.cn