具有谐波抑制的小型化混合环耦合器设计
祝子辉++王钟葆
摘 要： 提出一种具有谐波抑制的小型化混合环耦合器。采用T型结构代替[7λ6]混合环中的每一段[λ6]传输线，以显著减小混合环的尺寸；并且通过T型结构中的并联开路枝节引入带外传输零点，实现针对三次谐波的抑制作用。为验证理论的正确性，设计了一个中心工作频率为1 GHz的小型化混合环，并给出电磁仿真和实物测试结果。测试结果表明，所设计的混合环在保持3 dB耦合器工作特性的同时，在三次谐波附近插入衰减大于30 dB，实现了良好的谐波抑制功能。此外，该混合环的尺寸仅为传统混合环耦合器的34.2%，具有广阔的应用前景。
关键词： 混合环耦合器； 小型化； 谐波抑制； 开路枝节
中图分类号： TN622?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）21?0043?03
Design of a miniaturized rat?race coupler with harmonic suppression function
ZHU Zihui， WANG Zhongbao
（School of Information Science and Technology， Dalian Maritime University， Dalian 116026， China）
Abstract： A miniaturized rat?race coupler with harmonic suppression function is proposed， in which the T?type structure replaces each [λ6] transmission line in [7λ6] rat?race loop to reduce the dimension of the rat?race loop， and the out?of?band transmission zero is introduced through the parallel open?circuit stub in T?type structure to suppress the third harmonic. In order to verify the validity of the theory， a miniaturized rat?race loop is designed， whose central working frequency is 1 GHz. The results of material object test and electromagnetic simulation are given. The test results show that the rat?race loop has perfect harmonic suppression function， and its insertion attenuation near the third harmonic is higher than 30 dB while the working characteristic of the coupler maintains at 3 dB. The dimension of the proposed rat?race coupler is 34.2% of the traditional rat?race coupler. The coupler has broad application prospect.
Keywords： rat?race coupler； miniaturization； harmonic suppression； open?circuit stub
0 引 言
混合环耦合器不仅能够实现功率分配作用，还能实现特定端口之间的同相或反相输出，已广泛应用于差分馈电天线、平衡式放大器和混频器中。在实际运用中，耦合器的尺寸已成为设计过程中必须考虑的重要指标。此外，在有源电路应用中，其谐波抑制能力也成为国内外研究的热点。
近年来，出现了较多的混合环小型化技术，例如，采用C型折叠耦合线结构[1]、非均匀传输线[2]或基于左右手传输线概念[3]的集总电感电容元件等小型化方案。而折叠耦合微带线奇偶模电长度不相等将恶化性能，非均匀传输线设计理论复杂，左右手传输线需较多的集总电感电容将引入较大的损耗。另外，与Π型[4]和T型[5]等效电路法相比，通过缺陷性地结构[6]、阶梯阻抗变换器[7]、补偿开环谐振单元[8]等方案用于谐波抑制，其结构复杂、设计困难。基于前人研究成果，本文提出一种利于实现且具有谐波抑制的小型化耦合器。
1 理论分析与结构设计
图1给出了[7λ6]混合环耦合器的结构示意图。根据奇偶模理论分析可知[9]：当[θ1=]60°时，[Z1=2×503 Ω，]传统耦合器总的电长度由原来的540°变为420°，圆周减小了22.2%。
为了进一步减小混合环的尺寸，采用如图2所示的T型结构代替[7λ6]耦合环中的每一段[λ6]传输线，得到如图3所示的小型化耦合器结构。通过令T型结构的转移矩阵与[λ6]传输线的转移矩阵各元素一一对应相等，可得如下等效关系式：
[ZT=100（3tanθT）] （1）
[ZO=200cos2θTtanθO（6cos2θT-3）] （2）
式中：[ZT]和[θT]分别为左右臂传输线的特性阻抗和电长度；[ZO]和[θO]分别为开路枝节的特性阻抗和电长度。
针对三次谐波的抑制，根据式（3）可以算出开路枝节的电长度：
[θO=πf0（2fs）] （3）
式中：[f0]为耦合器中心工作频率；[fs]为谐波抑制频率。
通过ADS电路仿真分析，确定一组最优的设计参数：开路枝节的特性阻抗和电长度分别为78.4 Ω和30°；T型结构左右臂传输线的特性阻抗和电长度分别为80.9 Ω和22.4°。
由图4可知，在中心工作频率1 GHz处，本文提出的耦合器与传统耦合器在性能上有着很好的一致性，但本文提出的结构在3 GHz处的传输零点很好地抑制了谐波。
2 实物制作与性能分析
基于第1节的理论分析，对小型化耦合器进行实物加工与测试验证。采用的微波电路板的相对介电常数为2.65，厚度为1.5 mm。采用TXline传输线计算工具，根据特性阻抗和电长度计算出物理尺寸，再通过HFSS仿真，考虑开路端边缘电容效应后，开路枝节长度为17.31 mm，开路枝节宽度为1.87 mm，耦合环的半径为28.86 mm，耦合环传输线的宽度为1.76 mm。制作的混合环耦合器实物如图5所示，该混合环的尺寸仅为传统混合环耦合器的34.2%。
使用安捷伦N5230A矢量网络分析仪对加工的耦合器进行实际测试，仿真与测试结果如图6所示，仿真与测试结果具有较好的一致性。
由图6（a）可知，测试的回波损耗（[S11<]-10 dB）大于10 dB的相对带宽为30.8%（0.927～1.264 GHz），隔离度（[S31<]-20 dB）大于20 dB的相对带宽为25.1%（0.929～1.196 GHz，最大隔离35.5 dB）。
由图6（b）和图6（c）可知，在测试的匹配最佳点（1.05 GHz）处，[S21=]-3.21 dB，[S41=]-3.24 dB，[∠S21-][∠S41=]0.95°，[∠S23-∠S43=]179.49°，实现了等幅同相和反相输出特性。
此外，由图6（b）的测试结果可知，在2.17 GHz和3.11 GHz处有两个明显的传输零点，使得2.1～3.7 GHz范围内插入衰减大于10 dB，在三次谐波（3.15 GHz）处抑制度大于30 dB，这归功于开路枝节所引入的传输零点。
3 结 语
本文提出一种具有谐波抑制的小型化混合环耦合器。该耦合器以[7λ6]混合环结构为基础，通过引入T型等效传输线结构，不仅将电路尺寸缩小了65.8%，而且利用该结构的开路枝节引入的传输零点实现了30 dB以上的三次谐波抑制作用。该耦合器具有结构简单、性能良好等优点，具有广阔的应用前景。
注：本文通讯作者为王钟葆。
参考文献
[1] SETTALURI R K， SUNDBERG G， WEISSHAAR A， et al. Compact folded line rat?race hybrid couplers [J]. IEEE microwave and guided wave letters， 2000， 10（2）： 61?63.
[2] TARAVATI S. Miniaturized wide?band rat?race coupler [J]. International journal of RF and microwave computer?aided engineering， 2013， 23（6）： 675?681.
[3] KIM H. Compact and broadband tunable hybrid ring coupler using synthetic left?and right?handed transmission lines [J]. Microwave and optical technology letters， 2011， 53 （6）： 1379?1382.
[4] MONDAL P， CHAKRABARTY A. Design of miniaturised branch?line and rat?race hybrid couplers with harmonics suppression [J]. IET microwaves， antennas & propagation， 2009， 3（1）： 109?116.
[5] NIE W， LUO S， GUO Y X， et al. Miniaturized rat?race coupler with harmonic suppression [J]. IEEE microwave and wireless components letters， 2014， 24（11）： 754?756.
[6] SUNG Y J， AHN C S， KIM Y S. Size reduction and harmonic suppression of rat?race hybrid coupler using defected ground structure [J]. IEEE microwave and wireless components letters， 2004， 14（1）： 7?9.
[7] KUO J T， WU J S， CHIOU Y C. Miniaturized rat?race coupler with suppression of spurious passband [J]. IEEE microwave and wireless components letters， 2007， 17（1）： 46?48.
[8] ZHANG J， SUN X W. Harmonic suppression of branch?line and rat?race coupler using complementary spilt ring resonators （CSRR） cell [J]. Progress in electromagnetics research letters， 2008， 2： 73?79.
[9] MANDAL M K， SANYAL S. Reduced?length rat?race couplers [J]. IEEE transactions on microwave theory and techniques， 2007， 55（12）： 2593?2598.
摘 要： 提出一种具有谐波抑制的小型化混合环耦合器。采用T型结构代替[7λ6]混合环中的每一段[λ6]传输线，以显著减小混合环的尺寸；并且通过T型结构中的并联开路枝节引入带外传输零点，实现针对三次谐波的抑制作用。为验证理论的正确性，设计了一个中心工作频率为1 GHz的小型化混合环，并给出电磁仿真和实物测试结果。测试结果表明，所设计的混合环在保持3 dB耦合器工作特性的同时，在三次谐波附近插入衰减大于30 dB，实现了良好的谐波抑制功能。此外，该混合环的尺寸仅为传统混合环耦合器的34.2%，具有广阔的应用前景。
关键词： 混合环耦合器； 小型化； 谐波抑制； 开路枝节
中图分类号： TN622?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）21?0043?03
Design of a miniaturized rat?race coupler with harmonic suppression function
ZHU Zihui， WANG Zhongbao
（School of Information Science and Technology， Dalian Maritime University， Dalian 116026， China）
Abstract： A miniaturized rat?race coupler with harmonic suppression function is proposed， in which the T?type structure replaces each [λ6] transmission line in [7λ6] rat?race loop to reduce the dimension of the rat?race loop， and the out?of?band transmission zero is introduced through the parallel open?circuit stub in T?type structure to suppress the third harmonic. In order to verify the validity of the theory， a miniaturized rat?race loop is designed， whose central working frequency is 1 GHz. The results of material object test and electromagnetic simulation are given. The test results show that the rat?race loop has perfect harmonic suppression function， and its insertion attenuation near the third harmonic is higher than 30 dB while the working characteristic of the coupler maintains at 3 dB. The dimension of the proposed rat?race coupler is 34.2% of the traditional rat?race coupler. The coupler has broad application prospect.
Keywords： rat?race coupler； miniaturization； harmonic suppression； open?circuit stub
0 引 言
混合环耦合器不仅能够实现功率分配作用，还能实现特定端口之间的同相或反相输出，已广泛应用于差分馈电天线、平衡式放大器和混频器中。在实际运用中，耦合器的尺寸已成为设计过程中必须考虑的重要指标。此外，在有源电路应用中，其谐波抑制能力也成为国内外研究的热点。
近年来，出现了较多的混合环小型化技术，例如，采用C型折叠耦合线结构[1]、非均匀传输线[2]或基于左右手传输线概念[3]的集总电感电容元件等小型化方案。而折叠耦合微带线奇偶模电长度不相等将恶化性能，非均匀传输线设计理论复杂，左右手传输线需较多的集总电感电容将引入较大的损耗。另外，与Π型[4]和T型[5]等效电路法相比，通过缺陷性地结构[6]、阶梯阻抗变换器[7]、补偿开环谐振单元[8]等方案用于谐波抑制，其结构复杂、设计困难。基于前人研究成果，本文提出一种利于实现且具有谐波抑制的小型化耦合器。
1 理论分析与结构设计
图1给出了[7λ6]混合环耦合器的结构示意图。根据奇偶模理论分析可知[9]：当[θ1=]60°时，[Z1=2×503 Ω，]传统耦合器总的电长度由原来的540°变为420°，圆周减小了22.2%。
为了进一步减小混合环的尺寸，采用如图2所示的T型结构代替[7λ6]耦合环中的每一段[λ6]传输线，得到如图3所示的小型化耦合器结构。通过令T型结构的转移矩阵与[λ6]传输线的转移矩阵各元素一一对应相等，可得如下等效关系式：
[ZT=100（3tanθT）] （1）
[ZO=200cos2θTtanθO（6cos2θT-3）] （2）
式中：[ZT]和[θT]分别为左右臂传输线的特性阻抗和电长度；[ZO]和[θO]分别为开路枝节的特性阻抗和电长度。
针对三次谐波的抑制，根据式（3）可以算出开路枝节的电长度：
[θO=πf0（2fs）] （3）
式中：[f0]为耦合器中心工作频率；[fs]为谐波抑制频率。
通过ADS电路仿真分析，确定一组最优的设计参数：开路枝节的特性阻抗和电长度分别为78.4 Ω和30°；T型结构左右臂传输线的特性阻抗和电长度分别为80.9 Ω和22.4°。
由图4可知，在中心工作频率1 GHz处，本文提出的耦合器与传统耦合器在性能上有着很好的一致性，但本文提出的结构在3 GHz处的传输零点很好地抑制了谐波。
2 实物制作与性能分析
基于第1节的理论分析，对小型化耦合器进行实物加工与测试验证。采用的微波电路板的相对介电常数为2.65，厚度为1.5 mm。采用TXline传输线计算工具，根据特性阻抗和电长度计算出物理尺寸，再通过HFSS仿真，考虑开路端边缘电容效应后，开路枝节长度为17.31 mm，开路枝节宽度为1.87 mm，耦合环的半径为28.86 mm，耦合环传输线的宽度为1.76 mm。制作的混合环耦合器实物如图5所示，该混合环的尺寸仅为传统混合环耦合器的34.2%。
使用安捷伦N5230A矢量网络分析仪对加工的耦合器进行实际测试，仿真与测试结果如图6所示，仿真与测试结果具有较好的一致性。
由图6（a）可知，测试的回波损耗（[S11<]-10 dB）大于10 dB的相对带宽为30.8%（0.927～1.264 GHz），隔离度（[S31<]-20 dB）大于20 dB的相对带宽为25.1%（0.929～1.196 GHz，最大隔离35.5 dB）。
由图6（b）和图6（c）可知，在测试的匹配最佳点（1.05 GHz）处，[S21=]-3.21 dB，[S41=]-3.24 dB，[∠S21-][∠S41=]0.95°，[∠S23-∠S43=]179.49°，实现了等幅同相和反相输出特性。
此外，由图6（b）的测试结果可知，在2.17 GHz和3.11 GHz处有两个明显的传输零点，使得2.1～3.7 GHz范围内插入衰减大于10 dB，在三次谐波（3.15 GHz）处抑制度大于30 dB，这归功于开路枝节所引入的传输零点。
3 结 语
本文提出一种具有谐波抑制的小型化混合环耦合器。该耦合器以[7λ6]混合环结构为基础，通过引入T型等效传输线结构，不仅将电路尺寸缩小了65.8%，而且利用该结构的开路枝节引入的传输零点实现了30 dB以上的三次谐波抑制作用。该耦合器具有结构简单、性能良好等优点，具有广阔的应用前景。
注：本文通讯作者为王钟葆。
参考文献
[1] SETTALURI R K， SUNDBERG G， WEISSHAAR A， et al. Compact folded line rat?race hybrid couplers [J]. IEEE microwave and guided wave letters， 2000， 10（2）： 61?63.
[2] TARAVATI S. Miniaturized wide?band rat?race coupler [J]. International journal of RF and microwave computer?aided engineering， 2013， 23（6）： 675?681.
[3] KIM H. Compact and broadband tunable hybrid ring coupler using synthetic left?and right?handed transmission lines [J]. Microwave and optical technology letters， 2011， 53 （6）： 1379?1382.
[4] MONDAL P， CHAKRABARTY A. Design of miniaturised branch?line and rat?race hybrid couplers with harmonics suppression [J]. IET microwaves， antennas & propagation， 2009， 3（1）： 109?116.
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[9] MANDAL M K， SANYAL S. Reduced?length rat?race couplers [J]. IEEE transactions on microwave theory and techniques， 2007， 55（12）： 2593?2598.
