一种频点和隔离度可调谐的定向耦合器及其自动调谐算法的制作方法

本发明是关于频点和隔离度可调谐的定向耦合器及其自动调谐算法，属于电子技术领域。

背景技术：

定向耦合器是一种被广泛应用的射频微波器件，它可以无线通信中的发射机与接收机之间的隔离，缓解发射机对接收机的干扰问题。定向耦合器为四端口的无源器件，四个端口分别为：“INPUT”端口、“OUTPUT”端口、“COUPLED”端口、和“ISOLATED”端口。“INPUT”端口到“OUTPUT”端口之间的信号传输损耗很小，一般“INPUT”端口连接发射机的功率放大器，“OUTPUT”端口连接天线，用于传输发射机的发射信号；“OUTPUT”端口到“COUPLED”端口之间的信号传输有一定的损耗，称之为耦合度，一般“OUTPUT”端口连接天线，“COUPLED”端口连接接收机，用于传输接收机的接收信号；“INPUT”端口到“COUPLED”端口之间的信号传输有很大的损耗，称之为隔离度，一般“OUTPUT”端口连接天线，“COUPLED”端口连接接收机，用于抑制发射机到接收机的泄漏发射信号，即起到隔离发射机与接收机的作用。一方面，隔离度的好坏是衡量定向耦合器最重要的指标，而现有的定向耦合器往往只能达到30～40dB左右的水准，对很多特定应用而言，如微波通信、超高频射频识别读写器系统、全双工无线通信系统，其隔离度性能远远不能满足需求。另一方面，隔离度与频率有关，一般定向耦合器往往在特定频点上会表现出一个最佳的隔离度，偏离该特定频点，隔离度会变差。此外，定向耦合器的使用往往要求各端口的端接阻抗是标准50欧姆阻抗，而在实际应用中，端口阻抗会有偏离，且电路系统中的各种寄生参量也会引入寄生电容和寄生电感，从而偏离标准50欧姆，对于传统定向耦合器，这种偏差会导致隔离度频点的偏离和隔离度变差，从而在实际应用中性能大打折扣。

近年来，不断地有文献报道和专利从事定向耦合器相关的研究，如中国专利“一种微波频段可调微带定向耦合器”(CN104112895A)和中国专利“一种耦合度可调谐微带横跨定向耦合器”(CN104064847A)，然而包括上述两个专利必须通过改变器件的结构尺寸才能达到调谐的目的，器件结构尺寸一旦确定而进行产品量产之后，就无法再实现调谐功能，并且由于定向耦合器的具体应用场景不同，所在的电路板系统导致的端口阻抗存在差异性的寄生阻抗，从而导致实际应用时，频点发生偏离，隔离度性能严重退化。因此， 本发明针对上述问题，公开了一种频点和隔离度可调谐的定向耦合器及其自动调谐算法，可根据定向耦合器所处的实际电路系统，自动调谐至特定频点，并调谐至最优隔离度；从而使得定向耦合器可以任意调谐出想要的频点，并且优化隔离度，避免了实际应用的不确定性和寄生阻抗对定向耦合器性能的影响。

技术实现要素：

定向耦合器的四个端口通常连接标准50欧姆阻抗，且定向耦合器的性能指标也几乎是限定在端口阻抗连接标准50欧姆阻抗的情况下获得的；而实际情况下，端口往往连接天线、发射机功率放大器的输出端口、接收机的输入端口等，端口阻抗会严重偏离，不仅阻抗的实部会偏离50欧姆，阻抗还会出现虚部，表现出容性或感性，即存在寄生电容或寄生电感，即实际情况的端口阻抗严重偏离标准50欧姆，且是随着频率会发生变化。而且真是应用的情况下，由于天线、元器件、电路板系统的加工误差、尺寸误差、所受应力的非一致性、哪怕焊接时焊点位置和焊锡量的多少等，都会严重影响到端接阻抗的值，从而使得同一型号的定向耦合器在同一型号的电路板系统中应用时，也会发生显著的性能退化和严重的非一致性问题。

因此，本发明提供了一种频点和隔离度可调谐的定向耦合器及其自动调谐算法。定向耦合器的ISOLATED端口的端接阻抗从传统的50欧姆电阻变成可变端接阻抗，通过调谐阻抗的实部和虚部，来根据实际情况自适应的调谐定向耦合器，达到频点和隔离度的可调谐，从而实现特定频点下隔离度的最优化；请在本发明的电路拓扑基础上，提出了一种自动调谐算法，从而自适应的调谐定向耦合器的频点和隔离度。

本发明的上述目的是通过如下的技术方案予以实现的：

1.如图1所示，“天线1”与“定向耦合器2”的“OUTPUT”端口相连，实现向外辐射发射机的“发射信号”与向内接收“接收信号”；“发射机”与“定向耦合器2”的“INPUT”端口相连，向外发射“发射信号”；“定向耦合器2”的“COUPLED”端口与“接收机”相连，接收“接收信号”；“定向耦合器2”的“ISOLATED”端口与“可变端接阻抗3”的一端相连；“可变端接阻抗3”的另一端与“地”相连。

2.如图1所示，所述的“可变端接阻抗3”由“可变电阻Rs 3A”、“电感Ls 3B”、“可变电容Cs 3A”并联组成，他们的一端相连，另外一端也相连。

3.如图1所示，所属的“可变端接阻抗3”中的“可变电容Cs 3A”的电容值可变， 与“电感Ls 3B”一起组成可变端接阻抗的虚部，通过改变电容，可以改变端接阻抗的虚部，从而实现定向耦合器隔离度的频点调谐，即改变隔离度最优处的频点。

4.如图1所示，所述的“可变端接阻抗3”中的“可变电阻Rs 3A”中电阻值可变，通过改变电阻，可以改变端接阻抗的实部，从而实现定向耦合器隔离度的调谐，即实现特定频点下隔离度的最优化。

5.如图1所示，所述的“发射机4”发射特定频率的连续载波信号，该信号经过所述的“定向耦合器2”，泄漏至“COUPLED”端口，进入“接收机5”，“接收机5”通过测定泄漏的连续载波信号的强度，将信息发送至“信号处理与数字控制6”，“信号处理与数字控制6”随后发送控制指令控制所述的“可变端接阻抗3”实现“可变电阻Rs 3A”的电阻值改变与“可变电容Cs 3A”的电容值改变，从而实现频点和隔离度的调谐。

6.如图1所示，所述的“信号处理与数字控制6”先发送控制指令控制所述的“可变端接阻抗3”实现“可变电容Cs 3A”的电容值改变，每改变一次，就通过所述的“接收机5”测定泄漏的连续载波信号的强度，直到测定的强度最小时为止，此时即实现了定向耦合器的频点调谐。

7.如图1所示，在完成定向耦合器的频点调谐之后，所述的“信号处理与数字控制6”再发送控制指令控制所述的“可变端接阻抗3”实现“可变电阻Rs 3A”的电阻值改变，每改变一次，就通过所述的“接收机5”测定泄漏的连续载波信号的强度，直到测定的强度最小时为止，此时即实现了定向耦合器的隔离度调谐。

本发明的优点

传统的定向耦合器，当器件实现之后，就无法实现频点和隔离度的调谐，并且在实际应用中，由于天线、元器件、电路板系统的加工误差、尺寸误差、所受应力的非一致性、哪怕焊接时焊点位置和焊锡量的多少等，都会严重影响到端接阻抗的值，从而使得隔离度显著的性能退化、频点的严重偏离、以及严重的非一致性问题。而本发明，则在定向耦合器应用在具体环境中之后，自适应的自动调谐频点和隔离度，从而避免了实际应用环境中的寄生参数的影响和非一致性的影响，并且随着系统的温度、环境、应力、老化等因素导致的变化均可以通过本发明抑制掉，从而具有性能好、一致性好、成本低、简单实用，可显提升定向耦合器的性能和实用性。

本发明的优点在于：

1.隔离度频点可调谐；

2.隔离度可调谐；

3.隔离度可实现最优化；

4.一致性好；

5.避免了实际应用环境中的寄生参数的影响和非一致性的影响；

6.系统的温度、环境、应力、老化等因素导致的变化，均可以通过自适应的自动调谐来实现频点和隔离度的调谐，从而维持特定频点下的最优隔离度；

7.成本低。

附图说明

图1：一种频点和隔离度可调谐的定向耦合器及其自动调谐算法的示意图；

图2：一频点和隔离度可调谐的定向耦合器及其自动调谐算法的具体实施例1的示意图；图3：一频点和隔离度可调谐的定向耦合器及其自动调谐算法的具体实施例2的示意图；

具体实施方法

如图2所示的一频点和隔离度可调谐的定向耦合器及其自动调谐算法的具体实施例1：图1中所述的“可变电容Cs 3C”由图2中的多个开关电容并联组成，具体而言，电容“C_0”与开关“M_0”串联，开关“M_0”的另一端与“定向耦合器2”的“ISOLATED”端口相连，电容“C_0”的另一端与“地”相连；电容“C_1”与开关“M_1”串联，开关“M_1”的另一端与“定向耦合器2”的“ISOLATED”端口相连，电容“C_1”的另一端与“地”相连，电容“C_1”的大小是电容“C_0”的2倍；依次类推，有多个这样的开关电容，最后一组是，开关“M_N-1”的另一端与“定向耦合器2”的“ISOLATED”端口相连，电容“C_N-1”的另一端与“地”相连，电容“C_N-1”的大小是电容“C_0”的2^(N-1)倍；通过控制开关“M_0”、“M_1”、…、“M_N-1”的断开和关闭，实现电容值的变化，电容值的变化范围是0到(2^N-1)*C_0，变化步长为C_0；通过改变C_0参数以及电容的数目N，即可实现电容值的不同变化范围和不同变化步长，以适应各种不同的应用需求。图1中所述的“可变电阻Rs 3A”由图2中的多个并联的开关电阻串联组成，具体而言，电阻“R_0”与开关“K_0”并联，电阻“R_0”与开关“K_0”的一端与“定向耦合器2”的“ISOLATED”端口相连，电阻“R_0”与开关“K_0”的另一端与后续并联的开关电阻相连；电阻“R_1”与开关“K_1”并联，电阻“R_1”与开关“K_1”的一端与电阻“R_0” 与开关“K_0”的另一端相连，电阻“R_1”与开关“K_1”的另一端与后续并联的开关电阻相连，电阻“R_1”的大小是电阻“R_0”的2倍；依次类推，有多个这样的并联开关电阻，最后一组是，电阻“R_N-1”与开关“K_N-1”并联，电阻“R_N-1”与开关“K_N-1”的一端与电阻“R_N-2”与开关“K_N-2”的另一端相连，电阻“R_N-1”与开关“K_N-1”的另一端与“地”相连，电阻“R_N-1”的大小是电阻“R_0”的2^(N-1)倍；通过控制开关“K_0”、“K_1”、…、“K_N-1”的断开和关闭，实现电阻的变化，电阻值的变化范围是0到(2^N-1)*R_0，变化步长为R_0；通过改变R_0参数以及电阻的数目N，即可实现电阻值的不同变化范围和不同变化步长，以适应各种不同的应用需求。

如图3所示的一频点和隔离度可调谐的定向耦合器及其自动调谐算法的具体实施例2：图1中所述的“可变电容Cs 3C”由图3中的多个开关电容并联组成，具体而言，电容“C_0”与开关“M_0”串联，开关“M_0”的另一端与“定向耦合器2”的“ISOLATED”端口相连，电容“C_0”的另一端与“地”相连；电容“C_1”与开关“M_1”串联，开关“M_1”的另一端与“定向耦合器2”的“ISOLATED”端口相连，电容“C_1”的另一端与“地”相连，电容“C_1”的大小是电容“C_0”的2倍；依次类推，有多个这样的开关电容，最后一组是，开关“M_N-1”的另一端与“定向耦合器2”的“ISOLATED”端口相连，电容“C_N-1”的另一端与“地”相连，电容“C_N-1”的大小是电容“C_0”的2^(N-1)倍；通过控制开关“M_0”、“M_1”、…、“M_N-1”的断开和关闭，实现电容值的变化，电容值的变化范围是0到(2^N-1)*C_0，变化步长为C_0；通过改变C_0参数以及电容的数目N，即可实现电容值的不同变化范围和不同变化步长，以适应各种不同的应用需求。图1中所述的“可变电阻Rs 3A”由图3中的PIN二极管“PIN”、电容“Cb”、和电感“Lb”组成；电容“Cb”的一端与“定向耦合器2”的“ISOLATED”端口相连，电容“Cb”的另一端与PIN二极管“PIN”的一端、电感“Lb”的一端相连；PIN二极管“PIN”的另一端与“地”相连；电感“Lb”的另一端接模拟控制电压“VB”；通过改变模拟控制电压“VB”的电压值，可以改变PIN二极管“PIN”的等效电阻值，即可实现电阻值的连续变化，PIN二极管“PIN”的选型和“VB”的电压变化范围决定了电阻值的变化范围，以适应各种不同的应用需求。