分支线定向耦合器及其设计方法、电子设备

1.本技术实施例涉及定向耦合器，尤其涉及一种分支线定向耦合器、分支线定向耦合器设计方法、电子设备。


背景技术：

2.定向耦合器作为一种重要的微波射频电路基本结构，其作用是将输入的微波信号按照一定比例进行功率分配，广泛应用于信号的隔离、分离和混合等，如功率的监测、源输出功率稳幅、信号源隔离、传输和反射的扫频测试等。
3.定向耦合器一般由传输线构成，同轴线、波导、带状线和微带线均可构成定向耦合器。其中，分支线结构定向耦合器是一种由两根平行的传输线附加多根分支线建立耦合机制的定向耦合器，其中各分支线的长度以及分支线之间的间距均为1/4波长，在两个输出端口实现功率等分的同时具有90度的相位差。
4.单级的分支线定向耦合器带宽有限，一般通过多级级联的方式实现更大的工作带宽，但是随着分支线节数增加，分支线需要更大的特征阻抗以满足电路的设计要求，而传输线特征阻抗的增大往往导致线宽变窄，受实际加工精度的影响以及器件耐功率考虑，过窄线宽的传输线难以实现，无法满足电路设计要求，同时级联分支数量过多也不利于电路小型化设计。
5.具体地，目前的定向耦合器结构中存在以下技术问题：
6.采用微带线结构的多级分支线定向耦合器受实际加工精度的限制，无法通过减小传输线宽度实现所需高特征阻抗，从而限制了在宽带场景下的应用；
7.对电路分支线部分引入额外分支结构或者高低阻抗线设计，增加了电路复杂度，不利于仿真设计以及电路小型化的要求。


技术实现要素：

8.有鉴于此，本技术实施例提供一种加载缺陷地结构的分支线定向耦合器、分支线定向耦合器设计方法、电子设备。
9.根据本技术实施例的第一方面，提供一种分支线定向耦合器，包括：
10.第一电路层，具有端口传输线、耦合线、分支线，所述端口传输线连接于所述耦合线的各端部，所述分支线连接于所述耦合线；
11.第二电路层，具有缺陷地结构，所述缺陷地结构与所述分支线位置对应；
12.介质层，设置于所述第一电路层和所述第二电路层之间。
13.在一个实施例中，所述端口传输线包括第一端口子传输线、第二端口子传输线、第三端口子传输线和第四端口子传输线；
14.第一端口子传输线、第二端口子传输线、第三端口子传输线和第四端口子传输线镜像对称分布于所述第一电路层。
15.在一个实施例中，所述耦合线包括第一四分之一波长子耦合线、第二四分之一波
长子耦合线、第三四分之一波长子耦合线和第四四分之一波长子耦合线；
16.所述第一四分之一波长子耦合线的第一端和所述第三四分之一波长子耦合线的第一端直接电连接；所述的第二四分之一波长子耦合线的第一端和所述的第四四分之一波长子耦合线的第一端直接电连接；
17.所述第一端口子传输线的第一端与所述第一四分之一波长子耦合线的第二端连接，所述第二端口子传输线的第一端与所述第二四分之一波长子耦合线的第二端连接，所述第三端口子传输线的第一端与所述第三四分之一波长子耦合线的第二端连接，所述第四端口子传输线的第一端与所述第四四分之一波长子耦合线的第二端连接。
18.在一个实施例中，所述分支线包括第一子分支线、第二子分支线和第三子分支线；
19.所述第一子分支线的第一端连接于所述第一四分之一波长子耦合线的第二端，所述第一子分支线的第二端连接于所述第二四分之一波长子耦合线的第二端；
20.所述第二子分支线的第一端连接于所述第三四分之一波长子耦合线的第二端，所述第二子分支线的第二端连接于所述第四四分之一波长子耦合线的第二端；
21.所述第三子分支线的第一端连接于所述第一四分之一波长子耦合线和第三四分之一波长子耦合线电连接处，所述第三子分支线的第二端连接于所述第二四分之一波长子耦合线和第四四分之一波长子耦合线电连接处。
22.在一个实施例中，所述缺陷地结构包括第一缺陷地子结构和第二缺陷地子结构；
23.其中，所述第一缺陷地子结构和所述第二缺陷地子结构通过在所述金属接地平面蚀刻而分别形成。
24.在一个实施例中，所述缺陷地结构与所述分支线位置对应，包括：
25.所述第一缺陷地子结构位于所述第一分支线中心下方位置；
26.所述第二缺陷地子结构位于所述第二分支线中心下方位置。
27.根据本技术实施例的第二方面，提供一种分支线定向耦合器的设计方法，包括：
28.在介质层的第一侧形成第一电路层，在介质层的第二侧形成第二电路层，所述第一电路层和所述第二电路层相互物理隔离；
29.形成所述第一电路层时，形成有端口传输线、耦合线、分支线；
30.形成所述第二电路层时，形成缺陷地结构；所述缺陷地结构通过对第二电路层蚀刻而形成；使所述缺陷地结构与所述分支线位置对应。
31.在一个实施例中，所述端口传输线包括第一端口子传输线、第二端口子传输线、第三端口子传输线和第四端口子传输线；
32.第一端口子传输线、第二端口子传输线、第三端口子传输线和第四端口子传输线镜像对称分布于所述第一电路层。
33.在一个实施例中，所述耦合线包括第一四分之一波长子耦合线、第二四分之一波长子耦合线、第三四分之一波长子耦合线和第四四分之一波长子耦合线；
34.所述第一四分之一波长子耦合线的第一端和所述第三四分之一波长子耦合线的第一端直接电连接；所述的第二四分之一波长子耦合线的第一端和所述的第四四分之一波长子耦合线的第一端直接电连接；
35.所述第一端口子传输线的第一端与所述第一四分之一波长子耦合线的第二端连接，所述第二端口子传输线的第一端与所述第二四分之一波长子耦合线的第二端连接，所
述第三端口子传输线的第一端与所述第三四分之一波长子耦合线的第二端连接，所述第四端口子传输线的第一端与所述第四四分之一波长子耦合线的第二端连接。
36.在一个实施例中，所述分支线包括第一子分支线、第二子分支线和第三子分支线；
37.所述第一子分支线的第一端连接于所述第一四分之一波长子耦合线的第二端，所述第一子分支线的第二端连接于所述第二四分之一波长子耦合线的第二端；
38.所述第二子分支线的第一端连接于所述第三四分之一波长子耦合线的第二端，所述第二子分支线的第二端连接于所述第四四分之一波长子耦合线的第二端；
39.所述第三子分支线的第一端连接于所述第一四分之一波长子耦合线和第三四分之一波长子耦合线电连接处，所述第三子分支线的第二端连接于所述第二四分之一波长子耦合线和第四四分之一波长子耦合线电连接处。
40.在一个实施例中，所述缺陷地结构包括第一缺陷地子结构和第二缺陷地子结构；
41.所述缺陷地结构与所述分支线位置对应，包括：
42.所述第一缺陷地子结构位于所述第一分支线中心下方位置；
43.所述第二缺陷地子结构位于所述第二分支线中心下方位置。
44.根据本技术实施例的第三方面，提供一种电子设备，包括所述的分支线定向耦合器。
45.本技术实施例中，通过在耦合器的分支线结构设计中加载缺陷地结构，实现了分支线的线宽较宽情况下的高特征阻抗，从而实现了较大的工作带宽，并采用多线路层结构，设计方法简单，易于实现电路的小型化集成化设计。
附图说明
46.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
47.图1为本技术实施例的分支线定向耦合器的组成结构示意图；
48.图2为本技术实施例的分支线定向耦合器的第一电路层的组成结构示意图；
49.图3为本技术实施例的分支线定向耦合器的第二电路层的组成结构示意图。
具体实施方式
50.以下结合附图，详细阐明本技术实施例技术方案的实质。
51.本技术实施例针对定向耦合器的分支线高阻抗的需求，利用缺陷地结构的高阻抗特性，对高阻抗分支线部分设计加载缺陷地结构，在实际加工可以实现较宽传输线前提下进一步提高其特征阻抗，以满足原理阻抗设计要求。同时，利用加载缺陷地结构传输线产生的慢波效应，可以缩短传输线的物理尺寸，有利于电路的小型化设计。本技术实施例的定向耦合器设计过程简单易行，电路结构紧凑，便于使用双面单层介质的印制电路板(pcb，printed circuit board)技术进行制作，且对电路加工精度要求较低。
52.图1为本技术实施例的分支线定向耦合器的组成结构示意图，图2为本技术实施例的分支线定向耦合器的第一电路层的组成结构示意图图3为本技术实施例的分支线定向耦
合器的第二电路层的组成结构示意图，如图1、图2及图3所示，本技术实施例的分支线定向耦合器包括：
53.第一电路层31，具有端口传输线(11a～11d)、耦合线(12a～12d)、分支线(13a、13b、13c)，所述端口传输线连接于所述耦合线的各端部，所述分支线连接于所述耦合线；
54.第二电路层32，如图2所示，第二电路层32具有缺陷地结构(21a、21b)，所述缺陷地结构与所述分支线位置对应；
55.第一电路层31和第二电路层32之间设置有介质层33。
56.如图1所示，所述端口传输线具体包括第一端口子传输线11a、第二端口子传输线11b、第三端口子传输线11c和第四端口子传输线11d；
57.如图1所示，第一端口子传输线11a、第二端口子传输线11b、第三端口子传输线11c和第四端口子传输线11d镜像对称分布于所述第一电路层31。上述四个端口子传输线沿横中轴线及竖中轴线均对称。
58.在一些实施例中，第一电路层31和第二电路层32分别设置于介质层33相对的两个平面；介质层33为具有电子元件承载能力的绝缘介质层，通常采用介电常数高、微波损耗低的材料，例如印制电路板pcb的绝缘介质层。在一些实施例中，所述加载缺陷地结构的分支线定向耦合器结构能够基于双面pcb制作；对应地，第一电路层31和第二电路层32的形成可以包括在双面pcb基板的正反两面，根据电路的功能单元进行布局，通过蚀刻形成第一电路层31和第二电路层32。
59.如图1、图2所示，所述耦合线包括第一四分之一波长子耦合线12a、第二四分之一波长子耦合线12b、第三四分之一波长子耦合线12c和第四四分之一波长子耦合线12d；
60.所述第一四分之一波长子耦合线12a的第一端和所述第三四分之一波长子耦合线12c的第一端直接电连接；所述的第二四分之一波长子耦合线12b的第一端和所述的第四四分之一波长子耦合线12d的第一端直接电连接。四分之一波长子耦合线的第一端是指四分之一波长子耦合线相互对接的一端，四分之一波长子耦合线的第二端是与第一端相对的一端，也即与端口子传输线连接的一端。作为一种实现方式，所述第一四分之一波长子耦合线12a和所述第三四分之一波长子耦合线12c可以一体形成，所述的第二四分之一波长子耦合线12b和所述的第四四分之一波长子耦合线12d可以一体形成。本技术实施例中，四分之一波长子耦合线的长度为待处理信号波长的四分之一。
61.所述第一端口子传输线11a的第一端与所述第一四分之一波长子耦合线12a的第二端连接，所述第二端口子传输线11b的第一端与所述第二四分之一波长子耦合线12b的第二端连接，所述第三端口子传输线11c的第一端与所述第三四分之一波长子耦合线12c的第二端连接，所述第四端口子传输线11d的第一端与所述第四四分之一波长子耦合线12d的第二端连接。
62.如图1、图2所示，所述分支线包括第一子分支线13a、第二子分支线13b和第三子分支线13c；
63.所述第一子分支线13a的第一端连接于所述第一四分之一波长子耦合线12a的第二端，所述第一子分支线13a的第二端连接于所述第二四分之一波长子耦合线12b的第二端；
64.所述第二子分支线13b的第一端连接于所述第三四分之一波长子耦合线12c的第
二端，所述第二子分支线13b的第二端连接于所述第四四分之一波长子耦合线12d的第二端；
65.所述第三子分支线13c的第一端连接于所述第一四分之一波长子耦合线12a和第三四分之一波长子耦合线12c的电连接处，所述第三子分支线13c的第二端连接于所述第二四分之一波长子耦合线12b和第四四分之一波长子耦合线12d电连接处。
66.如图3所示，所述缺陷地结构包括第一缺陷地子结构21a和第二缺陷地子结构21b；
67.其中，所述第一缺陷地子结构21a和所述第二缺陷地子结构21b通过在所述金属接地平面蚀刻而分别形成。本技术实施例中，第二电路层32构成金属接地平面，在该金属接地平面上按分支线的分布位置，刻蚀出与设计要求相符的尺寸。
68.在一个实施例中，所述缺陷地结构与所述分支线位置对应，包括：
69.所述第一缺陷地子结构21a位于所述第一分支线13a中心下方位置，如图1、图2所示，所述第二缺陷地子结构21b位于所述第二分支线13c中心下方位置。
70.本技术实施例的分支线定向耦合器，利用传输线之间分支线建立的耦合机制可以实现功率等分耦合。可以理解的是，对于本技术实施例中的分支线耦合的工作原理，本领域技术人员能够基于耦合器的定义对其进行理解，此处不再赘述。
71.在一些实施例中，本技术实施例的缺陷地结构可有效增加分支线特征阻抗，以实现设计中的阻抗匹配。
72.具体地，在一些实施例中，可以通过对双面pcb基板的第一侧设计蚀刻，得到端口传输线、耦合线、分支线。
73.具体地，在一些实施例中，可以通过对双面pcb基板的第二侧设计蚀刻得到缺陷地结构。
74.本技术实施例中，缺陷地结构的引入，改变电路接地层的电流分布，引入额外的电容电感，利用较宽的传输线结构实现高特征阻抗匹配从而实现大的工作带宽。
75.本技术实施例所提供的加载缺陷地结构的分支线定向耦合器工作过程中各部分的动作关系为：
76.电路结构完全对称，输入信号可由任意端口输入。下面以信号从端口port1输入为例进行说明：信号经端口port1由第一端口子传输线11a传入第一四分之一波长子耦合线12a、第三四分之一波长子耦合线12c，经过三条分支线(13a、13b、13c)作用在第四四分之一波长耦合线12d出实现功率等分，输出信号由第三端口子传输线11c与第四端口子传输线11d输出，第二端口子传输线11b为隔离端，无信号输出。
77.本技术实施例中，如图1、图2及图3所示，第一分支线13a、第二分支线13b和第一缺陷地结构21a、第二缺陷地结构21b分布具有相对应的上下层位置关系；其中，分支线和四分之一波长耦合线用于信号的转换，端口传输线用于信号输入输出，第一第二子分支线宽度出于加工工艺考虑，可以设置宽度较大的尺寸；缺陷地结构位于分支线中部，用于增加分支线特征阻抗。
78.可以理解的是，在一些实施例中，耦合线、分支线也可以称为传输线，本技术实施例中对于各耦合线分支线的命名是出于对信号处理过程中电路各部分部件的功能考虑，并非对本技术保护范围的具体限定。
79.本技术实施例还记载了一种分支线定向耦合器的设计方法，具体包括：
80.在介质层的第一侧形成第一电路层，在介质层的第二侧形成第二电路层，所述第一电路层和所述第二电路层相互物理隔离；
81.形成所述第一电路层时，形成有端口传输线、耦合线、分支线；
82.形成所述第二电路层时，形成缺陷地结构；所述缺陷地结构通过对第二电路层蚀刻而形成；使所述缺陷地结构与所述分支线位置对应。
83.其中，所述端口传输线包括第一端口子传输线、第二端口子传输线、第三端口子传输线和第四端口子传输线；
84.第一端口子传输线、第二端口子传输线、第三端口子传输线和第四端口子传输线镜像对称分布于所述第一电路层。
85.本技术实施例中，所涉及的分支线定向耦合器的具体结构可参见前述图1、图2及图3所示，所述耦合线包括第一四分之一波长子耦合线、第二四分之一波长子耦合线、第三四分之一波长子耦合线和第四四分之一波长子耦合线；
86.所述第一四分之一波长子耦合线的第一端和所述第三四分之一波长子耦合线的第一端直接电连接；所述的第二四分之一波长子耦合线的第一端和所述的第四四分之一波长子耦合线的第一端直接电连接；
87.所述第一端口子传输线的第一端与所述第一四分之一波长子耦合线的第二端连接，所述第二端口子传输线的第一端与所述第二四分之一波长子耦合线的第二端连接，所述第三端口子传输线的第一端与所述第三四分之一波长子耦合线的第二端连接，所述第四端口子传输线的第一端与所述第四四分之一波长子耦合线的第二端连接。
88.本技术实施例中，所述分支线包括第一子分支线、第二子分支线和第三子分支线；
89.所述第一子分支线的第一端连接于所述第一四分之一波长子耦合线的第二端，所述第一子分支线的第二端连接于所述第二四分之一波长子耦合线的第二端；
90.所述第二子分支线的第一端连接于所述第三四分之一波长子耦合线的第二端，所述第二子分支线的第二端连接于所述第四四分之一波长子耦合线的第二端；
91.所述第三子分支线的第一端连接于所述第一四分之一波长子耦合线和第三四分之一波长子耦合线电连接处，所述第三子分支线的第二端连接于所述第二四分之一波长子耦合线和第四四分之一波长子耦合线电连接处。
92.本技术实施例中，所述缺陷地结构包括第一缺陷地子结构和第二缺陷地子结构；
93.所述缺陷地结构与所述分支线位置对应，包括：
94.所述第一缺陷地子结构位于所述第一分支线中心下方位置；
95.所述第二缺陷地子结构位于所述第二分支线中心下方位置。
96.具体地，分支线定向耦合器的制作步骤如下：
97.按照图1、图2及图3所示的拓扑结构设计微带线结构的三分支线定向耦合器，传输线长度由电路工作频率计算得到，高阻抗传输线根据实际加工精度选取适当数值，由于传输线长度的计算是根据具体的工作频率及阻抗要求而成的，这里不再给出具体示例。
98.在两段高阻抗分支线正下方的电路金属接地平面，设计蚀刻缺陷地结构；
99.调整缺陷地结构长宽参数与上层传输线结构共同作用实现理论所需的高特征阻抗；
100.利用缺陷地结构产生的慢波效应，缩短各级分支线的物理长度，同时保证频率中
心；
101.对整体电路进行调整，达到所需指标要求。
102.本技术实施例仅仅以两级结构的分支线定向耦合器即三分支线定向耦合器结构对原理及内容进行了相应描述，但技术方案同样适用于多级分支线级联结构。具体地，通过对耦合线进行延长，并在耦合线之间设置相应的分支线，即可实现对本技术实施例的分支线定向耦合器的扩充，可以实现多级的多级分支线级联结构的定向耦合器。
103.本技术实施例中，缺陷地结构可以为矩形、圆形、哑铃型等各种形状。
104.本技术实施例在较宽线宽的前提下实现了较高特征阻抗的微带传输线，减弱加工精度对射频电路设计的限制。利用加载缺陷地结构所产生的慢波效应，缩短传输线的物理尺寸，有利于电路小型化设计。针对仅仅通过调整传输线宽度来改变特征阻抗的一般电路设计方式，将可调整参数拓展至多个，即可通过传输线宽度，缺陷地结构参数(以矩形缺陷地结构为例，即为矩形图形长宽)共同作用调整阻抗，使得传输线阻抗设计控制精度更高，对实际电路加工精度依赖性更低。
105.本技术实施例还记载了一种电子设备，所述电子设备中设置有图1、图2及图3所示的分支线定向耦合器。
106.以上结合具体实施例描述了本技术的基本原理，但是，需要指出的是，在本技术中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本技术的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本技术为必须采用上述具体的细节来实现。
107.本技术中涉及的器件、装置、设备、系统的方框图仅作为例示性的例子并且不意图要求或暗示必须按照方框图示出的方式进行连接、布置、配置。如本领域技术人员将认识到的，可以按任意方式连接、布置、配置这些器件、装置、设备、系统。诸如“包括”、“包含”、“具有”等等的词语是开放性词汇，指“包括但不限于”，且可与其互换使用。这里所使用的词汇“或”和“和”指词汇“和/或”，且可与其互换使用，除非上下文明确指示不是如此。这里所使用的词汇“诸如”指词组“如但不限于”，且可与其互换使用。
108.还需要指出的是，在本技术的装置、设备和方法中，各部件或各步骤是可以分解和/或重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本技术的等效方案。
109.提供所公开的方面的以上描述以使本领域的任何技术人员能够做出或者使用本技术。对这些方面的各种修改对于本领域技术人员而言是非常显而易见的，并且在此定义的一般原理可以应用于其他方面而不脱离本技术的范围。因此，本技术不意图被限制到在此示出的方面，而是按照与在此公开的原理和新颖的特征一致的最宽范围。
110.为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本技术的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。