[发明专利]一种大功率定向耦合器

说明书

本发明公开了一种大功率定向耦合器，属于射频以及微波技术领域，具体涉及一种适用于大功率应用的紧凑型高指向性定向耦合器，为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明致力于提供一种基于变压器结构的大功率定向耦合器，通过引入变压器来提高耦合器的隔离水平。本发明能够在10‑350MHz的工作频带内保持恒定的耦合系数，具有较高的定向性和隔离水平，同时该大功率定向耦合器还具有结构紧凑以及体积小的优势，能够实现低成本，结构简单的生产模式，一种大功率定向耦合器，满足大功率应用的紧凑型高指向性定向应用场景。通过仿真和实验结果表明，该设计具有很宽的工作频带、恒定的耦合系数和较高的定向性。

技术领域

本发明涉及射频、微波技术领域，具体为一种适用于大功率应用的紧凑型高指向性定向耦合器。

背景技术

定向耦合器是现代无线通信系统中必不可少的无源元件。在射频(RF)功率监测、雷达和系统关键参数的测量中，定向耦合器主要用于对射频电路中的主信号进行采样，并保证其没有明显功率损失或失真。通常，耦合器可以使用分布式元件和集总元件来实现。具体实现方式与耦合器的技术指标有关，定向耦合器的技术指标包括：工作频带，插入损耗，耦合度，方向性与隔离度；定向耦合器是一种微波元件，其任何工作特性都与其工作频率相关，只有当工作频率确定下来之后，才能设计出满足工作频带内要求的定向耦合器；插入损耗主要是指主路输出端与主路输入端的信号功率比值，包括耦合损耗和导体介质的热损耗，当然也包括反射损耗以及某些条件下的辐射损耗；耦合度是描述耦合输出端口与输入端口信号的比例关系，通常用dB表示，耦合度越大，耦合端口输出功率越小；耦合度的大小由定向耦合器的用途决定，通常3dB定向耦合器可用作信号的等比例分配；40dB以上的耦合器经常用在信号的检测上；隔离度是描述主路输入端口与耦合支路隔离端口关系，理想情况下，隔离端口无信号输出，隔离度为无穷大；方向性是描述耦合支路耦合端口和隔离端口的比例关系，方向性是耦合度减去隔离度的差值。

对于分布式参数电路，为了减少信号干扰和噪声，引入了如多层结构、槽线结构，以及基片集成波导(SIW)等，可以实现不同的耦合系数，设计方法简便、生产成本低。但是，分布式参数电路具有损耗高和功率耐受能力差的缺点，不适合高功率场景的应用。此外，随着电路板中介电常数的增加，耦合器的方向性也会恶化，波导耦合器是大功率耦合器设计的首选，具有损耗低、功率容量大的优点，但是波导类耦合器具有很高的Q值，导致带宽受限。

对于基于集总元件设计的定向耦合器，其主要使用集成无源器件(IPD)工艺实现，该工艺提供比标准CMOS工艺更好的无源元件品质因数。然而，这类定向耦合器由于额外的工艺和螺旋电感有限的品质因数增加了制造成本。在超材料互连集总元件电桥的定向耦合器中，增加了带宽，简化了设计。但是这类设计中很少考虑大功率应用，所以当带宽要求不是太高时，同轴线型方案成为大功率定向耦合器的一种有效设计方案，虽然同轴型定向耦合器结构更复杂，成本更高，但其能够承受高功率。

因此，设计出具有高定向性、结构紧凑、宽带的大功率定向耦合器仍然是一个巨大的挑战。

为了避免上述问题，本文提出了一种适用于大功率应用的紧凑型、高定向性的定向耦合器。该发明中引入变压器来提高耦合器的隔离水平。通过仿真和实验结果表明，该设计具有很宽的工作频带、恒定的耦合系数和较高的定向性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大功率定向耦合器，以解决上述背景技术中提出的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种大功率定向耦合器，该耦合器在高功率工作频带内保持恒定的耦合系数，高定向性和高隔离水平，结构紧凑。

根据上述技术方案，所述耦合器能够在高功率工作频带内保持恒定的耦合系数，通过输入端口和所述耦合端口之间放置阻值为R1的电阻，直通端口和隔离端口之间也放置了阻值为R1的电阻，所述耦合端口和隔离端口还分别与地并联了一个阻值为R2的电阻，以实现阻抗匹配，在10-350MHz的高功率工作频带内保持30dB±1dB的耦合系数。