一种环形器匹配电路的设计方法及装置与流程

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种环形器匹配电路的设计方法及装置。

背景技术：

环形器一般应用在功放输出端和负载(天线，双工器等)之间，实现信号的单向传输。在电路中用于功放的输出端，保护末级大功率放管，起到改善功放驻波，增加方向隔离，避免功放失配损坏的作用，是整个功放可靠性设计的重要环节。

在射频电路的设计中，匹配端口的匹配电路的设计关系到环形器隔离度的大小。因此，如果环形器的隔离度只针对某一频点做匹配设计，则可能兼顾不到通带内其他点的隔离度的设计，不能满足通带内每个频点对隔离度的要求。

技术实现要素：

为了克服现有技术中环形器的隔离度不能满足使通带内所有选定频点的隔离度均达到预设隔离度要求的技术问题，本发明提供了一种环形器匹配电路的设计方法及装置，使得在通带内达到环形器隔离度的设计要求。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

依据本发明的一个方面，提供了一种环形器匹配电路的设计方法，所述设计方法包括：

获取环形器需要达到的预设隔离度A；

从所述环形器的使用频率范围内选取多个频点，并在史密斯圆图上绘制出所选取的每个频点均达到所述预设隔离度A时的等隔离度圆；

从所绘制出的多个所述等隔离度圆的相交部分中选取其中一点，作为满足所述环形器预设隔离度A的匹配点，并从史密斯圆图上读取出与所述匹配点 相对应的匹配系数Γ；

根据所述匹配系数Γ，计算得到所述环形器上匹配端负载的阻抗值Z_L，并根据所述阻抗值Z_L设计所述匹配端口的匹配电路。

可选地，所述在史密斯圆图上绘制出所选取的每个频点均达到所述预设隔离度A时的等隔离度圆的步骤具体包括：

测试得到所述环形器上每两个端口之间的散射参数；

根据所述环形器中的信号关系，获取所述频点的隔离度S_反与所述散射参数以及所述频点的匹配系数Γ之间的第一函数关系；

使所述频点的隔离度S_反等于所述预设隔离度A，并根据所述第一函数关系获取所述频点的隔离度圆在史密斯圆图上的圆心C_circle、半径R_circle与所述预设隔离度A之间的第二函数关系；

由所述第二函数关系计算得到所述频点的隔离度圆在史密斯圆图上的圆心C_circle以及半径R_circle，并根据所述圆心C_circle以及半径R_circle在史密斯圆图上绘制出所述频点的隔离度圆。

可选地，所述环形器为三端口环形器，且第三端口为匹配端口，则所述频点的隔离度S_反与所述散射参数以及所述频点的匹配系数Γ之间的第一函数关系为：

其中，S_反表示所述频点的隔离度；S₁₂表示由第二端口到第一端口的反向传输系数；S₁₃表示由所述第三端口到所述第一端口的反向传输系数；S₃₂表示由所述第二端口到所述第三端口的正向传输系数；S₃₃表示所述第三端口的反射系数；Γ表示所述频点的匹配系数。

可选地，使得隔离度S_反等于所述预设隔离度A，且K＝S₁₂S₃₃-S₃₂S₁₃，则根据所述述第一函数获取的所述频点的隔离度圆在史密斯圆图上的圆心C_circle、半径R_circle与所述预设隔离度A之间的第二函数关系为：

其中，M与C_circle均表示频点的隔离度圆在史密斯圆图上的圆心，且其中K^*表示K的共轭实数，R_circle表示所述频点的隔离度圆在史密斯圆图上的半径，且

可选地，所述根据所述匹配系数Γ，计算所述环形器上匹配端负载的阻抗值Z_L时，具体采用如下公式：

其中，Γ表示所述匹配点的匹配系数，Z_O表示所述预设归一化阻抗值，Z_L表示所述环形器上匹配端负载的阻抗值。

依据本发明的另一个方面，还提供了一种环形器匹配电路的设计装置，所述设计装置包括：

获取模块，用于获取环形器需要达到的预设隔离度A；

绘制模块，用于从所述环形器的使用频率范围内选取多个频点，并在史密斯圆图上绘制出所选取的每个频点均达到所述预设隔离度A时的等隔离度圆；

匹配模块，用于从所绘制出的多个所述等隔离度圆的相交部分中选取其中一点，作为满足所述环形器预设隔离度A的匹配点，并从史密斯圆图上读取出与所述匹配点相对应的匹配系数Γ；

计算模块，用于根据所述匹配系数Γ，计算得到所述环形器上匹配端负载的阻抗值Z_L，并根据所述阻抗值Z_L设计所述匹配端口的匹配电路。

可选地，所述绘制模块具体包括：

测试单元，用于测试得到所述环形器上每两个端口之间的散射参数；

第一获取单元，用于根据所述环形器中的信号关系，获取所述频点的隔离度S_反与所述散射参数以及所述频点的匹配系数Γ之间的第一函数关系；

第二获取单元，用于使所述频点的隔离度S_反等于所述预设隔离度A，并根据所述第一函数关系获取所述频点的隔离度圆在史密斯圆图上的圆心C_circle、半径R_circle与所述预设隔离度A之间的第二函数关系；

绘制单元，用于由所述第二函数关系计算得到所述频点的隔离度圆在史密 斯圆图上的圆心C_circle以及半径R_circle，并根据所述圆心C_circle以及半径R_circle在史密斯圆图上绘制出所述频点的隔离度圆。

可选地，所述环形器为三端口环形器，且第三端口为匹配端口，则所述频点的隔离度S_反与所述散射参数以及所述频点的匹配系数Γ之间的第一函数关系为：

其中，S_反表示所述频点的隔离度；S₁₂表示由第二端口到第一端口的反向传输系数；S₁₃表示由所述第三端口到所述第一端口的反向传输系数；S₃₂表示由所述第二端口到所述第三端口的正向传输系数；S₃₃表示所述第三端口的反射系数；Γ表示所述频点的匹配系数。

可选地，使得隔离度S_反等于所述预设隔离度A，且K＝S₁₂S₃₃-S₃₂S₁₃，则根据所述述第一函数获取的所述频点的隔离度圆在史密斯圆图上的圆心C_circle、半径R_circle与所述预设隔离度A之间的第二函数关系为：

其中，M与C_circle均表示频点的隔离度圆在史密斯圆图上的圆心，且其中K^*表示K的共轭实数，R_circle表示所述频点的隔离度圆在史密斯圆图上的半径，且

可选地，所述计算模块计算所述匹配点的阻抗值Z_L时，具体采用如下公式：

其中，Γ表示所述匹配点的匹配系数，Z_O表示所述预设归一化阻抗值，Z_L表示所述匹配点的阻抗值。

本发明的有益效果是：

在本发明提供的环形器匹配电路的设计方法中，首先在史密斯圆图上绘制 出与选取的频点相对应的、隔离度均为预设隔离度的等隔离度圆，然后从等隔离度圆相交的部分中选取一点，作为满足环形器预设隔离度A的匹配点，进而根据该匹配点在史密斯圆图上的匹配系数计算得到环形器上匹配端负载的阻抗值，最后根据该阻抗值设计匹配端口的匹配电路。因此，本发明提供的环形器匹配电路的设计方法无需改变环形器的自身参数，通过在匹配端口设计一匹配电路，即可使得通带内所有的频点的隔离度都达到预设隔离度，不仅降低了设计难度，而且具有更高的准确度，保证了通带内每一频点对于隔离度要求，实现了对环形器的隔离度进行高准确性的设计。

附图说明

图1表示本发明实施例中环形器匹配电路的设计方法的流程图；

图2表示本发明实施例绘制等隔离度圆的流程图；

图3表示本发明实施例中三端口环形器的结构示意图；

图4表示本发明实施例中三端口环形器的S参数模型图；

图5表示本发明实施例中同一频点不同隔离度的隔离度圆在史密斯圆图中的示意图；

图6表示本发明实施例中不同频点相同隔离度的隔离度圆在史密斯圆图中的示意图；

图7表示本发明实施例中三端口环形器匹配电路的示意图；

图8表示本发明实施例中三端口环形器匹配电路的电路仿真图；

图9表示本发明实施例中环形器匹配电路的设计装置的结构框图；以及

图10表示本发明实施例中绘制模块的结构框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明进行详细描述。

实施例一

依据本发明的一个方面，提供了一种环形器匹配电路的设计方法，如图1所示，该设计方法包括：

步骤S101、获取环形器需要达到的预设隔离度A；

步骤S103、从环形器的使用频率范围内选取多个频点，并在史密斯圆图上绘制出所选取的每个频点均达到预设隔离度A时的等隔离度圆；

步骤S105、从所绘制出的多个等隔离度圆的相交部分中选取其中一点，作为满足环形器预设隔离度A的匹配点，并从史密斯圆图上读取出与匹配点相对应的匹配系数Γ；

步骤S107、根据匹配系数Γ，计算得到环形器上匹配端负载的阻抗值，并根据阻抗值设计匹配端口的匹配电路。

在本发明实施例中，通过根据预设隔离度A在史密斯圆图上绘制与选取的频点相对应的、隔离度均为预设隔离度A的等隔离度圆，并在等隔离度圆相交的部分选取一点作为满足环形器预设隔离度A的匹配点，然后根据该匹配点的匹配系数计算得到环形器上匹配端负载的阻抗值，最后根据阻抗值设计匹配端口的匹配电路。因此，本发明实施例提供的环形器匹配电路的设计方法无需改变环形器的自身参数，通过在匹配端口设计一匹配电路，即可使得通带内所有选定频点的隔离度都达到预设隔离度，不仅降低了设计难度，而且具有更高的准确度，保证了通带内每一频点的隔离度要求，实现了对环形器的隔离度进行高准确性的设计。

具体地，如图2所示，在本发明实施例中，在史密斯圆图上绘制出所选取的每个频点均达到预设隔离度A时的等隔离度圆(步骤S103)具体包括：

步骤S1031、测试得到环形器上每两个端口之间的散射参数；

步骤S1033、根据环形器中的信号关系，获取频点的隔离度与散射参数以及频点的匹配系数Γ之间的第一函数关系；

步骤S1035、使频点的隔离度等于预设隔离度A，并根据第一函数关系获取频点的隔离度圆在史密斯圆图上的圆心、半径与预设隔离度A之间的第二函数关系；

步骤S1037、由第二函数关系计算得到频点的隔离度圆在史密斯圆图上的圆心以及半径，并根据圆心以及半径在史密斯圆图上绘制出频点的隔离度圆。

为使本发明实施例更加清楚，下面将以三端口环形器为例具体说明在史密斯圆图上绘制等隔离度圆以及从等隔离度圆的相交部分中选取其中一点作为 满足环形器预设隔离度A的匹配点的原理。

其中，三端口环形器的示意图如图3所示，而该三端口环形器中的信号关系如图4中的S参数模型图所示，其中，S参数也是散射参数，是微波传输中的一个重要参数。

在本发明实施例中，选取图3中所示的三端口环形器的第三端口为匹配端口，则根据图4中的信号关系可以推导出频点的隔离度S_反与散射参数以及频点的匹配系数Γ之间的第一函数关系，具体为：

其中，S_反表示频点的隔离度；S₁₂表示由第二端口到第一端口的反向传输系数；S₁₃表示由第三端口到第一端口的反向传输系数；S₃₂表示由第二端口到第三端口的正向传输系数；S₃₃表示第三端口的反射系数；Γ表示频点的匹配系数。

具体地，为使第一函数关系公式看起来更加简洁，便于后续推导，可以使K＝S₁₂S₃₃-S₃₂S₁₃，则有假设当前需要设计的环形器的预设隔离度为A，根据预设隔离度的要求，则有由此，可以进一步推导出其中，S₃₃^*表示S₃₃的共轭实数，S₁₂^*表示S₁₂的共轭实数，K^*表示K的共轭实数，Γ^*表示Γ的共轭实数。

为简化推导过程，使可以推导出频点的隔离度圆在史密斯圆图上的圆心、半径与预设隔离度A之间的第二函数关系为：

因此，由第二函数关系的公式可以看出，该公式满足圆的定义公式，即在 同一平面内，到定点的距离等于定长的点的集合，其中定点即为圆心。而在第二函数关系中，可将M作为定点，且到定点M的定长为因而M即为频点的隔离度圆在史密斯圆图上的圆心，用C_circle表示，而频点的隔离度圆在史密斯圆图上的半径为用R_circle表示。

另外，通过第二函数关系公式可以看出，对于同一个频点，不同的隔离度，其隔离度圆的半径大小不一样，而圆心却近似重合，其示意图如图5所示。然而随着隔离度圆的半径的减小，而其对应的隔离度却随着增大。因此，由于在本发明实施例中选取的匹配点为多个等隔离度圆相交范围内的一点，且该匹配点位于多个等隔离度圆的内部，所以该匹配点对应的隔离度必定大于预设隔离度A，因此，可以保证通带内被选定频点的隔离度均达到预设隔离度的要求。

确定好匹配点后，在史密斯圆图上读取该匹配点对应的匹配系数，然后根据公式：

可以计算出环形器上匹配端负载的阻抗值，其中，Γ表示匹配点的匹配系数，Z_O表示预设归一化阻抗值，Z_L表示环形器上匹配端负载的阻抗值。在本发明实施例中，Z_O可根据实际要求进行设定，对此并不进行统一规定。

例如，若在通带中选定的频点为三个，这三个频点分别为：1830MHz、1853MHz、1875MHz，且预设隔离度为30dBm，则这三个频点的隔离度圆在史密斯圆图上的示意图如图6所示，因此可以从这三个频点的等隔离度圆重合的区域作为选取一点作为匹配点。在获取匹配点后，可以直接从史密斯圆图上读取出该匹配点处的匹配系数Γ。然后根据公式可以计算得到环形器上匹配端负载的阻抗值Z_L。

根据计算得到的环形器上匹配端负载的阻抗值设计一匹配电路，其匹配电路的示意图如图7所示。为证明上述原理的正确性，还可以根据如图7所示的电路图进行仿真，其仿真结果如图8所示。由图8可知，每一频点的隔离度均大于预设隔离度。因此可使得通带内所有选定的频点都满足隔离度的要求。

当然可以理解的是，上述公式均通过以图3所示的三端口环形器为例计算得到，而三端口环形器也仅为本发明的一个实例，其他运用本原理的实例或者与依据本原理作出若干改进，也在本发明的保护范围内。

实施例二

依据本发明的另一个方面，还提供了一种环形器匹配电路的设计装置，如图9所示，该设计装置900具体包括：

获取模块901，用于获取环形器需要达到的预设隔离度A；

绘制模块903，用于从环形器的使用频率范围内选取多个频点，并在史密斯圆图上绘制出所选取的每个频点均达到预设隔离度A时的等隔离度圆；

匹配模块905，用于从所绘制出的多个等隔离度圆的相交部分中选取其中一点，作为满足环形器预设隔离度A的匹配点，并从史密斯圆图上读取出与匹配点相对应的匹配系数Γ；

计算模块907，用于根据匹配系数Γ，计算得到环形器上匹配端负载的阻抗值Z_L，并根据阻抗值Z_L设计匹配端口的匹配电路。

本发明实施例提供的环形器匹配电路的设计装置，通过在史密斯圆图上绘制等隔离度圆，从等隔离度圆的相交部分中选取一点作为环形器预设隔离度A的匹配点，然后读取该匹配点的匹配系数，进而计算得到环形器上匹配端负载的阻抗值Z_L，并最终根据阻抗值设计匹配端口的匹配电路。因此本发明实施例提供的环形器匹配电路的设计装置克服了现有技术中环形器的隔离度不能满足通带内所有选定频点均达到预设隔离度的要求，保证了通带内每一频点的隔离度要求，降低了设计难度，具有更高的准确度。

具体地，如图10所示，在本发明实施例中，绘制模块903具体包括：

测试单元9031，用于测试得到环形器上每两个端口之间的散射参数；

第一获取单元9033，用于根据环形器中的信号关系，获取频点的隔离度S_反与散射参数以及频点的匹配系数Γ之间的第一函数关系；

第二获取单元9035，用于使频点的隔离度S_反等于预设隔离度A，并根据第一函数关系获取频点的隔离度圆在史密斯圆图上的圆心C_circle、半径R_circle与预设隔离度A之间的第二函数关系；

绘制单元9037，用于由第二函数关系计算得到频点的隔离度圆在史密斯 圆图上的圆心C_circle以及半径R_circle，并根据圆心C_circle以及半径R_circle在史密斯圆图上绘制出频点的隔离度圆。

以图3所示三端口环形器为例，根据图4中所示的信号关系，可以推导出频点的隔离度S_反与散射参数以及频点的匹配系数Γ之间的第一函数关系，具体为：

其中，S_反表示频点的隔离度；S₁₂表示由第二端口到第一端口的反向传输系数；S₁₃表示由第三端口到第一端口的反向传输系数；S₃₂表示由第二端口到第三端口的正向传输系数；S₃₃表示第三端口的反射系数；Γ表示频点的匹配系数。

具体地，为使第一函数关系公式看起来更加简洁，便于后续推导，可以使K＝S₁₂S₃₃-S₃₂S₁₃，则有假设当前需要设计的环形器的预设隔离度为A，根据预设隔离度的要求，则有由此，可以进一步推导出其中，S₃₃^*表示S₃₃的共轭实数，S₁₂^*表示S₁₂的共轭实数，K^*表示K的共轭实数，Γ^*表示Γ的共轭实数。

为简化推导过程，使进而可以推导出频点的隔离度圆在史密斯圆图上的圆心、半径与预设隔离度A之间的第二函数关系为：

由第二函数关系公式可以看出，该公式满足圆的定义，且M为频点的隔离度圆在史密斯圆图上的圆心，并用C_circle表示，而频点的隔离度圆在史密斯 圆图上的半径为并用R_circle表示。

另外，还可以看出，对于同一个频点，不同的隔离度仅仅隔离度圆的半径大小不一样，而圆心却近似重合，其示意图如图5所示。然而随着隔离度圆的半径的减小，而其对应的隔离度却随着增大。因此，由于在本发明实施例中选取的匹配点为多个等隔离度圆相交范围内的一点，且该匹配点位于多个等隔离度圆的内部，所以该匹配点对应的隔离度必定大于预设隔离度A，因此，可以保证通带内被选定频点的隔离度均达到预设隔离度的要求。

具体地，在获取匹配点的匹配系数后，计算模块907计算匹配点的阻抗值Z_L时，具体采用如下公式：

其中，Γ表示匹配点的匹配系数，Z_O表示预设归一化阻抗值，Z_L表示匹配点的阻抗值。在本发明实施例中，Z_O可根据实际要求进行设定，对此并不进行具体限定。

因此，本发明实施例提供的环形器匹配电路的设计装置能够快速准确的计算得到的环形器上匹配端负载的阻抗值，进而设计出一使通带内所有选定频点都满足预设隔离度要求的匹配电路，不仅降低了设计难度，而且具有更高的准确度，保证了通带内每一频点的隔离度要求，实现了对环形器的隔离度进行高准确性的设计。

以上所述的是本发明的优选实施方式，应当指出对于本技术领域的普通人员来说，在不脱离本发明所述的原理前提下还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也在本发明的保护范围内。