分支线耦合器

分支线耦合器（精选三篇）

分支线耦合器 篇1

关键词：微带线,分支线定向耦合器,小型化

0 引言

微带分支线定向耦合器在微波集成电路器件中诸如平衡放大器,混频器,移相器中有着广泛的应用。传统的四分之一波长耦合器所占基板面积较大,制作成本相应提高,所以缩小其面积对于提高微波集成电路集成度及成本降低有着重要意义。耦合器的小型化方面国内外文献中有较多涉及,采用的结构形式大致为有缺陷的结构(DGS),即在基板接地板上挖孔从而达到缩小传输线尺寸的目的;或者采用多层结构,对基于单层基板上的耦合器主要采取对其传输线等效而达到缩短目的。如在文献[2]中提出一种将传输线两端及中间接终端开路的短截线,从而将传输线缩短而使耦合器面积缩小;文献[4]中将传输线中间接终端开路线再将终端开路线等效为较长的绕线,得到一种缩小化结构。

文中根据传输线等效方法将四分之一波长的传输线等效为传输线两端接终端开路线,从而缩短传输线长度,进而将终端开路线等效以调整其长度,最终得到提出的新型结构。

1 等效

1.1 传输线缩短

将长度为的传输线等效为如图示[2]:

其中等效方法为首先求出传输线的A参数矩阵,图1的A参数矩阵为:

图2的A参数矩阵:

使得长度为l的传输线等效于两端接开路线条件为,当l=λ/4时,得到一组等式:

根据θa、θb的具体取值即可得到相应的Za、Zb值,选取主线与分支线分别缩短后各自得到的两终端开路线电长度相等,主线与分支线之间的合并后的终端开路线特性阻抗即可根据得出。

图4、图5即为传统耦合器和运用等效缩小化的微带分支线定向耦合器,缩小后的耦合器面积约为传统耦合器的36%,版图如下:

1.2 对终端开路传输线等效

根据分析我们可将终端开路的短截线图5等效为图6中所示[2]:

它们相互之间关系即,

其中n为图6右端终端开路线的个数。首先取n=3,适当选取Y1、Y2电长度,可得到图7;在图7的基础上将处于横线上连接的Y2再次使用式(5),这时取n=2,可得到图8所示等效图:

最终可得到图9缩小化设计,版图如图9所示。

2 理论计算

根据奇偶模算法可对四端口的耦合器进行如下理论计算:

3 仿真

这里选取中心频率f0=10GHz,基板厚度h=0.508mm,介质相对介电常数εr=5.5,金属厚度t=0.05mm。由仿真得到的传统耦合器与缩小化的耦合器的频率特性可知,后者的频率特性基本符合要求。其频率特性在高于12GHz时耦合器直通端3口与耦合端4口输出功率明显下降,而1口反射系数增大,其中是因为缩短后的传输线之间耦合影响加大,及不连续效应因素。

图11传统耦合器频率特性图

图12缩小化耦合器的频率特性图(参见右栏)

4 总结

文中主要根据微带传输线等效为传输线两端接终端开路线方法,从而缩短传统耦合器微带线长度达到所占基板面积的缩小,最终通过MATLAB的计算,验证了理论可行性。通过Agilent公司的仿真软件ADS对所得到的原理图进行仿真,发现与理论得到的频率特性基本一致,与传统耦合器相比面积缩小了63%。在理论分析终端开路线等效时只是选取等效为一系列的短截线,实际上也可选取其它诸如微带三角形线、梯形线的等效形式,这也将是以后将要进一步研究的工作;由于微带线耦合因素,再加上微带线不连续效应的影响,这些是文中没有精确考虑的因素,也是进一步研究的方面。

参考文献

[1]微带电路编写组。微带电路[M].北京:人民邮电出版社,1976.

[2]Sakagami I,Haga M,Munehiro T,Reduced branchline coupler using eight two-step stubs[J].IEE Proc Microwave Antennas1999,146(6):455-460.

[3]Shaozhouzhang,TokunoA,Sakagami I,et al.On a reduced branch-line coupler with two-step stubs considering a spurious notch[J].IEICE Trans on Electronics,2001.J84-C(4):259-266.

[4]Ching-wen Tang,Ming-Guang Chen,Janne-Wha Wu.Realization of ultra-compact planar microstrip branch-line couplers with high-impedence open stubs[C]//IEEE/MTT-S International Microwave Symposium2007:995-998.

[5]Ching-wen Tang,Ming-Guang Chen,Janne-Wha Wu,Sythesizing microstrip branch-line couplers with predetermined compact size and bandwidth[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2007,55(9):1926-1934.

[6]Chul-Soo Kim,Jong-Sik Lim,Jun-Seok Park,A10dB branch line coupler using defected ground structure[C]//European Microwave Conference,30th,Paris,2000:1-4

[7]迟念宗,廖时三.新型缩小化枝干耦合器的探讨[D].台湾:逢甲大学工程学系.2004.

[8]孙捷,李英,游彬.一种新型的慢波多层微带滤波器的设计[J].微波学报.2004(1):82-85.

[9]Reed J,Wheeler G J.Amethod of analysis of symmetrical four-port networks[J].IRE Transactions on Microwave Theory and Techniques,1956,4(4):246-152.

分支线耦合器 篇2

自从1968年, 物理学家Veselago首次提出左手材料的概念以来, 左手材料被越来越多的研究人员所关注。所谓左手材料, 是指介电常数ε和磁导率μ同时为负数的材料[1]。对于左手材料, 电场、磁场以及波矢量构成左手关系, 从而导致很多物理现象发生奇妙的变化, 例如负折射, 后向波等[2]。在人工实现左手材料的方法中, 复合左右手传输线方法是基于传输线理论[3], 利用网络实现左手材料的方法, 它具有宽频带、低损耗、中度色散等优点, 具有很好的实际应用前景, 吸引了很多研究人员利用其结构设计各种微波元件[4,5]。

复合左右手传输线的实现方法主要有加载级联电容和并联电感[5,6], 加载缝隙环谐振器 (SRRs) 或者互补缝隙环谐振器 (CSRRs) [7]。相比较于传统传输线, 它们在电特性的控制方面具有更大的自由度[1]。尤其是CSRRs在最近几年广泛应用于各种微波器件, 比如滤波器、混合耦合器、天线等。

微带分支线定向耦合器是一种基本的微波元件, 广泛用于各种实际电路和系统中[8], 随着无线通信技术的发展, 它的小型化和多频特性已成为研究的热点。在实现它的小型化方面, 具有代表性的技术是XU He-xiu等人提出的利用CSRRs和分形概念实现小型化[9]。

互补螺线谐振器 (CSRs) 由Han. Song等人最先提出, 并将其应用于Wilkinson功分器的小型化设计[10]。本文对CSRs做了改进, 并将其应用于分支线耦合器。仿真结果可以看出, 利用CSRs设计的分支线耦合器比传统电路的尺寸缩小50%;在中心频率处, 耦合度 (S21, S31) 为-3.2 dB, 隔离度 (S41) 低于-20 dB, 回波损耗 (S11) 在-25 dB以下。

1 互补螺线谐振器[10]

互补缝隙环谐振器 (CSRRs) 互补螺线谐振器 (CSRs) 如图1～3所示。CSRs的谐振频率是CSRRs谐振频率的1/2。2种单元中, 电容Cc为方形环和环绕它的2个槽之间的电容。在CSRs中, L为方形环的电感。但是在CSRRs中, L是2个方形环的组合电感。因此, CSRs的电感为CSRRs中的4倍, 表达式为:

$\begin{array}{l}f{}_{\text{C}\text{S}\text{R}\text{s}}=1/2\text{π}\sqrt{L{}_{\text{Ο}}C{}_{\text{c}}}(1)\\ f{}_{\text{C}\text{S}\text{R}\text{R}\text{s}}=1/\text{π}\sqrt{L{}_{\text{Ο}}C{}_{\text{c}}}(2)\end{array}$

这解释了为什么在同一谐振频率下, CSRs的电长度是CSRRs的1/2, 也就是说, 利用CSRs可以减小1/2的尺寸。利用改进后的CSRs所设计的传输线在谐振频率点回波损耗更小, 仿真结果如图4所示。

2 小型分支线耦合器

传统的分支线耦合器电路结构如图5所示, 由4条长度为λ/4的微带线组成, 其中两条特性阻抗为50 Ω, 另2条为35.3 Ω。S参数矩阵为[8]:

$\mathit{S}=\frac{-1}{\sqrt{2}}\left[\begin{array}{cccc}0& j& 1& 0\\ j& 0& 0& 1\\ 1& 0& 0& j\\ 0& 1& j& 0\end{array}\right]$

利用改进后的CSRs设计的传输线以及等效电路[5]如图6所示, 进而所设计的小型分支线耦合器如图7所示。图中参数在表1中给出。

3 仿真结果

本文所有电路采用Ansoft HFSS进行仿真, 介质采用材料Neltec NY9260 (IM) (tm) 作为介质基板, 相对介电常数为2.6, 厚度为0.6 mm。仿真结果如图8, 图9所示。工作频率为720 MHz。与传统分支线耦合器尺寸对比由表2给出, 可以看出, 设计的小型分支线耦合器比传统的分支线耦合器尺寸缩小1/2。在中心频率处耦合度 (S21, S31) 为-3.2 dB, 隔离度 (S41) 低于-20 dB, 回波损耗 (S11) 在-25 dB以下。

4 结 语

这里设计了一种利用复合左右手传输线实现的一种小型分支线耦合器电路。此种结构主要优点有:减小1/2的尺寸, 不需要任何集总元件和接地通孔, 较易于加工。这些特点使它能够很好地应用于无线通信中。

摘要：提出一种利用左右手传输线和互补螺线谐振器电路设计的小型分支线耦合器, 工作频率为720 MHz。将互补螺线谐振器电路替换原微带传输线, 达到了缩小器件尺寸的目的。利用Ansoft HFSS进行了仿真, 此种方法设计的分支线耦合器尺寸比传统的电路缩小50%, 在中心频率处耦合度 (S21, S31) 为-3.2 dB, 隔离度 (S41) 低于-20 dB, 回波损耗 (S11) 低于-25 dB。

关键词：左右手传输线,互补螺线谐振器,分支线耦合器,AnsoftHFSS

参考文献

[1]CUI Tie Jun, SMITH David R, LIU Ruopeng.Metamaterials-theory, design_and applications[M].New York:[s.n.], 2010.

[2]CALOZ C, ITOH T.Electromagnetic metamaterials:transmission line theory and microwave applications-theengineering approach[M].New Jersey:John Wiley&Sons, Inc., 2006.

[3]CALOZ C, ITOH T.Application of the transmission linetheory of left-handed (LH) materials to the realization of amicrostrip LH transmission line[C].Proc.IEEE-AP-SUSNC/URSI Nat.Radio Sci.Meeting.San Antonio, TX:IEEE, 2002, 2:412-15.

[5]LIN I-Hsiang, DEVINCENTIS Marc, CALOZ Christo-phe, et al.Arbitrary dual-band components using com-posite right/left-handed transmission lines[J].IEEETransactions on Microwave Theory and Techniques, 2004, 52 (4) :277-282.

[6]LIN I-Hsiang, CALOZ Christophe, ITOH Tatsuo.Abranch-line coupler with two arbitrary operating frequen-cies using left-handed transmission lines[J].IEEE, 2003:325-328.

[7]JOAN Garcia-Garcia, FERRAN Martin.On the electricalcharacteristics of complementary metamaterial resonators[J].IEEE Microwave Wireless Component, 2006, 16 (10) :543-545.

[8]NIU Jia-Xiao, ZHOU Xi-Lang.A novel miniaturized hybridring using complementary split-ring resonators[J].Micro-wave and Optical Technology, 2007, 50 (3) :632-634.

[9]POZAR D M.Microwave engineering[M].3rd ed.NewYork, Wiley:Tata McGraw-Hill Education, 2006.

[10]XU He-xiu, WANG Guang-ming, ZHANG Chen-xin.Compact design of branch-line coupler based on CRLH TLcombined with fractal shaped geometry[C]//2010 Inter-national Conference on Microwave and Millimeter WaveTechnology (ICMMT) .Chengdu:[s.n.], 2010:1658-1661.

余杭配网分支线调度管理问题浅析 篇3

“三集五大”后,按照浙江省电力公司要求,配网主干线、分支线要实行统一调度,10k V线路的主干线分段、分支线的停复役采用操作许可制的形式。 这改变了原来配网分支线由供电所自行操作、自行管理、数据不闭环的传统模式,进入了集中调度、统一管理的新模式,实现10k V配网线路全业务覆盖。但由于分支线设备规模大,数量多,分支线工作的大量增加,造成了工作高峰时间段,调度台业务出现“拥堵”、电话接不过来的现象,工作量大、设备原因、 操作和工作许可流程过于繁琐,带来分支线工作许可延迟的问题,给分支线计划检修的有序开展、配网优质服务管理造成了较大的影响,也影响了其他工作的正常开展。

1新模式下主要存在问题

1.1分支线工作量大

调控专业对调度设备的计划管理主要包括变电、 输电和配电设备三类,分支线纳入调度管理后,配电网设备计划检修工作量占到总工作量的80%,而在所有配网工作中,分支线计划的工作量占比为66.3% (见表1)。分支线纳入调度统一管理后,工作量增长较大,给调度专业日常计划检修的正常开展带来很大的压力。

1.2分支线操作延误

由于分支线工作的工作量大且计划工作开始时间段比较集中,每个工作日8∶00~9∶00出现一个工作高峰,这个时间段调控员的工作量较大,业务会出现“拥堵”、电话接不过来的现象,造成分支线操作延误情况发生。与计划时间相比,时间差在10~ 30min的分支线工作占比为51.3%,时间差大于30min的占比也达到了22.5%,分支线操作延误情况比较普遍(见表2)。由于分支线工作量大、计划开工时间比较集中以及操作流程比较繁琐等原因,造成分支线实际许可工作时间与计划时间偏差情况较为普遍,平均每起工作需延迟20min,甚至造成工作无法在计划时间内完成,给计划工作的有序开展、配网优质服务管理造成了较大的影响。

2原因分析

1)分支线设备名称与现场不符:严格执行配网图形动态更新管理流程,可以确保电子图与现场设备状态一致,图实相符。但在实际工作中,设备运维单位由于事故处理和其他特殊情况时,未及时履行动态更新图纸,造成工作时出现现场实际设备或状态与图纸不符的情况,需重新更新核对图纸后方可开始工作。

2)停役申请填写不规范:各供电所填报分支线停役申请和新设备报投单时,对停役设备的简图、安全措施及线路改接后情况标注不够准确,造成现场设备与停役申请和调度技术支持系统不一致的情况,需要启动临时图形更改流程后方可许可操作,造成工作时间的延误。

3)配网GIS系统功能不完善,目前该系统还存在如下问题:1系统运行的安全性。该系统在运行过程中,有时会有连接不上服务器及系统程序死掉的情况;2系统的部分功能缺失。主要体现在无法取到变电所侧开关遥信和遥测数据和母线电压遥测数据,造成调度员难以掌握线路操作的潮流分布。功能不完善导致调度员在进行操作时需要频繁切换系统,对分支线操作延误有一定的影响。

4)工作安排过于集中:目前分支线计划检修安排过于集中,各供电所工作开始都在8∶00~8∶30之间,多个工作点工作负责人集中与调度有电话联系。而目前调控员每值三人,正值、副值、监控值各一人,且在早高峰时段(8∶00~9∶00)的调控业务量主要由正值承担,多点对单点的联系模式对工作延误影响较大。

5)分支线工作联系流程过于繁琐:由于配网接线的复杂性,导致分支线计划工作经常是一张停役申请涉及多个分支线开关操作,而每一个开关的操作都要发令许可,然后接受汇报。据测算,配网分支线平均每个工作需许可操作开关3.2个,一个分支线开关从申请到操作完成需要调度和现场进行两次通话,分支线工作调度联系电话在高峰时段总电话数中占比为60%。

3影响及风险

1)误调度和误操作风险:现场实际设备或状态与图纸不符、停役申请和新设备报投单填写不准确、 以及GIS系统功能不完善,均有可能产生调控员发布错误指令和现场发生误操作的风险。

2)优质服务风险:操作延误致使无法按用户停电通知执行,会引发用户咨询类工单产生,而操作延误还可能导致计划工作无法按预定时间完成,造成对用户延迟送电,会引发用户投诉类工单的产生,对公司优质服务水平带来负面影响。

3)影响供电可靠率指标:分支线工作联系流程过于繁琐,导致设备操作耗时增加,也造成了线路停电时间的延长,影响供电可靠率指标。

4相关优化建议

1)严格执行配网图形动态更新管理流程:1分支线计划检修需变更接线图,各供电所应在工作前一天将更改后接线图(拓扑图)发起上图流程,16∶00前完成审核流转至调度台,中班调控员应根据停役申请的工作内容和变更简图,审核变更后电子图无误。 2当天分支线工作开始后,当值调控员应再次核对线路改接无误后,最迟工作结束前2h,由调控员确认上图,并根据系统实际运行方式完成置位和挂牌,保证配电网模型与现场设备状态保持一致。3因分支线事故处理工作涉及接线图形变更的,考虑工作实际, 允许短时出现接线图形系统与现场设备不一致的情况,但各供电所应在事故处理工作结束后1个工作日内履行上图流程。各流程节点由供电所、运检部、调控分中心共同把关,确保电子图与现场设备状态一致,图实相符,并列入公司绩效考核。

2)分支线停役申请填报规范:1在分支线计划检修工作前一周周三11∶00前,向调度办理申请手续。经调度运方批复核实,下周停役计划周五15∶00前发布。2分支线停役工作如涉及接线变动的,供电所需在分支线停役申请简图中以红色标注接线改动情况,遇较复杂线路改接,可在填报停役申请时附CAD图纸示意线路改接情况。3供电所填报分支线停役申请时,必须以GIS电子图为依据,若发现GIS图与现场设备不符的情况,需及时提交GIS图形更改申请并说明更改原因。4分支线停役申请的调度核对要提前一周进行,主要核对分支线停役设备名称与GIS系统一致,避免当天计划工作因设备名称和状态不一致引起工作纠纷。

3)完善配网GIS系统功能:1系统需要双服务器,双备份改造,保证系统的安全和可靠;2相关系统功能完善,尽快推进配网自动化改造。3系统中增加调度审核环节。

4)优化分支线工作流程:绝大部分分支线设备均为辐射型线路,根据安规7.1.3中规定:进行配电设备停电作业前,应断开可能送电到待检修设备、配变各侧的所有线路(包括用户线路)断路器(开关)、 隔离开关(刀闸)和熔断器。在同一张申请上的各分支线工作,将可能送电至待检修设备的电源侧及用户侧高压令克停役,就能保证待检修设备无来电的可能。因此调度仅需许可电源侧开关的操作就能满足安规的要求,而其他开关停复役操作由运行单位自行负责。调控分中心对分支线操作流程进行了优化,同时相应修改《国网浙江杭州市余杭区供电公司10k V配网分支线调度管理规定》。

5)加强分支线计划检修的刚性管理:1所有10k V配网分支线均应纳入计划检修刚性管理,各供电所于当月15日前报运检部配网专职下月计划,经平衡汇总中,25日运检部将下月月度计划发文。2凡未列入月度计划的分支线工作,原则上不允许工作。 如遇特殊情况,需要履行临时停电审批流程。3已批复的停役申请,检修单位因故不能工作时,应在工作前一天12∶00前通知调度。确因天气变化,被迫不能工作时,也应在申请工作时间前2h告知余调当值调控员。因申请单位造成设备无效停役者,原则上一个月内不再受理该设备同一工作内容的停役申请。

6)合理安排工作量:计划管理部门应统筹考虑供电所操作安排、用户停送电时间、施工单位的施工力量安排,工作人员日常工作的最佳时间等方面进行综合考虑,合理安排分支线计划检修工作量,同时应合理错时安排各供电所分支线计划检修时间。

7)优化调控人员分工:充分利用现有调控人力资源,建立调控业务《弹性工作法》,形成在正常工作时段分支线工作由调控正值执行,而在工作高峰时,由副值调控员专门执行正线工作,监控值执行配网分支线工作,正值监护的工作模式。根据新的工作模式,细化工作组织分工和流程,并形成相关配套规章制度及规范,确保新岗位工作机制安全、稳定运行。

随着电网的快速发展和信息化水平的提高,通过持续的建章立制和优化流程控制,不断规范配网调度管理,必将全面提高供电企业的调度管理水平,为电网安全、稳定、优质运行提供坚实的基础。

摘要：分支线实行统一调度的新模式,改变了传统模式下供电所自行管理、自行操作、数据不闭环等弊端,但由于分支线工作量等方面存在一定问题,对分支线管理上还需要在分支线工作流程、制度、GIS系统、规范化等方面进行相应的优化,才能更好地有序开展工作,为配网优质服务提供坚实的基础。