高功率三階3 dB介質(zhì)定向耦合器的分析與設(shè)計(jì)

覃基偉，陳曉光，朱繼宏

（1.復(fù)旦大學(xué) 通信科學(xué)與工程系，上海 200433；2.上海明珠廣播電視科技有限公司，上海 200333）

0 引言

近年來，耦合器在廣播電視、移動(dòng)通信等無線通信領(lǐng)域得到了更多應(yīng)用[1－3]。隨著應(yīng)用的增多，對耦合器的帶寬、功率、尺寸、集成度等指標(biāo)提出了更高的要求。本文在以空氣為介質(zhì)的三階定向耦合器的基礎(chǔ)上，通過增加具有高電壓擊穿特性的三氧化二鋁陶瓷片作為耦合介質(zhì)，分析并設(shè)計(jì)了一款高功率三階3 dB介質(zhì)定向耦合器。此介質(zhì)耦合器在保證足夠帶寬的前提下，能夠提高耦合器的耐壓性能，從而實(shí)現(xiàn)了定向耦合器的高功率耦合。此類耦合器以其高耐壓性的優(yōu)勢，能應(yīng)用于廣播電視臺(tái)大功率（數(shù)十千瓦）發(fā)射機(jī)中。

1 原理分析

對于理想的3 dB耦合器，如圖1所示，輸入信號能量從端口1進(jìn)入耦合器，耦合能量從耦合端口2輸出，其余能量從直通端口4輸出。但是由于耦合器的非理想性，在隔離端口3有部分能量輸出，且在輸入端口也有一部分能量被反射。

其中，k為電壓耦合系數(shù)，定義為

通過級聯(lián)奇數(shù)個(gè)1/4波長的耦合段，反向耦合器能實(shí)現(xiàn)更好的性能，得到更寬的帶寬。下面求解圖2中三階定向耦合器耦合端和直通端的電壓[3]。

耦合端口2和直通端口4的總電壓為

由于對稱性，k1=k3，當(dāng)θ=π 2時(shí)，上面公式化簡為

可以通過選擇耦合系數(shù)k1，k2，k3等來綜合所希望的耦合度響應(yīng)。

2 高功率三階3 dB介質(zhì)耦合器的設(shè)計(jì)與測試

如圖3和圖4所示，這是一個(gè)無介質(zhì)的三階定向耦合器，三階長度相等，均為76 mm。中間節(jié)上下板之間空氣的厚度為2d（變化范圍2～8 mm），中間節(jié)臺(tái)階高度為h（變化范圍6～20 mm）。此外，金屬板厚度為thi（變化范圍5～20 mm）。

在實(shí)際的仿真優(yōu)化中還加入了6個(gè)銅質(zhì)螺釘（圖4中的b1～b6），通過調(diào)節(jié)螺釘長度，可以改善耦合器的平衡度、拓展帶寬以及優(yōu)化回波損耗與隔離度等。由于調(diào)節(jié)參數(shù)很多（d，h，thi，b1～b6），調(diào)試可大致分為粗調(diào)和微調(diào)兩部分。初始狀態(tài)為：d=1.5 mm，h=10 mm，thi=10 mm，b1=b2=b3=b4=b5=b6=0。HFSS軟件仿真的S參數(shù)曲線如圖5所示。

圖5中，耦合器并沒有諧振，需要對b1～b6螺釘進(jìn)行粗調(diào)以尋找諧振范圍，經(jīng)過粗調(diào)后S曲線如圖6所示。

圖6中直通強(qiáng)于耦合，二者并未平衡，反射和隔離達(dá)到了10 dB以下，耦合器開始進(jìn)入諧振狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上，對b1～b6進(jìn)行微調(diào)，并對d，h和thi進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)，可得耦合器的S參數(shù)曲線如圖7所示。在優(yōu)化調(diào)節(jié)過程中，各參數(shù)對S曲線的影響如表1所示，“—”表示影響不大。

表1 各參數(shù)對S曲線的影響

圖7中，此耦合器在耦合與直通之間實(shí)現(xiàn)了很好的平衡，此外，回波和隔離度都能達(dá)到20 dB以下。

通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，三階3 dB耦合器的中間節(jié)，以空氣作為介質(zhì)，即εr=1時(shí)，兩板間距小于6 mm。并且當(dāng)間距在2～3 mm時(shí)，耦合最強(qiáng)。這樣的間距，在功率很大（如應(yīng)用于廣播電視臺(tái)數(shù)十千瓦的發(fā)射機(jī)）時(shí)，兩板容易擊穿。為了防止擊穿，增加一塊絕緣介質(zhì)（如圖8和圖9所示），其相對介電常數(shù)εr=9.8。以三氧化二鋁為材料的介質(zhì)塊，長寬高分別為31 mm，130 mm，3 mm。在間距為3 mm的情況下，三氧化二鋁的擊穿電壓達(dá)到30 kV[5]，可實(shí)現(xiàn)高功率輸入。此外，寬帶的三階3 dB耦合器的耐壓低，高功率的耦合器因此只能做成窄帶的，即在頻帶和功率兩個(gè)指標(biāo)中存在一個(gè)權(quán)衡問題。

圖8和圖9中耦合器的中間節(jié)（第2節(jié)）的長度θ2=30 mm，比第1節(jié)和第3階（76 mm）短，這是因?yàn)榧咏橘|(zhì)后，電磁波等效波長變短，如下式

因此中間節(jié)的長度需相應(yīng)地縮短。將εr=9.8代入式（14）得到等效波長λ=0.319λ0。但是中間節(jié)長度并不能按此比例簡單地縮小到θ2=0.319θ1=0.319×76 mm=24.3 mm，因?yàn)榻橘|(zhì)僅僅介于中間節(jié)上下兩板之間，并沒有完全覆蓋金屬，此處并不構(gòu)成線性關(guān)系。需要利用HFSS軟件對中間節(jié)長度進(jìn)行優(yōu)化，在優(yōu)化時(shí)，可以用θ2=24.3 mm作為參考，因?yàn)橥ㄟ^定性分析，假設(shè)介質(zhì)能完全覆蓋金屬，則中間節(jié)長度為24.3 mm，沒有覆蓋時(shí)中間節(jié)長度應(yīng)當(dāng)大于此數(shù)值。事實(shí)上，通過HFSS優(yōu)化，中間節(jié)長度為30 mm。此介質(zhì)耦合器的參數(shù)b1～b6，d，h，thi的調(diào)試方法與前文無介質(zhì)耦合器的調(diào)試方法相似，此處主要闡述中間節(jié)長度θ2的優(yōu)化過程。圖10中顯示了中間節(jié)長度從24 mm增大到40 mm過程中各S參數(shù)的變化情況。

從圖10可看出，中間節(jié)長度在27～33 mm范圍內(nèi)，耦合器的平衡度、回波損耗、隔離度等參數(shù)較為理想，因此可以取中間節(jié)的長度為30 mm。

通過HFSS仿真，分別得到無介質(zhì)耦合器和介質(zhì)耦合器兩板間的電場分布和最大場強(qiáng)，根據(jù)擊穿電壓分別計(jì)算兩種情況下耦合器的最大輸入功率。

對于無介質(zhì)耦合器，中間節(jié)兩板間的最大電場強(qiáng)度為2 040.7 V/m（輸入1 W時(shí)得到的最大電場強(qiáng)度），空氣的擊穿電壓是3 000 000 V/m。由于兩塊傳輸板之間是空氣介質(zhì)，所以得到最大允許輸入功率為（3 000 000÷2 040.7）W=1.47 kW。即當(dāng)輸入功率小于1.47 kW時(shí)，基本保證耦合板之間不被打火擊穿[6]。

對于高功率3 dB介質(zhì)耦合器，中間節(jié)兩板間的最大電場強(qiáng)度約572.86 V/m（輸入1 W時(shí)得到的最大電場強(qiáng)度），由于兩塊傳輸板間三氧化二鋁介質(zhì)的擊穿電壓為10 000 000V/m[5]，所以最大允許輸入功率為（10 000 000÷572.86）W=17.46 kW。即當(dāng)輸入功率小于17.46 kW時(shí)，基本保證耦合板之間不被打火擊穿[6]。需要說明的是，由于增加的介質(zhì)沒有完全覆蓋相應(yīng)金屬，并不構(gòu)成線性關(guān)系，因此此處得到的17.46 kW只是一個(gè)估算數(shù)值，但它能在一定程度上說明增加介質(zhì)后，耦合器的耐壓性能及最大輸入功率均得到了很好的改善。

以上對比可以看出，三階3 dB耦合器的中間節(jié)，以空氣作為介質(zhì)，即εr=1時(shí)，由于最大輸入功率僅有1.47 kW，因此在輸入功率很大時(shí)，兩板容易擊穿。為了防止擊穿，增加一塊三氧化二鋁材料的絕緣介質(zhì)，其相對介電常數(shù)εr=9.8。在間距為3 mm（即介質(zhì)厚度為3 mm）的情況下，此3 dB耦合器的輸入功率能夠增加到17.46 kW，從而實(shí)現(xiàn)高功率3 dB耦合。

此高功率三階3 dB介質(zhì)耦合器的實(shí)物圖如圖11所示。

使用安捷倫的網(wǎng)絡(luò)分析儀（見圖12）對其進(jìn)行測量，型號為Agilent 8712ET 300 kHz～1 300 MHz RF Net?work Analyzer。經(jīng)過調(diào)試得到結(jié)果如圖13所示。從圖中可見，在800～900 MHz范圍內(nèi)，此耦合器能達(dá)到較好的平衡度，除去網(wǎng)絡(luò)測試儀測量線損耗（約0.2 dB）的影響，直通S41和耦合S21均保持在－3.0～－3.2 dB范圍內(nèi)。隨著頻率升高，在900 MHz以上時(shí)，直通S41開始下降，耦合S21開始變強(qiáng)，兩者逐漸脫離平衡。對于隔離和回波反射，在810～912 MHz能保持在20 dB以下，并接近30 dB。網(wǎng)絡(luò)測試儀測量的實(shí)際結(jié)果與前文HFSS仿真的圖10c所述基本吻合。

3 結(jié)論

本文根據(jù)定向耦合器的工作原理及要求，利用HFSS軟件分析并設(shè)計(jì)了一款以空氣為介質(zhì)的三階3 dB定向耦合器，此耦合器能使耦合與直通實(shí)現(xiàn)較好的平衡，同時(shí)隔離端的輸出功率和輸入端的反射功率也得到了較好的控制，但以空氣為介質(zhì)的耦合器耐壓低，最大輸入功率只有1.47 kW。為了提高耦合器的耐壓性能和最大輸入功率，在前述定向耦合器的基礎(chǔ)上，使用具有高電壓擊穿特性的三氧化二鋁陶瓷片作為耦合介質(zhì)，分析并設(shè)計(jì)了一款高功率三階3 dB介質(zhì)定向耦合器。此介質(zhì)耦合器在保證足夠帶寬的前提下，使耦合器的輸入功率由1.47 kW增加到了17.46 kW，從而可以應(yīng)用于廣播電視臺(tái)大功率（數(shù)十千瓦）發(fā)射機(jī)中。

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覃基偉（1983-），碩士生，主研無源濾波器件的設(shè)計(jì)、濾波器組；

陳曉光（1964-），博士，副教授，主研無線通信、RF理論與技術(shù)；

朱繼宏（1952-），高級工程師，上海明珠廣播電視科技有限公司總經(jīng)理，主研廣播發(fā)射機(jī)、數(shù)字電視、天線、濾波器等。