微帶分支線定向耦合器的小型化

陳 佳，張紹洲

（1.新疆大學 電氣工程學院，新疆 烏魯木齊 830047；2.寧波大紅鷹學院 機電學院，浙江 寧波315175）

定向耦合器在微波技術中有著廣泛的應用，如用來檢測功率、頻率和頻譜；把功率進行分配和合成；構成雷達天線的收發開關；是平衡混頻器和測量電橋中重要組成部分；還可以利用定向耦合器來測量反射系數和功率等。目前迅速發展的通訊領域中，平面結構的定向耦合器得到了越來越廣泛的應用如用于軍事通信[1]、雷達系統[2]、移動通信的微波系統中的傳輸、測試、定位等領域，并廣泛應用在室內覆蓋、WLAN、小區覆蓋等系統中。

但是傳統的定向耦合器占電路面積太多，在迅速發展的微波集成電路（MIC）和單片微波集成電路（MMIC）中，微帶元器件是微波系統中的核心器件扮演著不可或缺的角色，因此定向耦合器的性能成為制約系統性能和技術水平的關鍵。而通信系統的設備尺寸實現小型化，相應也要求應用其中的微波器件實現小型化。這些都使得研究定向耦合器的寬帶小型化具有重要的現實意義，因此降低成本，提高性能和集成度使微帶元器件的小型化理論成為發展的趨勢。

文中主要采用傳輸線等效的方法將四分之一波長傳輸線等效為在中間加接終端開路短截線將其轉化成T型微帶線，使其小型化。但是終端開路短截線與主線的連接處很寬而且主線和副線的終端開路的微帶線之間距離很近，對于傳輸信號會相互耦合，影響定向耦合器特性產生影響，因此對終端開路線進行進一步的等效。設計得到的3 dB定向耦合器的參數滿足要求，為其在通信系統中的應用奠定了基礎。

1 等 效

1.1 傳輸線縮短

將電長度為的傳輸線等效[3]為T型傳輸線：

圖1 傳輸線等效T型圖Fig.1 Equivalent T-shaped transmission line of traditional line

此時兩等效電路的參數應相等：

微帶分支線定向耦合器的主線和縮短后的T型微帶線的特性應該相同，因此它們的A參數應該相等，利用這一原理可以得到4個關于A、B、C、D的等式，選用對稱結構且，等式最后整理如下：

圖2 等效T型縮小化微帶分支線定向耦合器Fig.2 Miniaturized microstrip branch-line coupler by T-shaped transmission line

由以上公式，對于Z0=50 Ω的四分之一波長微帶線所取各 值 為 ：M=2，K=4.3， 求 得 Z1=Z3=100 Ω，θ1=θ3=26.59°，Z2=23.21 Ω，θ2=27.77°。

對于Z0=50Ω的四分之一波長微帶線所取各值為：M=2.2，K=3.3，求得 Z1=Z3=77.2 Ω，θ1=θ3=24.38°，Z2=23.21 Ω，θ2=27.77°。

通過理論計算及ADS中參數計算可得到縮小化的微帶分支線定向耦合器，縮小后的定向耦合器面積約為傳統定向耦合器面積的55%。

1.2 對終端開路傳輸線等效

一條微帶線經過等效[4]后在中間加接終端開路短截線可以使原來的微帶線縮短，但終端開路短截線與主線的連接處很寬，而且中間部分還可能會相互交疊，這就對定向耦合器的參數產生影響，所以將終端開路線做成十字型微帶線如圖3所示。

圖3 對稱型T型結構到十字型結構微帶線的示意圖Fig.3 Symmetric T-structure to the cross-shaped structure diagram of the microstrip line

對于終端開路的短截線其等效電路圖3所示的A參數為：

將微帶終端開路短截線用魚骨型微帶線代替，魚骨型微帶線的等效電路圖4所示的A參數為：

圖4 魚骨型微帶線的等效電路Fig.4 Equivalent circuit of the fish-bone microstrip line

由兩者的A參數相等可以得到：

然而對于T型結構中短截線的Z2，θ2的等效電感值和電容值也可以用式（8）和式（9）計算得到。

其中為微帶線的特性阻抗，ω=2πf，θ2為微帶線的電長度。

利用求得的 L 和 C 的值可以確定 L1，L3…L2n+1和 C2，C4…C2n的值。從而確定魚骨型結構中每條微帶線的尺寸，在文中n=1，魚骨型就變成十字型。

1）Z0=50 Ω的四分之一波長微帶線小型化的參數：

2）Z0=50Ω的四分之一波長微帶線小型化的參數：

2 十字型微帶線小型化3 dB分支線定向耦合器和ADS仿真

利用上面的Z0=50 Ω和Z0=50Ω的四分之一波長線的各項參數進行微帶線長寬的計算，得出十字型微帶分支線定向耦合器的結構及其各項尺寸如上圖5和表1所示。

用ADS軟件對上面的電路圖進行S參數仿真，仿真的S參數如下圖6所示。仿真后與標準3 dB分支線定向耦合器的S參量進行特性比較，可以看出十字型微帶分支定向耦合器的S參量特性曲線基本滿足要求，在中心頻率處，直通端口和耦合端口的相位差也滿足要求。但在高于1.5 GHz處S參數特性曲線產生畸變，除S11外S21、S31、S41均出現不同程度的衰減。這可能是由于微帶線不連續性、不均勻性或者各微帶之間的相互干擾造成的[5-7]。在具體制作電路過程中，可以做些相應的處理來避免這種情況，此小型化方案在理論上時可行的。

圖5 十字型微帶分支線定向耦合器版圖Fig.5 Layout of cross-shaped microstrip branch-line coupler

表1 十字型微帶分支線定向耦合器微帶線參數尺寸Tab.1 Sizeofcross-shapedm icrostripbranch linem icrostrip coupler

圖6 十字型微帶定向耦合器的S參數頻率特性曲線Fig.6 S-parameter curve of cross-shaped microstrip coupler

3 結 論

文中主要通過將微帶線接終端開路線使定向耦合器的四分之一波長的微帶線縮短，為防止出現終端開路線離得過近而出現相互間的電磁耦合影響同時進一步縮短耦合器面積，又用等效方法將終端開路線等效成十字型的微帶線，最終得到的十字型雙分支微帶定向耦合器約為傳統定向雙分支定向耦合器面積的36%，實現了小型化。

[1]田佳峻，姚勇，趙新輝，等.自由空間光通信的抗干擾接收系統[J].紅外與激光工程，2009，38（1）:96-100.TIAN Jia-jun， YAO Yong， ZHAO Xin-hui.Anti-jamming receiver system of free space optical communication[J].Ifrared and Laser Engineeering，2009，38（1）：96-100.

[2]朱暢，馮起，袁乃昌.新型定向耦合器在DIFM中的應用[J].現代雷達，2006，28（2）:60-63.ZHU Chang， FENG Qi， YUAN Nai-chang.A novel directional coupler and its application to DIFM receiver[J].Modern Radar，2006，28（2）：60-63.

[3]Liao S S,Sun P T,Chin N C.A novel compact-size branchline coupler[J].IEEE Trans.Microw.Theory Tech，2005，15（9）：588-590.

[4]Liao S S,Peng J T.Compact planar micro-strip branch-line couplers using the quasi-lumped elements approach with nonsymmetrical and symmetrical T-Shaped structure[J].IEEE Trans.Microw.Theory Tech，2006，54（9）：3508-3513.

[5]清華大學“微帶電路”編寫組.微帶電路[M].北京：人民郵電出版社，1976.

[6]王新穩，李萍.微波技術與天線[M].北京：電子工業出版社，2006.

[7]Liao S S,Peng J T,Gun C Y,A super compact planar microstripline rat-race coupler[J].Microw.Opt.Technol.Lett，2005，47（3）:302-304.