空氣帶狀線交叉耦合腔體3 dB電橋設(shè)計(jì)

李安慶， 孫玉發(fā)

（安徽大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，安徽 合肥 230039）

在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，無(wú)源器件以其環(huán)保無(wú)污染、低功耗和可靠性高而被廣泛使用。3 dB電橋是無(wú)源器件中十分常用的器件，例如，在基站、直放站、室內(nèi)覆蓋中的信號(hào)合路、分路及功率合成中都已用到，并且隨著通信系統(tǒng)的升級(jí)，通信傳輸?shù)男盘?hào)模式也越來(lái)越多，對(duì)無(wú)源器件的帶寬也提出了更高的要求——除在寬頻帶內(nèi)滿足常規(guī)指標(biāo)要求外，還需要滿足低插損、高方向性、高穩(wěn)定性、低互調(diào)、大功率以及安裝方便等要求［1－2］。針對(duì)以上問(wèn)題，本文提出一種新型腔體結(jié)構(gòu)，從而改變了傳統(tǒng)電橋的輸入端與輸出端不在同一側(cè)面的結(jié)構(gòu)限制，工程安裝更加方便。同時(shí)這種結(jié)構(gòu)能夠減小電橋的不連續(xù)性，可以很好地滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求，具有易生產(chǎn)、易調(diào)試等優(yōu)點(diǎn)。

1 3 d B電橋基礎(chǔ)理論

3 d B電橋也叫同頻合路器，在電路中具有功率分配及改變信號(hào)相位的作用。如圖1所示，當(dāng)導(dǎo)線1—2中有交變電流流過(guò)時(shí)，由于3—4線和1—2線互相靠近，故3—4線中便耦合有能量，此能量既可通過(guò)電場(chǎng)（以耦合電容表示）又可通過(guò)磁場(chǎng)（以耦合電感表示）耦合過(guò)來(lái)。因此，由圖1可知，若能量由1口輸入，則耦合口是3口和2口，而在4口因?yàn)殡婑詈想娏骱痛篷詈想娏鞯淖饔孟喾炊芰炕ハ嗟窒?，?和4是相互隔離的，同理2和3也是相互隔離的。

圖1 耦合線電橋

由端口分析可知：

其中，C、IL分別表示耦合度和理論插損。

則理論插損IL也可表示為：

利用3 d B理論耦合度可得理論插損IL＝－3 d B，且兩輸出端輸出功率相等。

2 電氣設(shè)計(jì)指標(biāo)及初值計(jì)算

2.1 3 d B電橋設(shè)計(jì)指標(biāo)

本文3 dB電橋腔內(nèi)的主線導(dǎo)帶和副線導(dǎo)帶之間有高度差，且交叉耦合，這種結(jié)構(gòu)能夠減小電橋的不連續(xù)性，提高電橋設(shè)計(jì)指標(biāo)。所設(shè)計(jì)的3 dB電橋的指標(biāo)參數(shù)見(jiàn)表1所列。

表1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

2.2 長(zhǎng)度計(jì)算

耦合線長(zhǎng)度L的計(jì)算公式為：

其中，λ為波長(zhǎng)；εr為有效介電常數(shù)。

為了實(shí)現(xiàn)寬帶耦合，在設(shè)計(jì)上采用的是多節(jié)耦合理論，此理論與1／4波長(zhǎng)階梯阻抗濾波器等效。根據(jù)中心頻率1 650 MHz，則波長(zhǎng)為0.181 82 m，把介電常數(shù)εr＝1代入（5）式，計(jì)算得到每節(jié)耦合線長(zhǎng)度約為45.45 mm。

2.3 耦合線寬度計(jì)算

由上下邊帶可以得到帶寬比B≈3.125，相對(duì)帶寬Δ＝（f2－f1）／f0＝1.03，f＝2 500 MHz為下邊帶，f1＝800 MHz為上邊帶，f0＝1 650 MHz為中心頻率。

根據(jù)B和Δ的值，查切比雪夫定向耦合器的歸一耦模阻抗值表可知，應(yīng)該采用2節(jié)不對(duì)稱耦合設(shè)計(jì)，相應(yīng)的緊耦合段偶模Z1e＝164.75Ω，松耦合段偶模Z2e＝71.175Ω。為了使電橋更匹配，并實(shí)現(xiàn)理論上的完全隔離，由Z0o＝Z02／Z0e［3－9］（Z0為特性阻抗，Z0e為偶模特性阻抗，Z0o為奇模特性阻抗）得Z1o＝15.174 5，Z2o＝35.124 7Ω，其中Z1o和Z2o表示2節(jié)非對(duì)稱耦合段奇模特性阻抗。

根據(jù)產(chǎn)品外形，選定導(dǎo)電條厚度t＝1 mm，上下耦合縫隙s＝0.5 mm，緊耦合區(qū)腔體深度B1＝12 mm，松耦合區(qū)腔體深度B2＝6 mm。因2節(jié)線段的阻抗差異較大（約2倍），為減小連接處的不連續(xù)性，固定尺寸時(shí)將緊耦合處的腔深定為松耦合處的2倍，這樣可使2段線的寬度接近。通過(guò)查表可以確定每一節(jié)寬度尺寸，也可以借助一些軟件進(jìn)行計(jì)算，如利用Serenade軟件中的帶狀線計(jì)算模型，得出w1＝4.15 mm，w2＝4.3 mm。

2.4 建模仿真及優(yōu)化

綜上所述，由3 dB電橋設(shè)計(jì)方案及相關(guān)計(jì)算數(shù)據(jù)在軟件中建模、仿真優(yōu)化。本文利用HFSS建立的三維模型如圖2所示，并對(duì)其S參數(shù)進(jìn)行仿真和優(yōu)化。

圖2 仿真模型

仿真結(jié)果如圖3所示，由圖3可知，該結(jié)構(gòu)很好地實(shí)現(xiàn)了耦合度3 d B電橋，駐波比小于1.12，隔離度大于25 dB，仿真實(shí)現(xiàn)了工程設(shè)計(jì)指標(biāo)。

圖3 仿真結(jié)果

3 電橋安裝及測(cè)試

應(yīng)用本文所提出的方法，按照最佳仿真結(jié)果制作加工的實(shí)物如圖4所示。

圖4 3 dB電橋?qū)嵨飯D

其結(jié)構(gòu)尺寸為142 mm×21 mm×22 mm。連接器互調(diào)指標(biāo)要求大于160 dBc，連接器與腔體采用緊配合的方式連接，保持部件內(nèi)部干凈無(wú)污垢，控制焊接質(zhì)量，用刀片清理干凈蓋板與腔體接觸面的塑粉，保證良好的接觸，并且導(dǎo)電條可以用聚四氟乙烯進(jìn)行固定。

應(yīng)用Agilent5230A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)3 dB電橋的插入損耗和隔離度分別進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖5、圖6所示，可見(jiàn)測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，滿足了3 dB電橋的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

圖5 損耗測(cè)試圖

圖6 隔離度測(cè)試圖

此外，應(yīng)用南京漢瑞公司HR08300A功放測(cè)試3 dB電橋的功率容量，結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。應(yīng)用澳華三階互調(diào)儀對(duì)3 d B電橋的三階互調(diào)進(jìn)行了測(cè)試，如圖7所示，測(cè)試結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。

圖7 三階互調(diào)測(cè)試圖

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文設(shè)計(jì)的空氣帶狀線交叉耦合腔體3 dB電橋可以實(shí)現(xiàn)器件的輸入端與輸出端在同一側(cè)面上，是對(duì)傳統(tǒng)電橋的改進(jìn)，實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)的同邊進(jìn)出空氣帶狀線交叉耦合腔體3 dB電橋與傳統(tǒng)的電橋相比在多個(gè)性能上有所提高，滿足了工程的實(shí)際需求。隨著多路系統(tǒng)合路平臺(tái)的發(fā)展，該電橋?qū)⒂袕V闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

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