S頻段寬帶3dB定向耦合器的設(shè)計(jì)

西安交通大學(xué)城市學(xué)院 韓星星

S頻段寬帶3dB定向耦合器的設(shè)計(jì)

西安交通大學(xué)城市學(xué)院 韓星星

介紹了用寬邊耦合來實(shí)現(xiàn)的2～3GHz、耦合度為3dB的寬帶帶狀線定向耦合器，提出一種改進(jìn)的寬帶3dB電橋的設(shè)計(jì)方案，這種電橋具有體積小，差損低，穩(wěn)定性好以及易于生產(chǎn)、調(diào)試的優(yōu)點(diǎn)。利用HFSS軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終實(shí)測結(jié)果和仿真結(jié)果基本吻合，驗(yàn)證了研究結(jié)果的一致性。

3dB電橋；奇偶模分析法；小型化

1.引言

定向耦合器是微波系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛的一種微波器件，它的功能是將微波信號(hào)按一定的比例進(jìn)行功率分配。在實(shí)現(xiàn)各種功能的微波組件以及整機(jī)中，都能看到定向耦合器發(fā)揮作用[1]。3dB電橋是通信系統(tǒng)中常用的無源器件，尤其是在射頻、微波電路與系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，本文描述的2-3GHz寬帶3dB電橋是S頻段饋源系統(tǒng)的重要組成部分，為了其使用在饋源中節(jié)省空間，有利于和其他器件連接，達(dá)到饋源系統(tǒng)小型化、緊湊型的目的，應(yīng)使電橋體積小、穩(wěn)定性好，并易于生產(chǎn)、調(diào)試。

2.基本原理

定向耦合器的主要技術(shù)指標(biāo)有耦合度、定向度、隔離度、輸入駐波比和工作帶寬[2]。

微波電路理論中通常采用奇偶模分析法來推導(dǎo)定向耦合器的主要參數(shù)，定向耦合器輸入傳輸線特性阻抗Z0與耦合線的偶模阻抗Zoe、奇模阻抗Zoo滿足如下關(guān)系[3]：

根據(jù)耦合度定義可以推導(dǎo)出耦合度C和耦合系數(shù)k之間的關(guān)系為：

3.設(shè)計(jì)方法

3.1 寬邊耦合帶狀線的分析

已知奇偶模阻抗Z0e和Zoe，填充介質(zhì)的相對(duì)介質(zhì)re以及上下接地板間距b的條件下：

3.2 計(jì)算W和S

采用上述奇偶模分析方法可以設(shè)計(jì)3dB定向耦合器。由于在耦合較強(qiáng)時(shí)，選擇窄邊耦合時(shí)微帶線間距很細(xì)，工藝上很難保證其精度，所以選取寬邊耦合的帶狀線的結(jié)構(gòu)。

工作波段為S波段（2-3GHz），中心頻率 f0= 2 .5GHz ，輸入輸出傳輸線特性阻抗 ，耦合系數(shù) 。(2)式計(jì)算出耦合系數(shù)為0.7079，由(1)式可求出奇偶模的特性阻抗分別為 z0o=z0=20.6778 z0e= 1 20.9025。選取上下介質(zhì)板的間距為b=9.5mm，根據(jù)(3)-(4)式，再使用Ansoft公司的HFSS 11進(jìn)行優(yōu)化，得到W=1.6mm，S=0.4mm，耦合區(qū)的長度L為中心頻率的四分之一波長，即L=20.7mm。

4.設(shè)計(jì)結(jié)果

根據(jù)上述計(jì)算數(shù)據(jù)，利用HFSS 11進(jìn)行仿真分析，其模型如圖1所示，設(shè)計(jì)的3dB電橋的基本指標(biāo)為：頻率2-3GHz，反射損耗<-27.9dB，隔離度>27.8dB，相位差（耦合口超前直通口） ，耦合度2.7-3.4dB。

5.改進(jìn)的3dB電橋的設(shè)計(jì)

5.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)

上述圖1中的3dB電橋雖然也能滿足指標(biāo)要求，但4個(gè)出口不在同一平面上，體積較大，作為前饋系統(tǒng)的重要組成部分，難以滿足饋源系統(tǒng)小型化設(shè)計(jì)的要求，因此縮小3dB電橋的體積對(duì)整個(gè)前饋系統(tǒng)的小型化、緊湊型設(shè)計(jì)意義重大；另一方面，耦合棒中間的介質(zhì)片不容易填充，容易引起兩個(gè)耦合棒的松動(dòng)，不易定位，影響耦合器的特性。因此，我們重新設(shè)計(jì)出了一種耦合片式的3dB定向耦合器，其模型如圖2所示。這種電橋4個(gè)出口在同一平面上，體積小，差損低，穩(wěn)定性好，并且具有易于生產(chǎn)、調(diào)試的優(yōu)點(diǎn)。

5.2 設(shè)計(jì)結(jié)果

根據(jù)同樣的設(shè)計(jì)方法得到設(shè)計(jì)的3dB電橋的基本指標(biāo)為：頻率2-3GHz，反射損耗<-23.1dB，隔離度>23.5dB，相位差（耦合口超前直通口） ，耦合度2.87-3.21dB。

5.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

改進(jìn)的3dB電橋采用平行耦合帶狀線結(jié)構(gòu)，接口均為SMA-K。耦合片之間的介質(zhì)片為聚四氟乙烯材料，介質(zhì)片厚度過大（耦合縫隙大），耦合量變小，反之，耦合量變大。按設(shè)計(jì)要求介質(zhì)片厚度為0.39毫米，實(shí)際加工精度可達(dá)到0.35-0.4毫米，實(shí)際調(diào)試中的厚度可以在這個(gè)范圍內(nèi)選取。電橋測試?yán)肁gilent E8363C矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，測試結(jié)果各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)記錄為：頻率2-3GHz，反射損耗<-25.9dB，隔離度>29.0dB，相位差（耦合口超前直通口） ，耦合度2.87-3.10dB，可以看出最終測試的各項(xiàng)指標(biāo)都達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。

圖1 3dB耦合器的HFSS仿真模型

圖2 改進(jìn)3dB耦合器的HFSS仿真模型

6.結(jié)論

本文介紹了帶狀線定向耦合器的設(shè)計(jì)方法，使用耦合帶狀線的方法設(shè)計(jì)出帶寬為2-3GHz，耦合度為3dB的定向耦合器，指標(biāo)性能優(yōu)異。并改進(jìn)了電橋的結(jié)構(gòu)，具有體積小，差損低，易于生產(chǎn)、調(diào)試等優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)仿真結(jié)果制作了實(shí)物，實(shí)物測試結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。

[1]徐嗣范.微波元件原理與設(shè)計(jì)[M].北京:人民郵電出版社,1982:168-171.

[2]顧繼慧.微波技術(shù)(第1版)[M].北京:科學(xué)出版社,2004.

[3]清華大學(xué)編寫組.微帶電路[M].北京:人民郵電出版社,1975.

韓星星（1983—），女，山西呂梁人，碩士，現(xiàn)供職于西安交通大學(xué)城市學(xué)院物理教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心，研究方向：電磁場與微波、無線電物理。