一種弱耦合非對稱漸變線定向耦合器的快速設計

雷爭軍，劉 恒，張 斌

（蘭州軍區 68129部隊，甘肅 蘭州 730060）

一種弱耦合非對稱漸變線定向耦合器的快速設計

雷爭軍，劉 恒，張 斌

（蘭州軍區 68129部隊，甘肅 蘭州 730060）

給出了一種快速設計任意弱耦合非對稱漸變線定向耦合器的方法，以線性漸變為基礎，通過仿真優化獲取最優漸變，擺脫了傳統方法中的復雜運算。為改善定向耦合器在頻率高端的定向性，在結構上引入了鋸齒加載。設計了一個帶寬為0.5GHz到20GHz，耦合度為-25dB的定向耦合器，利用三維電磁仿真軟件HFSS進行了結果驗證。

弱耦合；定向耦合器；漸變線；HFSS

定向耦合器作為一種具有方向性的功率分配器件，在微波通信領域得到廣泛應用。隨著通信網絡的不斷升級換代，在民用通信領域工作頻率向更低頻覆蓋，在軍用通信領域工作頻率向更高頻擴充，這都對定向耦合器的帶寬提出了更高要求。傳統階梯型定向耦合器的綜合能滿足基本的中等帶寬設計需要，但由于節間過渡不連續性的存在，導致其在頻率高端的響應變得不再精確可控，且節數增加會導致器件的設計長度增加，這與微波器件的小型化要求是相背離的，故在超寬帶設計中，傳統階梯型定向耦合器綜合變得不再適用。針對這一問題，引入了漸變線定向耦合器的設計綜合方法[1]，F.Arndt在文獻中給出了非對稱切比雪夫高通定向耦合器在耦合度分別為-3.01 dB，-6.02 dB，-8.34 dB，-10 dB 和-20 dB 不同波紋下的耦合系數列表，并論證了對耦合線長度進行40等分，取41個樣點，基本能夠實現對漸變線耦合器的性能模擬[2]。在指標確定的情況下，非對稱切比雪夫高通定向耦合器可實現最小尺寸，但理論推導較為復雜，且目前所給列表不太完全。同時頻率高端定向性能的惡化依然存在，為設計綜合增加了不確定性，故其定向性能的改進性研究變的較為迫切。

1 原理分析

定向耦合器一般分為同向定向耦合器與反向定向耦合器，其特點分別是：同向定向耦合器：S11=S14=0 （1）

1.1 設計初值的獲取

耦合波紋為

其中，k（0）和k（1）分別為定向耦合器的始端和末端電壓耦合系數，而A為末端和始端兩者電壓耦合系數的比，可表示為 A=k（1）/k（0）。

1.2 耦合漸變線長度

式中λc為最地工作頻率對應的波導波長，而β2和h2可分別由下式確定

關于漸變線的長度的選取，可由以下公式得到：

式中C1和C2分別為最大和最小電壓耦合的平方

其中S13m為平均電壓耦合，δ為電壓紋波比。

1.3 獲取各節的偶模阻抗初值和各節的初始電長度

若已知耦合度 Cav±ΔC/2，則有 Cmax=C+ΔC/2，故可獲取平均耦合和耦合波紋的數值表示為

又有電長度 θ=βl=2πl/λ，且有（5）式，則可求得耦合線的總的電長度。借助（3）式和（4）式，可求得始端和終端電壓耦合系數

又有電壓耦合系數和偶模阻抗之間的變換關系獲取始端和終端的偶模阻抗，其中Zo為耦合線的特性阻抗

假定耦合線偶模阻抗40等分且耦合線的偶模阻抗呈線性變化，則有各節的偶模阻抗值為

1.4 優化獲取各節最佳偶模阻抗

L.Young在文獻中給出了定向耦合器和階梯阻抗濾波器的等效分析方法[3]，故我們可以在AWR中建立如圖1所示的電路模型來簡化分析，模型中 Zoe（1）和 ΔZoe（i）為獨立變量，而 Zoe（i）為非獨立變量，可表述成（11）式的形式。 以 Zoe（1）和ΔZoe（i）為優化變量，以反射系數為優化目標進行優化，可快速獲取一組ΔZoe（i）的值，待優化完成，求出各節的偶模阻抗值。在優化過程中，可適當調節每一節的電長度，以期望得到最小尺寸。

圖1 定向耦合器的等效電路圖Fig.1 Equivalent circuit diagram of the directional coupler

借助奇偶模阻抗和特性阻抗之間的關系Z00=Z20/Zoe，獲取奇模阻抗的值，進而選定耦合結構，綜合出各節的物理尺寸并擬合出漸變線的函數曲線，最終在HFSS中建模優化，完成初始設計。

2 仿真與測試結果

設計了一個工作在 0.5～20 GHz，Cav=－25 dB，ΔC=0.2 dB的弱定向耦合器。由設計指標并結合節1.2，可獲取每一節的電長度為3.113°，最初的偶模阻抗值為55.98 Ω，節間阻抗差值為0.147 8 Ω。然后把該初值代入如圖1所示的電路模型，以反射系數（等效于耦合器的耦合系數）為優化目標，進行優化，可獲取一組最優值，每一節的偶模阻抗值Zoe=[55.821 55.562 55.299 55.051 54.798 54.560 54.332 54.110 53.892 53.684 53.478 53.285 53.098 52.910 52.744 52.568 52.412 52.250 52.097 51.956 51.819 51.686 51.562 51.438 51.329 51.212 51.116 51.012 50.922 50.833 50.744 50.670 50.593 50.530 50.460 50.398 50.347 50.291 50.241 50.200 50.138]，每一節的電長度EL=2.85。

在結構的實現上，我們可采用耦合帶狀線，因為要實現的耦合強度比較小，故我們可采用窄邊耦合[4]。令εr=2.65，b=3.048 mm，t=0.02 mm，則 L=119.63 mm，進一步可求解得出每一節耦合帶狀線的寬度和間距分別為

借組MATLAB軟件進行曲線擬合，獲取耦合漸變線的描繪函數，描繪曲線如圖2所示。

圖2 函數曲線圖Fig.2 Function graph

把上述函數導入HFSS進行三維建模仿真，仿真結果如圖3所示。

圖3 仿真結果Fig.3 Simulation results

隔離度和駐波隨著頻率升高逐漸開始惡化，為了改善這兩個指標，工程上通常的做法是引入加載枝節或引入鋸齒[5-6]，此處我們采用第二種方法。通常鋸齒加載在強耦合的一端，會對指標有比較大的擾動，在設計中通過優化齒的位置、個數、深度和齒間距，可以找出一組最優值。優化后的仿真模型和仿真曲線如圖4和圖5所示。

圖4 優化仿真模型Fig.4 Optimize simulation model

圖5 優化仿真曲線Fig.5 Optimize simulation curve

3 結 論

文中給出了一種快速設計弱耦合漸變線定向耦合器的方法，并結合一個具體的示例論證了這種方法的切實可行性。為了改善頻率高端的定向性，文中采用鋸齒加載結構來補償電路性能，通過加載前后的數據對比，可以發現改善明顯，進而為未來定向耦合器定向性能的改善指明了方向。

[1]Arndt F.High-pass transmission-line directional coupler[J].Micro-wave Theory Tech，1968，16（3）:310－311.

[2]Arndt F.Tables for asymmetric Chebyshev high-pass TEM-mode directional couplers[J].IEEE Trans.MTT，1970，18（9）:633－638.

[3]Young L.The analyticalequivalence ofTEM-mode directional couplers and transmission line stepped impedance filtem[J].Proc.Instlt.Elect.Eng.，1963，110（2）:275－281.

[4]Cohn S B.Shielded Coupled-Strip transmission line[J].Microwave Theory Tech，1955，3（8）:29－38.

[5]李勇，王江濤.S波段小型Lange耦合器的應用設計[J].微波學報，2011，27（5）：60－63.

LI Yong，WANG Jiang-tao.Applied design of miniature lange couplers in S band[J].Journal of Microwaves，2011，27（5）：60－63.

[6]禇慶昕，孫晶菁，林峰.新型寬頻率比雙頻分支線耦合器的設計[J].華南理工大學學報：自然科學版，2011，39（7）：21－25.

CHU Qing-xin，SUN Jing-jing，LIN Feng.Design of novel dual-band branch-line coupler with wide-range frequency ratio[J].Journal of South China University of Technology:Natural Science Edition，2011，39（7）：21－25.

Rapid design of a weakly coupled asymmetric gradient line directional coupler

LEI Zheng-jun，LIU Heng， ZHANG Bin
（68129 Unit， Lanzhou Military Area， Lanzhou 730060， China）

A rapid design any weak coupling asymmetric gradient line directional coupler method， based on a linear gradient，the optimal gradient obtained by simulation and optimization，to get rid of the traditional method of complex computing.Directivity in the frequency of the high-end，in order to improve the directional coupler structure introduces a sawtooth load.Design a bandwidth of 0.5GHz to 20 GHz， the degree of coupling of-25 dB directional coupler， the results demonstrate the use of three-dimensional electromagnetic simulation software HFSS.

weak coupling； directional coupler； gradient line； HFSS

TN802

A

1674－6236（2013）08-0161-03

2012-11-15稿件編號201211122

雷爭軍（1971—），男，陜西富平人，高級工程師。研究方向：雷達新技術和裝備保障資源建設。