基于DMRC結構的小型分支線耦合器設計

文 科 ，宗彬鋒 ，李天鵬，檀蕊蓮

（1.空軍西安飛行學院 陜 西 西 安 7 10306；2.空軍工程大學 陜 西 西 安 7 10051；3.武警工程大學 陜 西 西 安 7 10086）

由于輸出口具有相等的信號幅度和90?的相位差，分支線耦合器在有源集成電路中起著舉足輕重的作用，然而隨著現代通信系統小型化程度的不斷提高，工程應用對分支線耦合器的小型化要求也日益增加[1-5]。

近年來，復合左右手傳輸線在小型分支線耦合器設計中得到了較好的應用：文獻[6]和[7]均采用逆開環諧振器設計小型的分支線耦合器，但是這種方法會不可避免的引入后向輻射；文獻[8]采用集總元件加載的復合左右手傳輸線設計了小型分支線耦合器，但是這種方法會受到集總元件自身頻率特性的限制，不適用于高頻段。在微帶諧振器的小型化中，微帶缺陷是一種新興的簡單有效的方法，這種方法通過在微帶線上刻蝕縫隙且不需要采用金屬化接地孔、缺陷地面等技術來實現慢波效應：文獻[9]采用了一種新型的微帶諧振單元。但是由于其結構復雜且設計和調試過程繁瑣，因此不利于推廣應用。

本文基于上述問題首先提出了一種新型雙螺旋微帶缺陷諧振單元，研究了其幅度特性和相位特性，發現其具有良好的帶阻特性和慢波效應。然后，研究了結構參數對傳輸特性的影響，總結了設計規律。最后，運用該新型微帶螺旋缺陷結構設計了一個小型化分支線耦合器，該分支線耦合器不僅實現了小型化，而且避免了后向輻射的問題。

1 DMRC結構研究

本文融合微帶諧振器小型化中復合左右手傳輸線和微帶缺陷結構的方法，提出了一種新型的雙螺旋微帶缺陷諧振單元（Double-spiral-defected microstrip resonator cell，DMRC）結構。結構圖如圖1所示，該諧振單元是通過在微帶傳輸線上刻蝕雙螺旋單元得到的一個對稱性結構。其中深色部分為金屬微帶線，白色部分為腐蝕的螺旋結構，采用50 Ω微帶線。為了表述方便，將腐蝕的螺旋結構單元單獨畫出。

圖1 DMRC結構示意圖Fig.1 Structure schematic diagram of DMRC

為了了解所提出DMRC結構的特性，在仿真軟件HFSS中建立模型，并給定一組參數：w1=3.7 mm，w2=0.2 mm，g1=0.2 mm，g2=0.2 mm，l1=3.6 mm。對該結構單元進行仿真，介質板采用相對介電常數為2.65、厚度為1.5 mm的聚四氟乙烯玻璃布板（F4B-2），50歐姆微帶線寬度為4.1 mm。得到如圖2所示的仿真結果，從圖中可以看出，S參數曲線在2 GHz處有一個傳輸零點，這證明該結構具有帶阻效應。

圖2 DMRC結構的傳輸特性Fig.2 Transmission characteristics of a DMRC structure

圖3 給出了等長的傳統傳輸線與基于DMRC傳輸線的相位特性曲線。從圖中可以看出，在微帶線上加載螺旋缺陷結構后，有明顯的相位滯后效應，這也是該結構實現小型化的重要依據之一。

2 結構參數分析

圖3 相位特性比較Fig.3 Comparison of phase characteristic

為了對DMRC結構有一個更加直觀的認識，并為后續的研究設計提高效率，需要對結構參數特性進行詳細分析。在分析時主要針對兩個方面：幅度特性和相位特性。在對其中某一個參數進行分析時，其他參數均保持不變。在已經得出研究結果的情況下，本文只給出對傳輸特性影響較大的參數的掃描分析結果。

雙螺旋單元的縱向尺寸w1對結構的傳輸特性的影響效果如圖 4 所示。 取不同的 w1（w1=2.3 mm，2.9 mm，3.5 mm）掃描，得到如圖4所示的S參數的幅度特性和相位特性隨w1變化的曲線。從圖4（a）中可以看出，隨著w1的增大，傳輸線的阻帶向低頻段移動，阻帶寬度逐漸增加。從圖4（b）中可以看出，DMRC結構的相位特性隨著w1的增大出現滯后效應。

圖4 w1對幅度特性和相位特性的影響Fig.4 Influenced on the amplitude and phase characteristics with different w1

雙螺旋單元的線寬w2對結構的傳輸特性的影響效果如圖 5 所示，取不同的 w2(w2=0.1 mm，0.2 mm，0.3 mm)，得到如圖5所示的S參數的幅度特性和結構相位特性隨w2變化的曲線。從圖5（a）中可以看出，隨著w2的增加，在阻帶頻率升高的同時帶寬逐漸減小；從圖5（b）中可以看出，DMRC結構相位特性隨著w2的增大逐漸超前。值得注意的是，當w2=0.1 mm時，整體的相位都不會大于零，這與其余兩個參數有所不同。

最后討論l1的變化對結構的幅度和相位特性產生的影響，取不同的 l1（l1=0．5 mm，1．0 mm，1．5 mm），圖 6 給出了特性曲線的仿真。從圖6（a）中可以看出，隨著l1的增加，阻帶對應的頻點會降低，且阻帶寬度會逐漸增加；從圖6（b）中可以看出，隨著l1的增加DMRC結構的相位特性也會隨著阻帶頻點的降低而滯后。

圖6 l1對幅度特性和相位特性的影響Fig．6 Influenced on the amplitude and phase characteristics with different l1

3 小型化分支線耦合器設計

根據上述對基于DMRC結構的傳輸線相位特性的分析，可以通過調節諧振器的尺寸來調節傳輸線的相位特性。本文中將傳輸線的工作頻率設計為0．98 GHz。傳輸線是由兩個相同的 DMRC組成，且特性阻抗為35 Ω和 50 Ω，圖 7給出了分支線耦合器的結構示意圖。

圖7 小型化分支線耦合器結構示意圖Fig．7 Structure schematic diagram of diagram of miniaturized branchline coupler

根據優化仿真得到的結果分支線耦合器50 Ω傳輸線的長度為14 mm，其中的Cell1的結構參數為：w1=6．3 mm，w2=0．2 mm，g1=0．2 mm，g2=0．2 mm，l1=3．4 mm。 單元之間的距離為0．6 mm。 35 Ω 傳輸線的長度為 10．6 mm，其中 Cell2 的結構參數 為 ：w1=3．7 mm，w2=0．2 mm，g1=0．2 mm，g2=0．2 mm，l1=5．8 mm，單元之間的距離為0．4 mm。

為了驗證分析的有效性，對所設計的分支線耦合器進行加工和測試，圖8、9和10給出了所設計的分支線耦合器的仿真結果和測試結果。

從圖8和9的測試結果中可以看出，在0．98 GHz時，S11>20 dB，S21>25 dB，S31=3．94 dB，S41=3．11 dB； 從圖 10 可以看出 port3 和 port4 的輸出相位差為 89．3°。 在 0．96～1 GHz頻帶范圍內|S31－3|<1 dB，|S41－3|<1 dB。圖11給出了小型分支線耦合器與傳統結構的對比圖，本文所設計的分支線耦合器的有效面積為44．4 mm×29．4 mm，而工作于相同頻帶的傳統分支線耦合器的有效面積為63.8 mm×55 mm。本文所設計的分支線耦合器的有效面積僅為工作于相同頻帶的傳統的分支線耦合器的37.2%。

圖8 小型化分支線耦合器仿真結果Fig．8 Simulation results of miniaturized branch－line coupler

圖9 小型化分支線耦合器測試結果Fig．9 Measure results of miniaturized branch－line coupler

圖10 小型化分支線耦合器輸出端口相位差Fig．10 The phase difference of miniaturized branch－line coupler’s output port

圖11 小型化分支線耦合與傳統結構對比圖Fig.11 Comparison Chart between miniaturized branch-line coupler and traditional structure

4 結論

本文提出了一種新型雙螺旋微帶缺陷單元，并仿真研究了其各結構參數變化時的幅度特性和相位特性。基于該新型雙螺旋缺陷結構所具有的相位調節特性設計了一個小型化分支線耦合器。仿真和實驗測試結果表明：該分支線耦合器在工作頻率0.98 GHz較好地實現了小型化，其有效面積減小了62.8%，有利于推廣應用，并避免了后向輻射的問題，具有重要的實用價值。

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