寬帶帶狀線定向耦合器的設計*

蔡德龍，劉成安，蔡鐘斌，呂　濤

(西南科技大學 國防科技學院，四川 綿陽 621010)

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寬帶帶狀線定向耦合器的設計*

蔡德龍，劉成安，蔡鐘斌，呂濤

(西南科技大學 國防科技學院，四川 綿陽 621010)

多階1/4波長濾波器理論為寬帶定向耦合器的研究提供了依據，利用該方法設計了應用頻段為2～6 GHz的多節3 dB的交錯耦合帶狀線定向耦合器，并利用電磁仿真軟件HFSS進行仿真。仿真結果表明，該帶狀線耦合器具有良好的方向性、較高的耦合度和較低的插損，從而為這類寬帶強耦合度耦合器的研究提供了一定的參考價值。

無線電電子學；帶狀線耦合器；寬帶；電磁仿真；HFSS

引用格式：蔡德龍，劉成安，蔡鐘斌，等. 寬帶帶狀線定向耦合器的設計[J].微型機與應用，2016,35(18)：66-68.

0　引言

耦合器是現代微波工程測試技術中廣泛用到的無源器件,其主要作用是將微波信號進行某個方向的功率耦合，將耦合后的功率信號進行檢測、調節等處理。定向耦合器因其體積小、損耗低、可靠性高而備受青睞。隨著微波工程技術的發展，各種形式的耦合器得到了研究與應用。參考文獻[1]提出了一個應用于8～12 GHz的E面波導3 dB耦合器的改進型結構。參考文獻[2]報道了基于波導的Q波段3 dB環形電橋的設計，證明了這種環形電橋在該頻段良好的電磁性能。參考文獻[3]提出了一種應用于2～20 GHz的新拓撲超寬帶20 dB的定向耦合器，在通帶內取得滿意的效果。

但以上研究均存在一些不足，就是其相對帶寬較窄，在實際應用上具有一定的局限性，當帶寬較寬時，難以實現強耦合[3]。由于波導本身截止頻率的約束，對于寬帶跨波段耦合器的研究則無法再使用波導的形式來實現。相對于常用的微帶線，采用帶狀線形式的傳輸線具有更高的功率容量和更低的輻射損耗。利用帶狀線3 dB耦合器作為功分/合成網絡，可以研制更大功率的固態功放[4]。

1　耦合器的基本結構

圖1　平行線耦合器結構示意圖

常見的耦合器基本結構如圖1所示，其耦合原理在一些文獻中有詳細的闡述[5]。當P1為輸入信號端口時，P2端口則為直通端口，P3端口為耦合端口，P4端口為隔離端口。其中，平行耦合線的長度等于中心頻率對應波長的1/4。

以上結構的耦合器因具有結構簡單、尺寸小、制造方便等優點得到了較為廣泛的應用。由于采用這種單節耦合線，使得該定向耦合器也存在一些不足，即無法達到足夠的帶寬。為了達到這一要求，采用多節1/4平行耦合線是一種較為有效的方法。參考文獻[6]提出的3/4波長耦合線寬邊耦合器就是對該方法的成功實踐。參考文獻[7]采用襯底型五級平行耦合帶狀線實現了6 dB超寬帶耦合器的研究。可見通過多節1/4波長平行耦合線研制的耦合器可以顯著擴展帶寬。

圖2　平行寬邊帶狀耦合線結構示意圖

平行寬邊帶狀耦合線結構如圖2所示。導體平行置于間距為B的兩接地板之間，中間填充介電常數為εr的介質，導體間距為S，兩導體水平偏移為W0，由于導體之間、導體與介質之間有著較強的介質耦合，故利用該結構可以研制強耦合度的耦合器。

2　設計流程

2.1設計指標

根據項目要求，所要設計的耦合器指標如表1所示。

表1　設計指標

2.2設計思路

根據設計指標，所設計的3 dB帶狀線耦合器屬于強耦合度的耦合器。采用多節1/4波長帶狀線即使兩帶狀線完全重疊也難以達到3 dB耦合度的要求。參考文獻[8]通過兩個單節級聯帶狀線耦合器研制的3 dB耦合器在8～12 GHz取得了令人滿意的效果。因此考慮使用完全相同的兩個8.34 dB的帶狀線耦合器級聯來達到設計要求。

首先根據設計指標可知，其帶內中心頻率f0=(f1+f2)/2=4 GHz，由帶寬公式B=f2/f1和相對帶寬公式W=BW/f0(其中B、W為絕對帶寬)確定該耦合器的帶寬B=3以及相對帶寬W=1.043 55，在滿足設計要求的情況下，應當考慮小型化問題，級盡可能地使得節數n更小。通過查詢切比雪夫耦合傳輸線定向耦合器歸一偶模阻抗數值表，得到如表2所示[9]的數據。

表2　設計數據

其中，δ是理想情況下的紋波，單位是dB。由于所設計的是多節對稱耦合型耦合器，且

Zi=Zn-i+1

(1)

故Z3=Z1，以此計算得到奇偶模阻抗值如表3所示。

擬選取TACONIC公司的介電常數εr=2.65的PCB板材，利用ADS中的傳輸線計算工具可以計算線寬W。上下導體的間距S設置為0.254 mm，導體與地之間的介質厚度設置為0.762 mm，兩接地板之間的距離B設置為1.778 mm。經過多次迭代運算，可以得到單個帶狀線耦合器的導體寬度W與兩層導體的位移W0如表4所示。

表4　帶狀線理論計算數據

3　建模與仿真

根據以上相關數據，可以完整地建立耦合器的模型。考慮到使用兩個完全相同的耦合器級聯，故每個耦合器兩導體使用交錯耦合結構，每層導體呈中心對稱結構，如圖3所示。

圖3　交錯型帶狀線耦合器示意圖

利用全三維電磁仿真軟件HFSS，建立了圖3所示的對稱型多節帶狀線耦合器模型，由于導體很薄，信號在導體上的實際傳輸損耗非常小，故導體采用理想導體(即厚度為零)。考慮到使用兩個交錯帶狀線耦合器級聯實現3 dB強耦合，建模的時候，利用一個8.34 dB耦合器通過鏡像、合并即可實現。

由于采用多節耦合，要達到所設計的指標，需要將多個變量進行優化以尋求最佳效果。而且每相鄰兩節導體之間的不連續性比較明顯，通過在不同地方添加導體枝節的方法，可以顯著改善帶狀線導體的不連續性引起的損耗，優化反射系數。整個3 dB帶狀線耦合器模型如圖4所示。

圖4　交錯型級聯帶狀線耦合器HFSS仿真模型

4　仿真結果

在HFSS建模窗口中的分析求解欄中設置好掃描類型、求解頻率及步長，對所建立的3 dB耦合器模型進行仿真，仿真結果如圖5～圖8所示。

圖5　傳輸損耗

圖6　反射系數與隔離度

圖7　直通與耦合系數

圖8　端口駐波比

通過以上仿真結果可以看出，采用交錯型耦合結構設計的帶狀線耦合器在通帶內具有較低的損耗和較高的隔離度，耦合器的直通端口與耦合端口的電磁能量近乎均等，使得耦合器能實現良好的3 dB功率平分。

在仿真優化的過程中發現，介質厚度的變化、枝節長度和寬度的變化以及枝節所在的位置等參量都與仿真結果密切相關。中間介質的厚度越薄，耦合越緊，但隔離度

變差；上下兩層介質越薄，耦合越松，隔離度越好；同一帶寬條件下，頻率越高，其端口駐波比越差；靠近端口處的帶狀線枝節可以顯著地改善反射系數。各枝節的尺寸與具體位置是通過綜合考慮各種指標通過優化相關參數來確定的。

5　結論

本文基于多節對稱型耦合傳輸線耦合器設計思路，通過查表法設計了一款頻段位于2～6 GHz的3 dB交錯級聯帶狀線耦合器。利用HFSS對所設計的耦合器模型進行了仿真，仿真結果表明，增加導體枝節后，在2～6 GHz頻段內，所設計的耦合器的傳輸系數、反射系數和隔離度有較大的改善，其指標都滿足預期指標要求，也易實現小型化。利用該方法可以設計這類帶寬更寬的耦合器。

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[2] 謝曉峰，沈川，肖仕偉.Q波段波導環形電橋的設計與實現[J].微波學報，2012(S2)：270-273.

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[5] 張文波.3 dB定向耦合器及其在調頻廣播中的應用[J].現代電子技術，2012，35(11):105-107.

[6] 張媛.帶狀線寬頻帶90°電橋的設計[J].遙測遙控，2004，25(5):48-51.

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[9] 甘本祓，吳萬春.現代微波濾波器的結構與設計(下冊)[M].北京：科學出版社，1986.

Design of a broadband stripline directional coupler

Cai Delong,Liu Cheng’an,Cai Zhongbin,Lv Tao

(School of National Defense Science and Technology, Southwest University of Science and Technology, Mianyang 621010, China)

The Theories of multiple order a quarter wavelength filter provide some proofs for researching multistage symmetrical directional coupler. This paper uses this method to design a 3 dB cross coupled stripline directional coupler applied to the spectrum of 2 ～ 6 GHz, and simulates the established model by the electromagnetic simulation software HFSS. The simulation results show that the stripline coupler has a good direction, higher coupling and lower insertion loss.This method will provide a certain reference value for researching this kind of broadband and high coupling coupler.

radio electronics;stripline coupler;broadband;electromagnetic simulation;HFSS

國防科技工業技術基礎項目(JSHS2014404B002)；國家科技支撐計劃項目(2013BAH32F00)

TN622；TN603

ADOI： 10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.18.019

2016-05-21)

蔡德龍(1991-),通信作者，男, 碩士，主要研究方向：微波毫米波技術與功放組件。E-mail：275703863@qq.com。

劉成安(1965-)，男，工學碩士，副教授，碩士生導師，主要研究方向：無線網絡通信。

蔡鐘斌(1977-)，男，工學碩士，高級工程師，主要研究方向：微波電路收發系統設計。