Lange耦合器仿真

北京理工大學信息與電子學院 王潤澤 陳清儒

Lange耦合器仿真

北京理工大學信息與電子學院 王潤澤 陳清儒

定向耦合器是微波系統中應用廣泛的一種微波器件，它的本質是將微波信號按一定的比例進行功率分配。定向耦合器在微波波段有著廣泛的應用，其主要用途有用來監視功率、頻率和頻譜，把功率進行分配和合成，構成平衡混頻器和測量電橋，利用定向耦合器來測量反射功率系數和功率。本文首先介紹了基本的定向耦合器的概念和原理，然后利用 ADS 電路仿真軟件，設計了一種微帶型 Lange 定向耦合器，并對初次仿真的結果進行了優化，達到最好的阻抗匹配，得到了滿足指標要求的結果。最后，畫出了該 Lange 定向耦合器電路的版圖。

微帶；ADS；定向耦合器；阻抗匹配

0 引言

近年來，隨著信息技術的不斷發展，寬帶定向耦合器作為一個重要的微波電路已深入研究，并廣泛應用于功分器，波束形成網絡，微波混頻器等子系統。為了方便攜帶和移動，小型化的無線電設備是未來的發展趨勢，而移動通信所要使用的頻段處于微波范圍，因此要實現微波電路的更高頻率化、小型化和固體化，不僅在實用方面，而且在學術方面都是有很重要的研究價值[1]。

本文涉及到的耦合器其實和功分器在其本質上都是用來分配信號的，功分器是平均分配功率（也就是說每個輸出口的功率都是相等的），而耦合器則是不均勻的分配功率，耦合器分為輸入端、耦合端、直通端、以及隔離端。耦合端功率相比較直通端小。耦合度表示的是耦合端口相對于直通端口的衰減數值。功分器比較適合并聯，可以連接天線的數量多，但就是信號損耗比較大。耦合器相對適合串聯，雖然可以連接天線的數量少。但是線路可以走的很長，而且損耗比較小。因此研究耦合器是很有意義的[2]。

定向耦合器通常是有兩種形式實現的，分別是 Lange耦合器和帶線耦合器。而帶線耦合器雖然對電路制作工藝的要求相對較低，但是存在結構復雜、體積大以及集成比較困難等缺點。Lange耦合器確是具有結構緊湊，便于集成的優點，不過一般使用的是陶瓷基板，對電路制作的要求較高，加工所需工藝和成本卻限制了它的應用。

傳統的定向耦合器雖然具有可以設計成任意功率分配比例的優點，但是體積大，對微波集成化方向的發展是不利的，因此尋找功能獨特和性能更好的小型定向耦合器，一直都是人們要研究的課題之一。而微帶型定向耦合器則是由于具有結構緊湊、制作簡單以及便于和其他電路集成等的優點，目前已經引起了人們研究的極大興趣，未來的耦合器必然會向著集成化和小型化方向發展。

同時，用微帶線設計的微波元器件，是可以直接做在電路板上，不僅具有所占空間小，而且具有易于和其它電路元件連接的特點。因為微帶線具有上述特點，所以用它來做微波電路。這將有助于提高微波集成電路的集成度[3]。

1 耦合器結構設計

Lange耦合器（Lange-coupler）：在一個薄介質基片上，把兩根傳輸線放置在足夠近的位置使得一條線上的功率可以耦合到另一條線上的元件[4]。

1.1 定向耦合器的技術基礎

定向耦合器屬于無緣微波器件，通常為四端口器件，分別為輸入端口、直通端口、耦合端口和隔離端口。定向耦合器可以設計為任意功率分配比，被廣泛應用于功率分配和功率合成。

普通的平行耦合微帶線定向耦合器一般用于較弱的耦合情況，而Lange耦合器可以用于偶和較強的情況，通常設計為3dB耦合。Lange耦合器不僅能有效地克服了普通耦合線耦合器耦合時過于松散的缺點，并且具有一個倍頻程或更寬的帶寬[5]。

1.2 Lange耦合器基本工作原理

圖1 Lange耦合器基本工作原理

Lange耦合器的結構如圖1所示。端口1的輸入功率一部分直接傳送給直通端口2，另外一部分耦合到耦合端口3，在理想的定向耦合器中，沒有功率傳送到隔離端口4。Lange耦合器的直通端口2與耦合端口3之間有90°的相位差，可見Lange耦合器是正交耦合器。圖中，Z0為輸入輸出微帶線的特性阻抗；W為微帶線的寬度，S為微帶線之間的間距；λ/4為工作帶寬中心頻點處的四分之一波長。這種結構因為在很寬 的頻率范圍內補償了奇模、偶模相速不相等，所以提高了耦合器性能，可以達到1～1.5 個倍頻程。[6]

1.3 耦合器結構設計

使用εr= 9.6氧化鋁基板制作3dB lange耦合器時有經驗公式適用于微帶線：

其中，W是微帶線寬；S為微帶線之間的間距；H為微帶線羈絆的厚度；λ/4為工作帶寬中心頻點處的四分之一波長。

頻帶范圍：0～20GHZ；中心頻點：12GHz；已知H=15.0mil，由公式推導可得W=1.6505mil，S=1.065mil。中心頻點為f0=12GHz，所以L=100mil。

2 耦合器仿真結果及分析

在ads2008中建立仿真模型圖1：

圖2 耦合器結構

耦合器初步仿真結果如下：

圖3 S參數仿真結果

圖4 輸入駐波比swr仿真結果

圖5 Ratio的相位參數

圖6 定向度

指標規定：

在8～16GHz的倍頻程內的輸入駐波比：ρ＜1.2；在中心頻點處的磨損和耦合度:2.9dB＜IL=C＜3.1dB；在8～16GHz的倍頻程內的定向度：D＞17dB在8～16GHz的倍頻程內的隔離度：I＞20dB；耦合度C=-20lgS31；隔離度I=-20lgS41；定向度D=-20lg(S41/S31)；插入損耗IL=-20lgS21；駐波比可以看出由經驗公式得出的參數并沒有達標。

利用軟件控件進行優化：

Ads2008自帶的控件VAR，通過在optim器件中設置要更改的參數，在goal器件中設置理想設計指標，軟件會自行通過累試的方法進行參數優化。

圖7 參數優化元件參數

優化后的耦合器參數：

圖8 優化后的S參數

圖9 優化后的swr

圖10 優化后的定向度

圖11 lange耦合器版圖

3 結論

本文設計了一種微帶型lange耦合器。通過計算機累試，滿足了設計的需要。耦合器的ads2008軟件仿真結果完全符合設計題目要求，即頻帶范圍：0～20GHZ；中心頻點：12GHz；在8～16GHz的倍頻程內的輸入駐波比：ρ＜1.2；在中心頻點處的磨損和耦合度:2.9dB＜IL=C＜3.1dB；在8～16GHz的倍頻程內的定向度：D＞17dB；在8～16GHz的倍頻程內的隔離度：I＞20dB。基本達到了設計的目標。

[1]Design of Ultra-Wideband Directional Coupler Utilizing Continuous Zigzag Capacitive Compensation[J]．Progress In Electromagnetics Research Letters,Vol．2015,54：67-70．

[2]Design of Cmos Quadrature Vco Using Onchip Trance-Directional Couplers[J]．Progress In Electromagnetics Research,Vol．2010,106．

[3]吳丹丹．微帶型Lange定向耦合器的仿真設計[J]．陜西理工學院,2016．

[4]CHIUJC,LINJM,HOUNG M P,etalA PCB-compatible 3 dB coupler using microstrip-to-CPW Via-Hole transitions[J]．IEEE Microware and Wireless Components Letters,2006,16(6)：369-371．

[5]徐興福．DS2008射頻電路設計與仿真實例[M]．電子工業出版社,2009：322．

[6]張靜,劉芫健．一種新型的正交多層Lange耦合器的仿真與研究[J]．微型機與應用,Microcomputer & Its Applications,2016(08)．

Lange Coupler Simulation

Wang Ruzne Chen Qingru
（School of Information and Electronics，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China）

Directional coupler is a kind of microwave devices are widely used in microwave system，it is the essence of the microwave signal power distribution according to a certain proportion of the directional coupler.Directional couplers are widely applied in microwave band，its main purpose is to monitor the power，frequency and spectrum，the power distribution and synthesis，a balanced mixer and a bridge，to measure the power reflection coefficient and power by using a directional coupler.The result is optimized after the initial simulation until it meets the design target.Finally，the layout of the power divider is pictured with ADS.

microstrip；Advanced Design System；Directional coupler；Impedance matching