寬帶微帶正交耦合器設計

高 凱，孫如英，韓榮蒼

（臨沂大學 物理與電子工程學院，山東 臨沂 276000）

1 正交耦合器設計概述

近年來寬帶通信技術由于具有傳輸速率高、容量大、硬件成本低等突出優勢，受到廣泛關注。寬帶/多波段電子信息系統必須具備相應的寬帶/多波段射頻前端設備，例如放大器、耦合器、濾波器、天線等。特別是在接收或發射圓極化波的無線電子系統射頻前端中，正交耦合器是必不可少的元件之一[1-2]。所以，這類器件廣泛應用于衛星導航、電子對抗、射頻識別和無線通信系統[3]。由于PCB工藝是低廉且成熟的加工工藝，所以傳統的微波平面正交耦合器一般都采用微帶線或帶狀線設計。

經典的正交耦合器一般由功率分配器和90°移相器級聯，或采用分支線定向耦合器和環形器實現。它們都需要具備兩方面的性能，一方面要有等功率分配功能，另一方面要具有90°移相功能。然而，其經典的結構設計只有10%～20%的工作帶寬[4]，不能滿足寬帶通信系統的指標要求。本文設計了一副帶寬達50%的微帶寬帶正交耦合器，在寬帶圓極化平面天線中有廣泛的應用前景[5]。

2 微帶正交耦合器結構

本文設計的寬帶微帶正交耦合器等效電路圖如圖1所示，它由威爾金森功率分配器和一個寬帶90°移相器[5]級聯而成。威爾金森功率分配器實現等功率分配的同時，完成了輸入端口和輸出端口之間的阻抗變換。輸入信號經Port 1分兩條支路傳輸，它們分別通過1/4波長的微帶線連接寬帶90°移相器的兩個輸入端口。威爾金森功率分配器兩個輸出端口具有較高的隔離度，能保證兩路正交隔離信號的傳輸。另一方面，兩路信號的90°相位差需要在寬頻帶上持續保持，所以該寬帶正交耦合器的關鍵部分是90°移相器。

寬帶90°移相器的結構如圖1右半部分所示。移相器有兩條支路，一支路為信號參考線，采用中心頻率特性阻抗為Z4的微帶線；另一支路由兩對分別開路和短路的電長度為電長度為半波長的微帶線和1/8波長的微帶線組成，設計時分別采用中心頻率特性阻抗為Z3和Z2的微帶線。該移相器的4個輸入輸出端口阻抗均相等，設為Z0。

圖1 寬帶正交耦合器等效電路

由于該正交耦合器的90°移相器的輸入端口連接威爾金森功率分配器的兩個輸出端口，且傳輸線Z3的電長度比Z4短1/4波長，所以port2和port3的輸出信號的幅度是相等的，并且相差90°相位。

3 仿真結果

設圖1所示耦合器中心頻率為6.0 GHz，設計采用微波介質基板RT/duroid 6002，厚度為0.508 mm，相對介電常數2.98，損耗角正切為0.001。3個輸入輸出端口阻抗均設為Z0=50 Ω。結合寬帶90°移相器的電參數[6]，可得該寬帶正交耦合器的具體電參數：波導波長λ=3 0.9 2 m m，和Z4=Z0=50 Ω。相應的微帶線長寬尺寸如表1所示。

表1 寬帶正交耦合器的設計參數

通過使用ANSYS HFSS 17.0軟件仿真可得寬帶正交耦合器的幅頻響應和相頻響應。耦合器的傳輸系數和反射系數響應曲線如圖2所示。圖中，傳輸系數S12和S13表明耦合器的兩輸出端口在4～8 GHz內均能實現穩定的–3 dB功率輸出，具有良好的功率分配性能；以輸入端口反射系數S11＜–10 dB計算標準，其工作帶寬大于66%；而以反射系數S11，S22和S33均小于–15 dB為計算標準，其工作帶寬也有50%，可見輸入和輸出端口間阻抗匹配性能良好。耦合器的移相特性響應曲線如圖3所示，Port 2和端Port 3之間的相位差在4～8 GHz范圍內均能實現90°左右的相移；以3°為最大相移偏差計算，其工作帶寬超過50%。綜合考慮功率分配帶寬和90°移相帶寬以及阻抗匹配帶寬的要求，在50%的頻帶上，該正交耦合器至少都具有良好的等功率分配和90°移相和阻抗匹配特性。本文提出的耦合器結構，和傳統的正交耦合器相比，帶寬提高100%以上。

4 結語

本文設計了一款高性能微帶線型寬頻帶微帶正交耦合器，其工作帶寬達到50%（S11 ≤–15 dB）。該寬帶正交耦合器由一個威爾金森功分器和一個寬帶移相器級聯構成。由于寬帶移相器的良好性能，該結構不僅能實現寬帶等功率分配和寬帶阻抗匹配，還能實現寬帶90°移相功能。與傳統的正交耦合器相比，帶寬提高100%以上。所以，該正交耦合器必在寬帶通信系統領域具有廣泛的應用前景。

圖2 寬帶正交耦合器的傳輸系數和反射系數曲線

圖3 寬帶正交耦合器的移相特性響應曲線

[參考文獻]

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[2]鐘順時.微帶天線理論與應用[M].西安：西安電子科技大學出版社，1991.

[3]WANG J H.Antennas for global navigation satellite system（GNSS）[J].IEEE Proceedings，2012（7）：2349-2355.

[4]POZAR D M.Microwave Engineering[M].4th edition.New Jersey：John Wiley & Sons，Hoboken，2012.

[5]韓榮蒼. 寬帶圓極化與雙極化介質諧振器天線[D].上海：上海大學，2009.

[6]SAI H Y，KIM F M，WING S C.A bandwidth improved circular polarized slot antenna using a slot composed of multiple circular sectors[J].IEEE Trans. Antennas Propagat，2011（8）：3065-3070.