大頻率比雙頻分支線定向耦合器設計

孫如英 ,韓榮蒼 ,盧忠亮 ,陳慶虎

(1.臨沂大學 電子工程系,山東 臨沂 276000;2.武漢大學 電子信息學院,湖北 武漢 430072;3.江西理工大學 信息工程學院,江西 贛州 341000)

分支線定向耦合器是最常用的微波無源器件之一,這類耦合器的特點是兩個輸出端口提供了一對幅度相等、相位正交的兩路信號,因此它們通常用于微波平衡放大器、調制器、鏡頻抑制混頻器和微波整流器等常用電路[1-5],以實現良好的回波損耗及對雜散信號的高效抑制。多頻段定向耦合器是設計多頻段無線通信系統的關鍵部件,是提高多波段通信系統電磁波能量傳輸效率的有效途徑。雙頻分支線定向耦合器的結構和設計方法有多種,利用T 形傳輸線(Transmission Line,TL)[6-8]、π 形TL[9-11]和耦合線[12-14]均可實現雙頻設計,這三類方案在工程中比較常用。另外,通過端口擴展[15-17]技術和左右手傳輸線[18-19]也可實現雙頻工作,但分析方法更為復雜。在工藝上,定向耦合器一般采用平面印刷電路結構。然而,由于印刷電路板線寬(決定阻抗大小)的限制,大多數雙頻耦合器[6-19]實現的頻率比(fH/fL)都小于4(其中fH和fL分別是耦合器上、下工作頻帶的中心頻率)。低fH/fL比不足以滿足某些工業應用,例如4G 長期演進(LTE)移動通信系統和工業科學與醫學(ISM)頻帶,它們分別需要在700,1800,2600,3600 MHz (4G-LTE)頻段和900,2400,5800 MHz (ISM)頻段下工作。所以,在這種情況下,設計fH/fL=3600/700=5.14 和fH/fL=5800/915=6.34 的大頻率比雙頻微波器件是很有必要的。

本文提出了將階梯阻抗傳輸線等效為λ/4 傳輸線的設計理念,建立了模型和傳統的λ/4 傳輸線之間的等價關系,分析了階梯阻抗傳輸線的雙頻工作原理,并給出了大頻率比雙頻工作時的傳輸線阻抗和頻率比的關系。根據以上理論,設計了一款頻率比為6.34 的雙頻分支線定向耦合器,并開展了全波仿真研究和實驗研究,實驗結果均驗證了設計理念的正確性和可行性。

1 工作原理分析

1.1 奇偶模分析

本文提出的大頻率比雙頻定向耦合器等效電路如圖1(a)所示,圖1(b)為傳統的單頻定向耦合器的結構圖。在圖1(a)中采用了階梯阻抗傳輸線替代傳統耦合器的λ/4 主傳輸線,其中階梯阻抗傳輸線的特性阻抗分別為Z1、Z2、Z3和Z4,電長度均為θ,通過合理設計階梯阻抗的阻抗值可調節兩個工作頻點的頻率比,從而實現雙頻特性。

圖1 定向耦合器電路結構圖Fig.1 Equivalent circuit of the directional coupler

將階梯阻抗傳輸線視為等效λ/4 傳輸線,采用奇偶模分析法對其進行等效分析,并求得所需要的階梯阻抗傳輸線的阻抗值。

圖2 為傳統的λ/4 傳輸線和階梯阻抗傳輸線模型的對比關系。在理論分析時將階梯阻抗傳輸線視為等效λ/4 傳輸線。傳統的λ/4 傳輸線和階梯阻抗傳輸線的偶奇模等效電路分別如圖3 和圖4 所示。

圖2 階梯阻抗傳輸線等效模型Fig.2 Equivalent model of stepped impedance transmission line

圖3 傳輸線偶模等效電路Fig.3 Even mode equivalent circuit of transmission line

圖4 傳輸線奇模等效電路Fig.4 Odd mode equivalent circuit of transmission line

在偶模激勵下,設Zin1、Zin2分別為傳統的λ/4 傳輸線和階梯阻抗傳輸線的輸入阻抗,應用傳輸線方程可以得到式(1)和(2):

這兩種電路結構是等價的,所以它們的阻抗也應該相等,即Zin1=Zin2,則:

在奇模激勵下,設Zin3、Zin4分別為傳統的λ/4 傳輸線和階梯阻抗傳輸線的輸入阻抗,應用傳輸線方程可以得到式(4)和(5):

這兩種電路結構是等價的,所以它們的阻抗也應該相等,即Zin3=Zin4,則:

聯立式(3)和(6),并令a=tanθ,b=tan(θ/2),可求得Z1,Z2的一組解為:

其中:

令θ1、θ2分別為微帶線的兩個工作頻段中心頻率f1、f2所對應的電長度,且滿足如下關系:

令k=f2/f1,根據電長度與頻率比的關系可得:

這里,θ可以取式(10)中的任意一個值?；谝陨戏治?可以求出不同頻率比情形下的耦合器的阻抗參數,從而可以根據需要設計不同頻率比的雙頻定向耦合器。

1.2 頻率比與阻抗參數的關系

對比圖1 中大頻率比雙頻定向耦合器和傳統單頻定向耦合器的結構可知,階梯阻抗為Z1和Z2的傳輸線可以等效成阻抗為Zc1的λ/4 傳輸線,階梯阻抗為Z3和Z4的傳輸線可以等效成阻抗為Zc2的λ/4 傳輸線。令Zc1=35.36 Ω,Zc2=50 Ω,根據式(7)和θ的取值分別求出Z1、Z2、Z3、Z4的值,它們隨頻率比k的變化規律如圖5 所示。由圖5 可知,隨著頻率比k的增加,阻抗Z1、Z3增加,阻抗Z2、Z4減小。當k>10 后,Z3>164 Ω,Z2<11 Ω,此時由于阻抗比太大,采用傳統微帶線工藝將難以實現。所以k的取值范圍以5

圖5 頻率比與阻抗參數的變化關系Fig.5 Transmission line impedances of the coupler with varying frequency ratio

根據阻抗參數與散射矩陣參數的轉換關系[20],可以求出k=6.34 時定向耦合器的S參數和輸出相位差隨頻率的變化關系理論曲線,如圖6 所示。理論上,在k=6.34 時該定向耦合器的兩個工作頻段的中心頻率分別為915 MHz 和5800 MHz。

圖6 k=6.34 時耦合器的S 參數與輸出端口相位差理論曲線Fig.6 Calculated S parameters and phase shift of coupler when k=6.34

2 全波仿真和實驗結果

為了驗證本文提出的設計理念,設計了一款工作頻率分別在915 MHz 和5800 MHz 的頻率比為6.34 的雙頻分支線定向耦合器。該雙頻定向耦合器的設計步驟如下:

(1)設定端口阻抗Z0為50 Ω;

(2)依據具體的技術指標要求,結合圖5,根據兩個波段的中心頻率關系,選定頻率比k,再根據公式(10)確定耦合微帶線的電長度θ;

(3)根據圖1 中階梯阻抗傳輸線和傳統λ/4 傳輸線的對應關系,令Zc1=35.36 Ω,Zc2=50 Ω,根據公式(7)以及θ的取值分別求出Z1、Z2、Z3、Z4的值;

(4)基于以上過程求出耦合器全部參數值后,在HFSS 15.0 中建模,并進行全波模擬以及參數優化;

(5)加工器件樣品,用矢量網絡分析儀測試散射參數,完成實驗驗證。

設計樣品采用微波介質基板F4B-2,基板厚度為1 mm,相對介電常數為2.65,損耗角正切為0.003。為簡便起見,耦合器輸入、輸出端口阻抗均設定為50 Ω。該雙頻耦合器的具體電參數:θ=24.5°,Z1=66.2 Ω,Z2=18.9 Ω,Z3=93.6 Ω,Z4=26.7 Ω。耦合器結構和幾何參數如圖7(a)所示,其中w1=0.85 mm,w2=6.56 mm,L1=16.5 mm,L2=13.6 mm,w3=1.72 mm,w4=10 mm,L3=14.4 mm,L4=13.8 mm。圖7(b)為耦合器實物照片。

圖7 耦合器版圖結構和實物圖Fig.7 Layout and photograph of the proposed coupler

提出的大頻率比雙頻分支線定向耦合器仿真和測試結果如圖8～10 所示。圖8 顯示耦合器的兩個工作頻段的中心頻率為915 MHz 和5800 MHz,在兩個諧振點處,輸入端口反射系數S11的幅度測試值分別為-42.8 dB和-23 dB。圖9 表明耦合器具有良好的輸出隔離度,在兩個頻點處,端口隔離度S23的測試值分別為-31.3 dB 和-30.9 dB。圖10 呈現了耦合器的低插損特性,傳輸系數S12和S13的測試值在915 MHz 時分別為-3.12 dB 和-3.30 dB,不平衡度僅為0.18 dB,在5820 MHz 時傳輸系數S12和S13分別為-3.77 dB 和-4.24 dB,不平衡度為0.47 dB。

圖8 耦合器反射系數仿真與實測結果Fig.8 Simulated and measured reflection coefficient of the coupler

圖9 耦合器輸出端口隔離度仿真與實測結果Fig.9 Simulated and measured output port isolation of the coupler

圖10 耦合器傳輸系數仿真與實測結果Fig.10 Simulated and measured transmission coefficients of the coupler

兩個輸出端口之間的輸出相位差測試結果如圖11所示,在兩個工作頻點處,相位差分別為89.9°和85.8°。限定輸入端口回波損耗(RL)大于15 dB (S11<-15 dB),輸出端口幅度不平衡度(AIB)小于0.5 dB,且最大相位偏差(PE)為5°,端口隔離度大于15 dB時,耦合器在兩個工作頻帶內的帶寬分別為170 MHz和160 MHz,詳細指標見表1。

圖11 耦合器輸出相位差仿真與實測結果Fig.11 Simulated and measured output phase shift of the coupler

表1 大頻率比雙頻耦合器的實驗性能Tab.1 Experimental performance of dual-band coupler with large frequency ratio

3 結論

本文提出了一種采用階梯阻抗變換的大頻率比雙頻分支線定向耦合器的設計方法,并制作了一幅頻率比為6.34,中心頻率分別為915 MHz 和5800 MHz 的雙頻耦合器。該耦合器采用標準的印制電路板工藝,結構簡單,性能良好,適用于微波集成電路系統,在無線通信射頻技術中具有廣泛的應用前景。需要指出的是,利用本文所提出的設計方法,還可以開發其他雙頻微波組件,如鼠籠式耦合器和威爾金森功分器等。