基于DMRC結(jié)構(gòu)的小型分支線耦合器設(shè)計(jì)

文 科 ，宗彬鋒 ，李天鵬，檀蕊蓮

（1.空軍西安飛行學(xué)院 陜 西 西 安 7 10306；2.空軍工程大學(xué) 陜 西 西 安 7 10051；3.武警工程大學(xué) 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(xiàn)代通信系統(tǒng)小型化程度的不斷提高，工程應(yīng)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(fù)合左右手傳輸線在小型分支線耦合器設(shè)計(jì)中得到了較好的應(yīng)用：文獻(xiàn)[6]和[7]均采用逆開環(huán)諧振器設(shè)計(jì)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(xiàn)[8]采用集總元件加載的復(fù)合左右手傳輸線設(shè)計(jì)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(shù)來實(shí)現(xiàn)慢波效應(yīng)：文獻(xiàn)[9]采用了一種新型的微帶諧振單元。但是由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜且設(shè)計(jì)和調(diào)試過程繁瑣，因此不利于推廣應(yīng)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(fā)現(xiàn)其具有良好的帶阻特性和慢波效應(yīng)。然后，研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)對傳輸特性的影響，總結(jié)了設(shè)計(jì)規(guī)律。最后，運(yùn)用該新型微帶螺旋缺陷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一個小型化分支線耦合器，該分支線耦合器不僅實(shí)現(xiàn)了小型化，而且避免了后向輻射的問題。

1 DMRC結(jié)構(gòu)研究

本文融合微帶諧振器小型化中復(fù)合左右手傳輸線和微帶缺陷結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。其中深色部分為金屬微帶線，白色部分為腐蝕的螺旋結(jié)構(gòu)，采用50 Ω微帶線。為了表述方便，將腐蝕的螺旋結(jié)構(gòu)單元單獨(dú)畫出。

圖1 DMRC結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure schematic diagram of DMRC

為了了解所提出DMRC結(jié)構(gòu)的特性，在仿真軟件HFSS中建立模型，并給定一組參數(shù)：w1=3.7 mm，w2=0.2 mm，g1=0.2 mm，g2=0.2 mm，l1=3.6 mm。對該結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行仿真，介質(zhì)板采用相對介電常數(shù)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(jié)果，從圖中可以看出，S參數(shù)曲線在2 GHz處有一個傳輸零點(diǎn)，這證明該結(jié)構(gòu)具有帶阻效應(yīng)。

圖2 DMRC結(jié)構(gòu)的傳輸特性Fig.2 Transmission characteristics of a DMRC structure

圖3 給出了等長的傳統(tǒng)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(jié)構(gòu)后，有明顯的相位滯后效應(yīng)，這也是該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)小型化的重要依據(jù)之一。

2 結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

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

為了對DMRC結(jié)構(gòu)有一個更加直觀的認(rèn)識，并為后續(xù)的研究設(shè)計(jì)提高效率，需要對結(jié)構(gòu)參數(shù)特性進(jìn)行詳細(xì)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(shù)進(jìn)行分析時，其他參數(shù)均保持不變。在已經(jīng)得出研究結(jié)果的情況下，本文只給出對傳輸特性影響較大的參數(shù)的掃描分析結(jié)果。

雙螺旋單元的縱向尺寸w1對結(jié)構(gòu)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(shù)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(jié)構(gòu)的相位特性隨著w1的增大出現(xiàn)滯后效應(yīng)。

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(jié)構(gòu)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(shù)的幅度特性和結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)相位特性隨著w2的增大逐漸超前。值得注意的是，當(dāng)w2=0.1 mm時，整體的相位都不會大于零，這與其余兩個參數(shù)有所不同。

最后討論l1的變化對結(jié)構(gòu)的幅度和相位特性產(chǎn)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(yīng)的頻點(diǎn)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(jié)構(gòu)的相位特性也會隨著阻帶頻點(diǎn)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(shè)計(jì)

根據(jù)上述對基于DMRC結(jié)構(gòu)的傳輸線相位特性的分析，可以通過調(diào)節(jié)諧振器的尺寸來調(diào)節(jié)傳輸線的相位特性。本文中將傳輸線的工作頻率設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)示意圖。

圖7 小型化分支線耦合器結(jié)構(gòu)示意圖Fig．7 Structure schematic diagram of diagram of miniaturized branchline coupler

根據(jù)優(yōu)化仿真得到的結(jié)果分支線耦合器50 Ω傳輸線的長度為14 mm，其中的Cell1的結(jié)構(gòu)參數(shù)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(jié)構(gòu)參數(shù) 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(yàn)證分析的有效性，對所設(shè)計(jì)的分支線耦合器進(jìn)行加工和測試，圖8、9和10給出了所設(shè)計(jì)的分支線耦合器的仿真結(jié)果和測試結(jié)果。

從圖8和9的測試結(jié)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(nèi)|S31－3|<1 dB，|S41－3|<1 dB。圖11給出了小型分支線耦合器與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的對比圖，本文所設(shè)計(jì)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(tǒng)分支線耦合器的有效面積為63.8 mm×55 mm。本文所設(shè)計(jì)的分支線耦合器的有效面積僅為工作于相同頻帶的傳統(tǒng)的分支線耦合器的37.2%。

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

圖9 小型化分支線耦合器測試結(jié)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(tǒng)結(jié)構(gòu)對比圖Fig.11 Comparison Chart between miniaturized branch-line coupler and traditional structure

4 結(jié)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(jié)構(gòu)參數(shù)變化時的幅度特性和相位特性。基于該新型雙螺旋缺陷結(jié)構(gòu)所具有的相位調(diào)節(jié)特性設(shè)計(jì)了一個小型化分支線耦合器。仿真和實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明：該分支線耦合器在工作頻率0.98 GHz較好地實(shí)現(xiàn)了小型化，其有效面積減小了62.8%，有利于推廣應(yīng)用，并避免了后向輻射的問題，具有重要的實(shí)用價值。

[1]逯科.新型超材料單元設(shè)計(jì)及其在微波工程中的應(yīng)用研究[D].西安:空軍工程大學(xué)，2012.

[2]Liao S S，Peng J T.Compact planar micro-strip branch-line couplers using the quasi-lumped elements approach with nonsymmetrical and symmetrical T-Shaped structure[J].IEEE Trans.Microw.Theory Tech，2006，54(9)：3508-3513.

[3]劉瀟，李超，李芳.利用復(fù)合左右手傳輸線設(shè)計(jì)任意雙頻微帶分支線定向耦合器 [J].電子與信息學(xué)報，2009，31(2)：480-483.LIU Xiao，LI Chao，LI Fang.Arbitrary dual-band microstrip branch-line coupler using composite right/left handed transmission lines[J].Journal of Electronics&Information Technology，2009，31(2)：480-483.

[4]陳佳，張紹洲.微帶分支線定向耦合器的小型化[J].電子設(shè)計(jì)工程，2012，19(24)：108-110.CHEN Jia，ZHANG Shao-zhou.Miniaturization of microstrip branch-line coupler [J].Electronic Design Engineering，2012，19(24)：108-110.

[5]清華大學(xué)“微帶電路”編寫組.微帶電路[M].北京：人民郵電出版社，1976.

[6]Selga J，Siso′， G,Gil M，et al.Microwave circuit miniaturization with complemtary spiral resonators：application to highpass filters and dual-band components[J].Microwave and Optical Technology Letters，2009，51(11)：2741-2745.

[7]牛家曉.諧振式左手傳輸線結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2007.

[8]Lin I-H，Vincentis M D，Caloz C，et al.Arbitrary dual-band components using composite right/left-handed transmission lines[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2004，52(4)：1142-1149.

[9]Zhang F.Miniaturized and harmonics-rejected slow-wave branch-line coupler based on microstrip electromagnetic bandgap element[J].Microwave and Optical Technology Letters，2009，51(4)：1080-1084.

[10]Mandal M K，Velidi V K，Bhattacharya A,et al.Miniaturized quadrature hybrid coupler using high impedance lines[J].Microwave and Optical Technology Letters，2008，50(5)：1135-1137.