寬帶帶狀線定向耦合器的設計分析

胡南

【摘 要】定向耦合器是微波系統中常用的一種微波器件。按照一定的比例對微波信號進行分配，是這一設備在實際應用過程中所發揮的主要作用。本文主要從寬帶帶狀定向耦合器的設計流程入手，對耦合器的設計問題進行了分析。

【關鍵詞】寬帶帶狀定向耦合器；無線電電子學；電磁仿真

0 前言

定向耦合器是應用于微波網絡分析儀、信號發生器中的功率裝置和自動增益控制系統中的重要設備。它具有著結構緊湊、小型輕便和便于制造的優點。同軸線、矩形波導、圓波導、帶狀線和微帶線是定向耦合器的主要組成部分。寬帶帶狀定向耦合器設計工作的開展，可以為寬帶功分器、毫米阻抗變換等方面的研究工作的開展提供一定的技術支持。

1 寬帶帶狀定向耦合器的設計流程

1.1 定向耦合器的設計指標

平行寬邊帶狀耦合線結構是寬帶帶狀線定向耦合器中的常用結構。在這種結構下，導體與介質之間有著較強的介質耦合效應。這一結構的應用，可以讓人們研制一些耦合度更強的耦合器設備。從耦合器的實際應用環境來看，這一設備的工作頻段在2-6GHz之間；反射系數在-20dB以內，耦合度為3dB；隔離度在-20dB以內；駐波比在1.2以內[1]。

1.2 定向耦合器的設計思路

從耦合器設計指標所反映的信息來看，耦合度為3dB的帶狀線耦合器可以被看作是具有強耦合度的耦合器。從耦合器的實際設計過程來看，多節1/4波長帶狀線并不能滿足耦合器的設計要求。根據無線電電子學領域的一些學者所獲得的研究結果，利用兩個單節級聯帶狀線耦合器研制的寬帶帶狀定向耦合器在8-12GHz取得了較為理想的結果。在筆者看來，在寬帶帶狀定向耦合器的建構過程中，人們可以利用兩個完全相同的9.34dB帶狀耦合器級聯滿足寬帶帶狀線定向耦合器的設計要求。

常見的定向耦合器中包含有4個接口。假設4個接口分別為P1、P2、P3和P4.則在P1接口為輸入信號端口的情況下，端口P2可以發揮出直通端口的作用；端口P3和端口P4可以發揮出耦合端口和隔離端口的作用。在實際應用過程中，平行耦合線的長度僅僅為中心頻率對應波長的1/4。在此基礎上，一些學者研制出了3/4波長耦合線寬邊耦合器。襯底型五級平衡耦合帶狀線研究工作的開展，可以為6dB超寬帶耦合器研究工作的開展提供一定的幫助。

根據定向耦合器帶內中心頻率計算公式、帶寬公式和相對帶寬公式，帶狀線定向耦合器兩節底板之間的間距（假設間距值為B）和兩個導體的水平偏移（假定水平偏移值為W）為絕對帶寬，在定向耦合器的帶寬B值為3，相對帶寬值W為1.043。為了滿足寬帶帶狀定向耦合器的設計要求，相關人員還需要對定向耦合器的小型化問題進行關注，并要對理想情況下的紋波和介電常數值進行確定。

ADS中的傳輸線計算工具是計算線寬和上下導體間距的重要因素。在寬帶帶狀線定向耦合器的設計過程中，上下導體之間的間距值可以被設置為0.254mm。導體與地面之間的介質厚度可以被設置為0.762mm。兩個接地板之間的距離可以被設置為1.778mm。

2 定向耦合器的主要技術指標

一般而言，定向耦合器的技術指標包含了耦合度、隔離度、插損和電壓駐波比等多種因素。假設耦合器四個端口的輸入功率定義為P1、P2、P3和P4，則耦合度可以被看作是輸入端與耦合端的功率的比值。二者之間的比值為負數，分貝數越小時，耦合性越強。

根據無線電電子學的相關知識，在定向耦合器的理想工作狀態下，設備的隔離端沒有功率輸出問題。但是在來自設計、加工方面的因素的影響下，耦合器的隔離端經常會出現功率輸出問題。因而定向耦合器的方向性就成為了耦合端與隔離端的功率比的反映。定向耦合器的隔離度為輸入端與隔離端之間的功率之比。插損可以被看作是輸入端與直通端之間的功率的比值。耦合器在一定條件下滿足一定技術指標要求的工作頻率范圍是耦合器的帶寬。它主要包含了以下幾方面內容：一是，耦合器的絕對帶寬；二是，耦合器的相對帶寬；三是，耦合器的倍頻程和帶寬比。

3 定向耦合器的仿真分析

3.1 定向耦合器的仿真設計

在無線電電子學領域，耦合器模型的建構過程需要應用兩個完全相同的耦合器級聯。為全面滿足寬帶帶狀線定向耦合器的設計需求，設計人員在耦合器設計過程中，需要在每個耦合器中使用交錯耦合結構。并要讓每一層導體呈現出中心對稱結構。在全三維電磁仿真軟件HFSS應用于寬帶帶狀線定向耦合器設計以后，導體材料需要采用厚度為零的材料，在導體自身材質的影響下，信號在導體中的實際傳遞過程可以表現出降低實際傳輸損耗的作用。由于系統中采用的耦合器級聯模式為3dB強耦合器級聯模式，因而從耦合器建模的實際過程來看，設計人員可以通過利用一個8.34dB耦合器開展鏡像處理的方式，實現耦合器系統的級聯[2]。

定向耦合器的仿真設計離不開多節耦合方式的作用。為了讓定向耦合器更好地達到實驗設備的指標要求，設計人員還需要對多個不同變量進行優化。針對耦合器中相鄰兩節導體之間所表現出來的不連續性，設計人員可以在不同區域添加導體直接，以便對帶狀線導體不連續性所引起的損耗問題進行控制。

3.2 定向耦合器的仿真結果分析

HFSS建模窗口中的分析求解欄是設置掃描類型，求解頻率和步長等內容的重要工具。從仿真結果來看，交錯性耦合結構寬帶帶狀定向耦合器中的應用，可以讓通帶內的損耗得到有效降低，這種設計形式也可以發揮出提升系統隔離度的作用。在這一設計模式下，耦合器直通端口的電磁能量與耦合端口的電磁能量值基本相等，因而耦合器在具體應用環節可以有效發揮出平分功率的作用。

除了電磁能量問題以外，仿真結果的影響因素也包含了以下幾方面內容：一是，介質厚度的變化；二是，枝節長度的變化；三是，枝節所在的位置等參量的變化情況。從前文的論述來看，中間介質的厚度是定向耦合器的耦合度的主要影響因素。中間介質厚度較薄的問題也會讓設備的隔離度有所下降。從上下兩層介質與定向耦合器耦合性與隔離度之間的關系來看，上下兩層介質愈薄，耦合器的耦合效果愈松，系統的隔離度也會有所強化。在帶寬相同的情況下，系統頻率與端口的駐波比之間存在著一種負相關關系，靠近端口處的帶狀線枝節可以發揮出改善反射系數的作用。為保障寬帶帶狀線定向耦合器的實效性，相關人員在對各種指標進行優化考慮的基礎上，需要借助優化相關參數的方式確定各個枝節的尺寸和具體位置。

4 結論

平行寬邊帶狀耦合線結構是寬帶帶狀線定向耦合器中的常用結構。襯底型五級平衡耦合帶狀線研究工作的開展，可以為6dB超寬帶耦合器研究工作的開展提供一定的幫助。定向耦合器的仿真設計離不開多節耦合方式的作用。為了讓定向耦合器更好地達到實驗的設備及指標，設計人員還需要對多個不同變量進行優化。針對耦合器中相鄰兩節導體之間所表現出來的不連續性，設計人員可以在不同區域添加導體直接，以便對帶狀線導體不連續性所引起的損耗問題進行控制。中間介質的厚度是定向耦合器的耦合度的主要影響因素。中間介質厚度較薄的問題也會讓設備的隔離度有所下降。為保障寬帶帶狀線定向耦合器的實效性，相關人員需要借助優化相關參數的方式確定各個枝節的尺寸和具體位置。

【參考文獻】

[1]蔡德龍，劉成安，蔡鐘斌，呂濤.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.

[2]徐洋，彭龍，左艷，張帥.2～12GHz超寬帶帶狀線定向耦合器的設計[J].電子科技，2016，29（05）：16-18.endprint