一種寬帶高方向性微帶定向耦合器

陳曉俐，薛煥杰，官伯然

(杭州電子科技大學 電子信息學院，浙江 杭州 310000)

定向耦合器是用于各種高頻系統(tǒng)的重要微波器件，被廣泛用于幅度控制系統(tǒng)、平衡放大器、功率分配和合成器等很多微波器件及系統(tǒng)中。耦合器起到功率分配、組合、測量、拓撲改變和濾波的作用[1-5]。隨著掃頻信號源、寬帶反射計、網(wǎng)絡(luò)分析儀以及其他功率測量設(shè)備的發(fā)展，耦合器通常需要高方向性(優(yōu)于30 dB)才能獲得合適的性能[6]。因此，寬帶且高方向性的定向耦合器的設(shè)計與研究就顯得非常有意義。

在傳統(tǒng)微帶線定向耦合器設(shè)計過程中，往往采用多節(jié)λ0/4微帶并聯(lián)耦合線級聯(lián)的方式實現(xiàn)寬頻帶(λ0是中心頻率f0的波長)，例如文獻[7]中使用4節(jié)級聯(lián)達到10 GHz帶寬。但是，這樣帶來的問題就是耦合器尺寸過大，不便于集成。而且，對于微帶線耦合器，不均勻介質(zhì)中奇數(shù)和偶數(shù)模式相速度的差異使得它方向性較差。為了解決這些問題，本文提出了一種小型化的多節(jié)微帶耦合線的定向耦合器。它包括一節(jié)λ0/4對稱平行耦合線和兩節(jié)相同的λ0/8對稱平行耦合線。此外，還通過在耦合線路的端口添加多段1/4圓弧微帶線來解決方向性差的問題。

1 耦合器的基本結(jié)構(gòu)

定向耦合器一個重要的特點就是將能量沿特定的方向傳播。一般情況下，激勵端口耦合到隔離端口的能量非常小[8-9]。單節(jié)平行耦合線定向耦合器的示意圖如圖1所示。

圖1 單節(jié)平行耦合線定向耦合器示意圖Figure 1. Single section parallel coupler directional coupler schematic diagram

當Port1為輸入端口時，Port2為直通端口，Port3為耦合端口，Port4為隔離端口[10]。其中，耦合線長度為中心頻率的1/4波長。

以下這種結(jié)構(gòu)的耦合器結(jié)構(gòu)簡單，性能良好，制作方便，得到了較為廣泛的應(yīng)用[11]。

但是，使用單節(jié)耦合線無法達到足夠的帶寬。因此多采用多節(jié)1/4波長平行耦合線級聯(lián)來擴展帶寬。本研究采用兩節(jié)級聯(lián)微帶平行并聯(lián)耦合線的方式，并在此基礎(chǔ)上進行了改動，得到了由一節(jié)1/4波長段和兩節(jié)1/8波長段組合的多段耦合器，并最終達到了6～14 GHz的工作頻帶。

2 多節(jié)微帶線定向耦合器的設(shè)計

耦合器的設(shè)計指標：工作頻率為6～14 GHz；輸入駐波比VSWR<1.5；耦合度為25±1 dB；隔離度>10 dB；方向性>30 dB；相位不平衡度<10°。

根據(jù)設(shè)計要求，帶寬BW、耦合度C和波紋R計算式為

(1)

(2)

BW=π-θ0/θ0

(3)

本文設(shè)計的耦合器耦合度約為-25 dB，平坦度在±1 dB以內(nèi)。因此查找多節(jié)對稱定向耦合器的設(shè)計表格，采用-25 dB兩節(jié)等波紋耦合線為初值優(yōu)化。各節(jié)耦合度理論初值如表1所示。

表1 -25 dB耦合線定向耦合器各節(jié)耦合度初值Table 1. Coupling degree initial value of each section of -25 dB coupling line directional coupler

根據(jù)耦合度理論初值，本實驗以兩節(jié)等波紋為初值優(yōu)化，并將第2節(jié)的1/4波長段拆分為兩節(jié)1/8波長段，分別置于第1節(jié)耦合段兩邊。

通過在Ansof Designer軟件中建立耦合器的電路模型，利用ADS軟件及其LineCalc工具可計算出相應(yīng)的物理參數(shù)[13]。通過優(yōu)化仿真，最終傳輸線線寬、偏移、線長的具體參數(shù)如表2所示，其中，Er為相對介電常數(shù)，H為介質(zhì)板厚度。

表2 3節(jié)對稱耦合器設(shè)計參數(shù)值Table 2. Three sections symmetry coupler design parameters value

根據(jù)傳輸線阻抗匹配特性，在兩段所需匹配的傳輸線之間插入一段或多段傳輸線段，就能完成不同阻抗之間的變換，達到良好匹配[14-16]。本文采用在耦合線端口插入多段1/4圓弧微帶線進行優(yōu)化仿真。

根據(jù)耦合器的設(shè)計指標，設(shè)計了如下的10 GHz定向耦合器。電路拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示，實物圖如圖3所示。印刷在厚度為0.254 mm，相對介電常數(shù)為2.2的Rogers5880介質(zhì)板上，耦合器的尺寸如表3所示。

表3 耦合器尺寸Table 3. Dimensions of the coupler /mm

圖2 寬帶微帶定向耦合器電路拓撲結(jié)構(gòu)Figure 2. Broadband microstrip directional coupler circuit topology

圖3 寬帶微帶定向耦合器實物圖Figure 3. Photography of broadband microstrip directional coupler

3 仿真結(jié)果與性能分析

根據(jù)寬帶微帶線定向耦合器最終實物圖和仿真模型，S參數(shù)仿真及實測結(jié)果如圖4～圖7所示。由于耦合器制作加工過程中的誤差、SMA接頭焊接誤差及介質(zhì)基板材料等原因，實測結(jié)果和仿真結(jié)果之間有一定的偏差，但兩者基本吻合，滿足實驗預(yù)期。

圖4 寬帶微帶定向耦合器S參數(shù)實測結(jié)果Figure 4. Measurement results of S parameter of wideband microstrip directional coupler

圖5 寬帶微帶定向耦合器耦合度仿真及實測對比Figure 5.Simulation and comparison of coupling degree of broadband microstrip directional coupler

圖6 寬帶微帶定向耦合器隔離度仿真及實測對比Figure 6.Simulation and comparison of isolation degree of broadband microstrip directional coupler

圖7 寬帶微帶定向耦合器相位特性Figure 7.Phase characteristics of broadband microstrip directional coupler

圖4是寬帶微帶定向耦合器S參數(shù)實測結(jié)果，圖5和圖6分別是其耦合度和隔離度仿真及實測對比結(jié)果，圖7是相位特性仿真結(jié)果。仿真及實測結(jié)果顯示，頻率超過14 GHz時，信號頻率超過了耦合器的工作范圍，產(chǎn)生的組耗失配使傳輸特性插入損耗增加，頻段不穩(wěn)定[17]。根據(jù)實測曲線可以看出插損很小，耦合器的端口匹配良好，在全頻帶回波損耗都在-10 dB以下。方向性如圖6所示，耦合器的方向性在6～14 GHz頻段內(nèi)具有優(yōu)于30 dB的方向度。更重要的是，加入多段圓弧微帶線之后，在這一頻段內(nèi)耦合水平在整個設(shè)計中沒有顯著變化，依然保持了-25 dB的耦合度。圖7表明，耦合端和直通端相位差保持在90 °左右。由上可知，該耦合器具有優(yōu)異的幅度平坦特性、相位平衡特性以及優(yōu)異的方向性。

4 結(jié)束語

本文從多節(jié)微帶線耦合器的基本原理出發(fā)，采用Ansoft Designer軟件進行定向耦合器初值綜合設(shè)計，通過微帶并聯(lián)平行耦合線與圓弧微帶線級聯(lián)的方式設(shè)計了一款帶內(nèi)插損小、隔離度高、尺寸小的高方向性耦合器。文中利用ADS建模優(yōu)化，最終實物測試與仿真設(shè)計結(jié)果基本吻合。實驗結(jié)果表明，本文設(shè)計的6～14 GHz的寬帶微帶線定向耦合器在實際項目應(yīng)用中效果良好，具有一定的應(yīng)用價值。