一種新型SISL 分支線3 dB 定向耦合器

牟成林，劉長軍

四川大學 電子信息學院，四川 成都 610064

定向耦合器[1]作為微波電路中重要的無源器件，可以在輸入輸出端口間實現功率分配，并保持一定的相位差，廣泛應用于混頻器、平衡放大器以及陣列天線饋電網絡等方面。近年來，基于不同傳輸線結構的高性能定向耦合器不斷出現，如波導[2]、基片集成波導[3]、微帶線[4]和懸置帶狀線[5-6]等。懸置帶狀線中的電場主要分布在空氣腔中，具有損耗低、色散低、等效介電常數低以及電磁兼容性好等優點。然而傳統的懸置帶狀線由金屬腔體構成，加工相對復雜、成本較高。新型介質集成懸置線(SISL)[7-9]采用印制電路板(printed circuit board，PCB)加工工藝替代金屬腔體加工，保留了懸置帶狀線的優點，同時具有成本低、重量輕和自封裝等優勢。方同軸傳輸線[10]具有寬頻帶、低色散以及結構穩定的特點，在航天領域得到了應用。本文提出了一種新型SISL 分支線定向耦合器，在SISL 的基礎上借鑒同軸結構的優勢，將空氣腔中心填充表面敷銅、由金屬通孔包圍的介質基板，使耦合器分支線形成類似于同軸的傳輸結構，進一步減小了色散，提高了結構的穩定性。采用同軸接頭進行直接饋電，省去過渡結構，既縮小了尺寸，又降低了損耗。

1 介質集成懸置線結構及設計

圖1 為SISL 的三維結構圖，由5 層雙面敷銅的介質基板構成，介質基板和金屬層自上而下分別命名如圖1 所示。將第2 層和第4 層介質基板局部切除形成空氣腔，在空氣腔周圍由金屬通孔模擬金屬波導的邊界條件，實現電磁屏蔽，其橫截面如圖2 所示。5 層介質基板（substrate，Sub）材料均為FR-4，微波電路設計在Sub3 的上層G5 金屬層。

圖1 SISL 三維結構

圖2 SISL 橫截面示意

根據參考文獻[11]，SISL 傳輸線的等效介電常數為

式中：h=h2+h3+h4，其中，h2、h3、h4分別為第2、3、4 層介質基板的厚度；εr為介質基板相對介電常數。

特征阻抗為

式中

其中ws為金屬導帶的寬度。

本設計采用同軸直接饋電，在選擇介質基板高度和空氣腔寬度時，應使SMA 接頭的法蘭盤完全遮蓋空氣腔，形成封閉結構，并且使耦合器饋線的金屬導帶寬度大于同軸接頭探針寬度。

設計介質基板厚度h1=0.6 mm，h2=1 mm，h3=0.6 mm，h4=1 mm，h5=0.6 mm；空氣腔寬度wa=8 mm。保持其他參數不變，改變第3 層介質基板Sub3上面的金屬導帶寬度ws，SISL 特征阻抗變化趨勢如圖3 所示。選擇合適的線寬，即可得到需要的SISL 特征阻抗。

圖3 SISL 特征阻抗與線寬ws 的關系

2 分支線定向耦合器原理及設計

如圖4 所示，分支線定向耦合器由2 條主線和2 條分支線組成，其中分支線的長度和間距均為1/4波長。所有端口均匹配，從端口1 輸入的功率平均分配給端口2 和端口3，且兩輸出端口之間存在90°相移，端口4 隔離。圖4 中，λg為中心頻率工作波長，Z0為歸一化阻抗。

圖4 分支線定向耦合器原理

耦合器散射參數[12]為

基于上述原理，設計一款中心頻率工作于2.45 GHz 的SISL 分支線定向耦合器，其金屬導帶所在的G5 金屬層結構如圖5(a)所示。在正交混合網絡的中心敷銅，使每一條支線都保持相同尺寸的SISL 傳輸通路，通路兩側用金屬通孔模擬金屬邊界條件，實現電磁屏蔽。介質基板堆疊利用金屬通孔進行定位，鉚釘穿過金屬通孔將5 層介質基板鉚接在一起，實現SISL 結構的自封裝。

由上述分析可知，若通過介質堆疊形成空氣腔，需要將Sub2 拆分成5 塊介質基板，其形狀尺寸如圖5(b)所示。其中Sub2-3 的存在不僅提高了SISL 結構的穩定性，而且具有降低色散、減小損耗的優勢。由圖4 可知，耦合器各分支線設計初始線長為四分之一波長，可由式(1)計算得SISL 等效介電常數，進而求得初始線長。分支線特征阻抗分別為Z0和Z0/初始線寬可由圖3特征阻抗和線寬ws的關系得到。實際尺寸為：W0=2.4 mm，L0=10 mm，W1=4 mm，L1=28 mm，W2=2.4 mm，L2=28.5 mm。

圖5 SISL 結構平面示意

為驗證SISL 分支線定向耦合器的低損耗特性，利用HFSS 仿真工具進行全波仿真。設計相同工作頻率的微帶（microstrip）分支線定向耦合器，介質基板采用厚度為0.6 mm 的FR-4，對比2 種結構的損耗曲線如圖6 所示。

圖6 SISL 耦合器與微帶線耦合器損耗對比

由文獻[13]可知功率損耗Ploss計算公式為

仿真結果表明，SISL 定向耦合器的損耗在整個頻段內均遠低于微帶線結構，并且隨著頻率的升高，二者之間的差別越來越大，印證了SISL 定向耦合器的低損耗特性。

3 測試結果與分析

耦合器整體尺寸為53.6 mm×58.3 mm×3.8 mm，實物如圖7 和圖8 所示。在實際加工時，將SMA接頭的法蘭盤焊接到SISL 結構G1 層和G10 層，實現共同接地。在Sub1 和Sub5 耦合器端口處增加一排金屬通孔，縮短電流路徑，改善過渡結構的電性能。

圖7 SISL 耦合器加工實物

圖8 SISL 每層介質基板加工實物

定向耦合器仿真與實測結果如圖9 和圖10所示，測試儀器使用Agilent 矢量網絡分析儀。在中心頻率2.45 GHz 處，回波損耗和隔離度均優于28 dB。頻率在2.3～2.6 GHz 時，回波損耗和隔離度均高于20 dB；傳輸端口|S21|為-3.12 dB，幅度不平衡度為±0.18 dB；耦合端口|S31|為-3.39 dB，幅度不平衡度為±0.15 dB；輸出端口之間的相位差為90°±1°。SISL 結構等效介電常數低，受介質基板參數影響很小，因此仿真與實測結果吻合良好。

圖9 SISL 定向耦合器仿真與實測S 參數

圖10 SISL 定向耦合器仿真與實測輸出端口相位差

表1 為本設計與其他文獻中定向耦合器性能對比，其中相對帶寬的指標為回波損耗和隔離度，均優于20 dB。由表1 可知，SISL 不僅以低成本的介質基板實現了耦合器優良的電性能，并且具有損耗小、自封裝等優勢，工程應用價值較高。

表1 定向耦合器性能對比

4 結論

本文設計了一種中心頻率工作于2.45 GHz 的新型基于SISL 分支線3 dB 定向耦合器，與傳統耦合器結構相比，主要具有如下特點。

1)提出一種基于SISL 分支線3 dB 定向耦合器結構，將第2 層和第4 層介質基板分解，使耦合器的每條支路保持相同的SISL 傳輸結構，降低了色散，提高了結構穩定性。

2)饋電方式采用同軸直接饋電，去掉過渡結構，在介質基板的饋電端口處添加金屬通孔提高電性能，既減小了尺寸，又降低了電路損耗。

3)基于SISL 傳輸線結構，利用金屬通孔模擬金屬波導邊界條件，電磁波主要在空氣中傳播，具有損耗小、受介質基板參數影響小、電磁兼容性好和自封裝等優勢。