一種新型濾波器耦合板的設計方法

2023-01-06 04:14:38丁海

通信電源技術 2022年17期

丁海

（京信通信技術（廣州）有限公司，廣東廣州 510663）

1 帶狀線耦合器

耦合器的方向性要求較高，電磁波奇模和偶模相速度是否相等直接影響方向性[1,2]。帶狀線上奇模和偶模相速度相等，大多數雙定向耦合器是通過帶狀線之間的耦合來實現，采用偏離耦合線中心頻率的下邊帶耦合特性進行射頻信號的耦合取樣[3-5]。帶狀線耦合器的主要形式如圖1所示[6,7]。

圖1 標準帶狀線耦合器設計模型

采用微波網絡理論分析其S參量為

奇模反射系數為

2 同軸-微帶型耦合器

帶狀線耦合器由于電磁場模式問題，導致互耦情況比較嚴重，耦合器的方向性一般只能達到20 dB左右。同軸-微帶型耦合器采用耦合棒和帶線形式實現耦合，可以提升耦合器的方向性。設計一種同軸-微帶型耦合器，并通過理論分析與實際案例進行仿真測試驗證。同軸-微帶耦合器橫截面如圖2所示。

圖2 同軸-微帶耦合器橫截面

同軸-微帶耦合器的耦合模型可以認為是2條傳輸線之間的耦合，當同軸線（主線）上有交變電流流過時，由于同軸線與微帶耦合線（副線）相互靠近，便會有能量通過電場（以耦合電容表示）和磁場（以耦合電感表示）從同軸線耦合到微帶線中，這樣就可以對其各項指標進行數值化模擬。平行耦合線定向耦合器模型如圖3所示。

圖3 平行耦合線定向耦合器

設有2對平行耦合線1-4與2-3，當主線1-4中有行波自1口向4口輸入時，主線上流有電流I1，則在輔線2-3中由于互感作用，在d-z段產生感應電動勢UL，即

式中：Lm為互分布電感。

UL在輔線2、輔線3所接負載上引起感應電流IL2與IL3，兩者的方向彼此相反（以從上到下為正方向），即

由于互電容的作用，在d-z段產生位移電流IC，即

式中：Cm為互分布電容。

式中：L為耦合線中考慮到另一根線的影響時的單線分布電感。

電容耦合系數為

式中：C為耦合線中考慮到另一根線的影響時的單線分布電容。

對均勻介質下橫電磁波（Transverse Electromagnetic Wave，TEM），當主線1-4與輔線2-3的特性阻抗均為RZ'0

時，KL=KC=K，即

對于任意長度的耦合線段來說，只要2口接了一個負載阻抗Z'0，則2口是耦合口、3口是隔離口，可以得到無窮大的方向性。

3 仿真分析

采用同軸-微帶結構，使用位于印制線路板（Printed Circuit Board，PCB）底層的2條微帶線來分別耦合前向功率和反向功率，這2條微帶線與同軸棒平行且在同一條直線上。按照目前使用的同軸腔直徑10 mm、主同軸棒直徑4.4 mm計算，特性阻抗為50 Ω。為了減少耦合槽的寬度，又使耦合量滿足指標要求，耦合線寬度定為2.2 mm、離地0.5 mm，計算其特性阻抗在50～73 Ω。

在保證耦合輸出端口特性阻抗為50 Ω的前提下，隔離端微帶線設計成高阻線，并通過仿真來確定其線寬。隔離端微帶線按1.2 mm設計，離地寬度0.5 mm，方向性超過30 dB。對于耦合度為30 dB以上的弱耦合，仿真中方向性超過30 dB，與實際情況差異較大，因此超過30 dB方向性的產品，其方向性一般仿真接近30 dB即可。高阻線需要做開窗設計，同時該高阻線后端接地部分也需要做開窗處理，以便調試。軸-微帶線耦合器模型如圖4所示。