雷爭軍，劉 恒，張 斌

（蘭州軍區(qū) 68129部隊，甘肅 蘭州 730060）

一種弱耦合非對稱漸變線定向耦合器的快速設(shè)計

雷爭軍，劉 恒，張 斌

（蘭州軍區(qū) 68129部隊，甘肅 蘭州 730060）

給出了一種快速設(shè)計任意弱耦合非對稱漸變線定向耦合器的方法，以線性漸變?yōu)榛A(chǔ)，通過仿真優(yōu)化獲取最優(yōu)漸變，擺脫了傳統(tǒng)方法中的復(fù)雜運(yùn)算。為改善定向耦合器在頻率高端的定向性，在結(jié)構(gòu)上引入了鋸齒加載。設(shè)計了一個帶寬為0.5GHz到20GHz，耦合度為-25dB的定向耦合器，利用三維電磁仿真軟件HFSS進(jìn)行了結(jié)果驗證。

弱耦合；定向耦合器；漸變線；HFSS

定向耦合器作為一種具有方向性的功率分配器件，在微波通信領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。隨著通信網(wǎng)絡(luò)的不斷升級換代，在民用通信領(lǐng)域工作頻率向更低頻覆蓋，在軍用通信領(lǐng)域工作頻率向更高頻擴(kuò)充，這都對定向耦合器的帶寬提出了更高要求。傳統(tǒng)階梯型定向耦合器的綜合能滿足基本的中等帶寬設(shè)計需要，但由于節(jié)間過渡不連續(xù)性的存在，導(dǎo)致其在頻率高端的響應(yīng)變得不再精確可控，且節(jié)數(shù)增加會導(dǎo)致器件的設(shè)計長度增加，這與微波器件的小型化要求是相背離的，故在超寬帶設(shè)計中，傳統(tǒng)階梯型定向耦合器綜合變得不再適用。針對這一問題，引入了漸變線定向耦合器的設(shè)計綜合方法[1]，F(xiàn).Arndt在文獻(xiàn)中給出了非對稱切比雪夫高通定向耦合器在耦合度分別為-3.01 dB，-6.02 dB，-8.34 dB，-10 dB 和-20 dB 不同波紋下的耦合系數(shù)列表，并論證了對耦合線長度進(jìn)行40等分，取41個樣點，基本能夠?qū)崿F(xiàn)對漸變線耦合器的性能模擬[2]。在指標(biāo)確定的情況下，非對稱切比雪夫高通定向耦合器可實現(xiàn)最小尺寸，但理論推導(dǎo)較為復(fù)雜，且目前所給列表不太完全。同時頻率高端定向性能的惡化依然存在，為設(shè)計綜合增加了不確定性，故其定向性能的改進(jìn)性研究變的較為迫切。

1 原理分析

定向耦合器一般分為同向定向耦合器與反向定向耦合器，其特點分別是：同向定向耦合器：S11=S14=0 （1）

1.1 設(shè)計初值的獲取

耦合波紋為

其中，k（0）和k（1）分別為定向耦合器的始端和末端電壓耦合系數(shù)，而A為末端和始端兩者電壓耦合系數(shù)的比，可表示為 A=k（1）/k（0）。

1.2 耦合漸變線長度

式中λc為最地工作頻率對應(yīng)的波導(dǎo)波長，而β2和h2可分別由下式確定

關(guān)于漸變線的長度的選取，可由以下公式得到：

式中C1和C2分別為最大和最小電壓耦合的平方

其中S13m為平均電壓耦合，δ為電壓紋波比。

1.3 獲取各節(jié)的偶模阻抗初值和各節(jié)的初始電長度

若已知耦合度 Cav±ΔC/2，則有 Cmax=C+ΔC/2，故可獲取平均耦合和耦合波紋的數(shù)值表示為

又有電長度 θ=βl=2πl(wèi)/λ，且有（5）式，則可求得耦合線的總的電長度。借助（3）式和（4）式，可求得始端和終端電壓耦合系數(shù)

又有電壓耦合系數(shù)和偶模阻抗之間的變換關(guān)系獲取始端和終端的偶模阻抗，其中Zo為耦合線的特性阻抗

假定耦合線偶模阻抗40等分且耦合線的偶模阻抗呈線性變化，則有各節(jié)的偶模阻抗值為

1.4 優(yōu)化獲取各節(jié)最佳偶模阻抗

L.Young在文獻(xiàn)中給出了定向耦合器和階梯阻抗濾波器的等效分析方法[3]，故我們可以在AWR中建立如圖1所示的電路模型來簡化分析，模型中 Zoe（1）和 ΔZoe（i）為獨(dú)立變量，而 Zoe（i）為非獨(dú)立變量，可表述成（11）式的形式。 以 Zoe（1）和ΔZoe（i）為優(yōu)化變量，以反射系數(shù)為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，可快速獲取一組ΔZoe（i）的值，待優(yōu)化完成，求出各節(jié)的偶模阻抗值。在優(yōu)化過程中，可適當(dāng)調(diào)節(jié)每一節(jié)的電長度，以期望得到最小尺寸。

圖1 定向耦合器的等效電路圖Fig.1 Equivalent circuit diagram of the directional coupler

借助奇偶模阻抗和特性阻抗之間的關(guān)系Z00=Z20/Zoe，獲取奇模阻抗的值，進(jìn)而選定耦合結(jié)構(gòu)，綜合出各節(jié)的物理尺寸并擬合出漸變線的函數(shù)曲線，最終在HFSS中建模優(yōu)化，完成初始設(shè)計。

2 仿真與測試結(jié)果

設(shè)計了一個工作在 0.5～20 GHz，Cav=－25 dB，ΔC=0.2 dB的弱定向耦合器。由設(shè)計指標(biāo)并結(jié)合節(jié)1.2，可獲取每一節(jié)的電長度為3.113°，最初的偶模阻抗值為55.98 Ω，節(jié)間阻抗差值為0.147 8 Ω。然后把該初值代入如圖1所示的電路模型，以反射系數(shù)（等效于耦合器的耦合系數(shù)）為優(yōu)化目標(biāo)，進(jìn)行優(yōu)化，可獲取一組最優(yōu)值，每一節(jié)的偶模阻抗值Zoe=[55.821 55.562 55.299 55.051 54.798 54.560 54.332 54.110 53.892 53.684 53.478 53.285 53.098 52.910 52.744 52.568 52.412 52.250 52.097 51.956 51.819 51.686 51.562 51.438 51.329 51.212 51.116 51.012 50.922 50.833 50.744 50.670 50.593 50.530 50.460 50.398 50.347 50.291 50.241 50.200 50.138]，每一節(jié)的電長度EL=2.85。

在結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)上，我們可采用耦合帶狀線，因為要實現(xiàn)的耦合強(qiáng)度比較小，故我們可采用窄邊耦合[4]。令εr=2.65，b=3.048 mm，t=0.02 mm，則 L=119.63 mm，進(jìn)一步可求解得出每一節(jié)耦合帶狀線的寬度和間距分別為

借組MATLAB軟件進(jìn)行曲線擬合，獲取耦合漸變線的描繪函數(shù)，描繪曲線如圖2所示。

圖2 函數(shù)曲線圖Fig.2 Function graph

把上述函數(shù)導(dǎo)入HFSS進(jìn)行三維建模仿真，仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 仿真結(jié)果Fig.3 Simulation results

隔離度和駐波隨著頻率升高逐漸開始惡化，為了改善這兩個指標(biāo)，工程上通常的做法是引入加載枝節(jié)或引入鋸齒[5-6]，此處我們采用第二種方法。通常鋸齒加載在強(qiáng)耦合的一端，會對指標(biāo)有比較大的擾動，在設(shè)計中通過優(yōu)化齒的位置、個數(shù)、深度和齒間距，可以找出一組最優(yōu)值。優(yōu)化后的仿真模型和仿真曲線如圖4和圖5所示。

圖4 優(yōu)化仿真模型Fig.4 Optimize simulation model

圖5 優(yōu)化仿真曲線Fig.5 Optimize simulation curve

3 結(jié) 論

文中給出了一種快速設(shè)計弱耦合漸變線定向耦合器的方法，并結(jié)合一個具體的示例論證了這種方法的切實可行性。為了改善頻率高端的定向性，文中采用鋸齒加載結(jié)構(gòu)來補(bǔ)償電路性能，通過加載前后的數(shù)據(jù)對比，可以發(fā)現(xiàn)改善明顯，進(jìn)而為未來定向耦合器定向性能的改善指明了方向。

[1]Arndt F.High-pass transmission-line directional coupler[J].Micro-wave Theory Tech，1968，16（3）:310－311.

[2]Arndt F.Tables for asymmetric Chebyshev high-pass TEM-mode directional couplers[J].IEEE Trans.MTT，1970，18（9）:633－638.

[3]Young L.The analyticalequivalence ofTEM-mode directional couplers and transmission line stepped impedance filtem[J].Proc.Instlt.Elect.Eng.，1963，110（2）:275－281.

[4]Cohn S B.Shielded Coupled-Strip transmission line[J].Microwave Theory Tech，1955，3（8）:29－38.

[5]李勇，王江濤.S波段小型Lange耦合器的應(yīng)用設(shè)計[J].微波學(xué)報，2011，27（5）：60－63.

LI Yong，WANG Jiang-tao.Applied design of miniature lange couplers in S band[J].Journal of Microwaves，2011，27（5）：60－63.

[6]禇慶昕，孫晶菁，林峰.新型寬頻率比雙頻分支線耦合器的設(shè)計[J].華南理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2011，39（7）：21－25.

CHU Qing-xin，SUN Jing-jing，LIN Feng.Design of novel dual-band branch-line coupler with wide-range frequency ratio[J].Journal of South China University of Technology:Natural Science Edition，2011，39（7）：21－25.

Rapid design of a weakly coupled asymmetric gradient line directional coupler

LEI Zheng-jun，LIU Heng， ZHANG Bin
（68129 Unit， Lanzhou Military Area， Lanzhou 730060， China）

A rapid design any weak coupling asymmetric gradient line directional coupler method， based on a linear gradient，the optimal gradient obtained by simulation and optimization，to get rid of the traditional method of complex computing.Directivity in the frequency of the high-end，in order to improve the directional coupler structure introduces a sawtooth load.Design a bandwidth of 0.5GHz to 20 GHz， the degree of coupling of-25 dB directional coupler， the results demonstrate the use of three-dimensional electromagnetic simulation software HFSS.

weak coupling； directional coupler； gradient line； HFSS

TN802

A

1674－6236（2013）08-0161-03

2012-11-15稿件編號201211122

雷爭軍（1971—），男，陜西富平人，高級工程師。研究方向：雷達(dá)新技術(shù)和裝備保障資源建設(shè)。