徐立勤，仲 進(jìn)

（南京郵電大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210003）

0 引言

隨著LTE移動(dòng)通信牌照的發(fā)放，我國(guó)正式進(jìn)入4G通信時(shí)代。而作為無(wú)線通信核心器件的定向耦合的設(shè)計(jì)就有了十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。針對(duì)我國(guó)LTE移動(dòng)通信有TD-LTE和FDD-LTE兩種制式并具有 1.8 GHz、2.3 GHz、2.6 GHz等多個(gè)頻段的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一個(gè)1.75 GHz～2.7 GHz的寬帶定向耦合器將是一個(gè)可行的辦法。對(duì)于寬帶定向耦合的設(shè)計(jì)，已有一些文獻(xiàn)提出多種方法。如運(yùn)用CBCPW和微帶線多層縫隙耦合技術(shù)[1-2]，利用有機(jī)介質(zhì)基片實(shí)現(xiàn)寬帶[3]，或通過半導(dǎo)體材料來(lái)拓展耦合器帶寬[4]等。本文在滿足工程應(yīng)用的情況下，通過在輸入端加入匹配網(wǎng)絡(luò)來(lái)改善耦合器的耦合端和直通端的性能，從而實(shí)現(xiàn)寬帶特性[5-8]。為了增加加工精確度，在匹配網(wǎng)絡(luò)中加入缺陷地結(jié)構(gòu)（DGS）改善了微帶線的寬度[9]。同時(shí)，階梯阻抗結(jié)構(gòu)的引入使匹配網(wǎng)絡(luò)的調(diào)節(jié)更加靈活[10-11]。

1 耦合器的結(jié)構(gòu)

1.1 匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

為了改善直通端和耦合端的特性，使其能達(dá)到寬帶的要求，在耦合器的輸入端加入如圖1所示的匹配網(wǎng)絡(luò)[5-8]，其中θ為λ/4的電長(zhǎng)度。為了更好地調(diào)節(jié)耦合器的帶寬，在此匹配網(wǎng)絡(luò)中，引入了階梯阻抗結(jié)構(gòu)[9-10]。通過調(diào)節(jié)Wz2和Wz3的寬度，可以比較顯著地調(diào)節(jié)耦合器的性能。根據(jù)參考文獻(xiàn)[5]中的公式推導(dǎo)，設(shè)本征阻抗為Z0，則Z1和Z2的值分別為0.829Z0與0.837Z0。圖2中給出S11隨Wz3的變化圖，從圖中可以看出，調(diào)節(jié)Wz3的大小可以顯著地改變S11。因此，在匹配網(wǎng)絡(luò)中引入階梯阻抗結(jié)構(gòu)可以增加仿真優(yōu)化的靈活度。

圖1 在耦合器輸入端加入的匹配網(wǎng)絡(luò)

圖2 S11隨Wz3的變化圖

1.2 缺陷地結(jié)構(gòu)（DGS）

為了增加匹配網(wǎng)絡(luò)中微帶線的寬度以便利于加工，在耦合器的接地面加入5個(gè)串聯(lián)的“啞鈴型”缺陷地結(jié)構(gòu)（DGS），如圖3所示，其中灰色部分為金屬覆蓋面，空白處為刻蝕處，圖4所示為耦合器正面示意圖。參考文獻(xiàn)[9]中對(duì)“啞鈴型”缺陷地給出了詳細(xì)的理論分析，通過刻蝕缺陷圖案，可以改變電路襯底材料有效介電常數(shù)的分布，從而改變微帶線的分布電感和分布電容，使得由DGS構(gòu)成的微帶線具有帶阻特性和慢波特性。通過優(yōu)化，最終DGS的寬度為2.5 mm，總長(zhǎng)度為35 mm。

圖3 耦合器接地面示意圖

圖4 耦合器正面示意圖

1.3 耦合器的結(jié)構(gòu)

針對(duì)我國(guó)LTE移動(dòng)通信有TD-LTE和FDD-LTE兩種制式并具有 1.8 GHz、2.3 GHz、2.6 GHz等多個(gè)頻段的特點(diǎn)，所設(shè)計(jì)的耦合器得覆蓋 1.75 GHz～2.7 GHz頻段。根據(jù)參考文獻(xiàn)[5]和參考文獻(xiàn)[12]中的分析，采用厚度h=0.8 mm的FR4介質(zhì)作為基片。耦合器結(jié)構(gòu)如圖5，其尺寸為L(zhǎng)×W=28.7 mm×104.3 mm。其各部件的具體尺寸如表1。

圖5 耦合器結(jié)構(gòu)圖

表1 耦合器各部件的設(shè)計(jì)尺寸

2 仿真與測(cè)試結(jié)果

利用Ansoft HFSS對(duì)耦合器進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)并進(jìn)行了實(shí)物加工，圖6中給出了耦合器實(shí)物圖。用矢量網(wǎng)絡(luò)儀對(duì)實(shí)物進(jìn)行測(cè)試，將測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。圖7中給出了輸入端和隔離端的S參數(shù)仿真與測(cè)試對(duì)比圖，從中可以看出，仿真數(shù)據(jù)與測(cè)試數(shù)據(jù)吻合良好，在1.75 GHz～2.7 GHz頻段內(nèi)，S11和 S41都小于-12.5 dB，并且最低點(diǎn)處能達(dá)到-40 dB以下。在圖8中給出了直通端和耦合端的S參數(shù)仿真與測(cè)試對(duì)比圖，從中可以看出測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合良好，S21和S31都在-5 dB左右，并且|S21-S31|≤1 dB。因此綜合此耦合輸入端、直通端、耦合端及隔離端的各S參數(shù)可知，此耦合器性能良好，達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求，具有較強(qiáng)實(shí)用價(jià)值。

圖7 輸入端和隔離端的S參數(shù)仿真與測(cè)試對(duì)比圖

圖8 直通端和耦合端的S參數(shù)仿真與測(cè)試對(duì)比圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過在普通對(duì)稱分支線耦合的輸入端加入具有階梯阻抗結(jié)構(gòu)的匹配網(wǎng)絡(luò)，改善了耦合器直通端和耦合端的性能，使其具有了寬帶特性。選用0.8 mm厚度的FR4介質(zhì)材料作為基片，利用Ansoft HFSS軟件設(shè)計(jì)仿真出一個(gè)頻段為 1.75 GHz～2.7 GHz覆蓋 TD-LTE、FDD-LTE及WLAN的寬帶耦合器。對(duì)其進(jìn)行了實(shí)物加工。運(yùn)用矢量網(wǎng)絡(luò)儀對(duì)實(shí)物進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合良好。此耦合器性能良好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，成本低，易于加工，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

[1]NEDIL M，DENIDNI T A.A new ultra wideband directional coupler based on a combination between CB-CPW and microstrip technologies[C].IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest，2008：1219-1222.

[2]BIALKOWSKI M E，SEMAN N，LEONG M S.Design of a compact ultra wideband 3 dB microstrip-slot coupler with high return losses and isolation[C].Asia Pacific Microwave Conference，2009：1334-1337.

[3]TA H H，PHAM A V.Development of a compact broadband folded hybrid coupler on multilayer organic substrate[J].IEEE Microwave and Wireless Components Letters，2010，20（2）：76-78.

[4]Wang Xiaoxin，Liu Jifeng.Step-coupler for efficient waveguide coupling to Ge/Si avalanche photodetectors[J].IEEE Photonics Technology Letters，2011，23（3）：146-148.

[5]RIBLET G P.A directional coupler with very flat coupling[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，1978，26（2）：70-74.

[6]ANDERSON L K.An analysis of broadband circulators with external tuning elements[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，1967，15（1）：42-47.

[7]LEE S，LEE Y.Wideband branch-line couplers with single-section quarter-wave transformers for arbitrary coupling levels[J].IEEE Microwave and Wireless Components Letter，2012，22（1）：19-21.

[8]ARRIOLA W A，LEE J Y，IHNSEOK K.Wideband 3 dB branch line coupler based on open circuited coupled lines[J].IEEE Microwave and Wireless Components Letters，2011，21（9）：486-488.

[9]曹宜森，盧春蘭.一種基于DGS的新型微帶分支線耦合器的設(shè)計(jì) [C].2009年全國(guó)微波毫米波會(huì)議論文集 （上冊(cè)），2009：43-47.

[10]褚慶昕，楊琳，林峰.基于SIR結(jié)構(gòu)的雙頻寬帶耦合器[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，38（5）：51-54.

[11]Liu Yucheng，Chen Wenhua，F(xiàn)eng Zhenghe.Compact dual-band branch-line and rat-race couplers with stepped coupled-Line[C].China-Japan Joint Microwave Conference Proceedings （CJMW），2011：1-4.

[12]WangDuxiang，HUYNH A，HAKANSSON P，etal.Study of wideband microstrip 90°3-dB two-branch coupler with minimum amplitude and phase imbalance[C].InternationalConference on Microwave and Millimeter Wave Technology，2008： 116-119.