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        寬帶帶狀線定向耦合器的設(shè)計*

        2016-10-28 08:27:32蔡德龍劉成安蔡鐘斌
        關(guān)鍵詞:耦合度導(dǎo)體寬帶

        蔡德龍,劉成安,蔡鐘斌,呂 濤

        (西南科技大學(xué) 國防科技學(xué)院,四川 綿陽 621010)

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        寬帶帶狀線定向耦合器的設(shè)計*

        蔡德龍,劉成安,蔡鐘斌,呂濤

        (西南科技大學(xué) 國防科技學(xué)院,四川 綿陽 621010)

        多階1/4波長濾波器理論為寬帶定向耦合器的研究提供了依據(jù),利用該方法設(shè)計了應(yīng)用頻段為2~6 GHz的多節(jié)3 dB的交錯耦合帶狀線定向耦合器,并利用電磁仿真軟件HFSS進行仿真。仿真結(jié)果表明,該帶狀線耦合器具有良好的方向性、較高的耦合度和較低的插損,從而為這類寬帶強耦合度耦合器的研究提供了一定的參考價值。

        無線電電子學(xué);帶狀線耦合器;寬帶;電磁仿真;HFSS

        引用格式:蔡德龍,劉成安,蔡鐘斌,等. 寬帶帶狀線定向耦合器的設(shè)計[J].微型機與應(yīng)用,2016,35(18):66-68.

        0 引言

        耦合器是現(xiàn)代微波工程測試技術(shù)中廣泛用到的無源器件,其主要作用是將微波信號進行某個方向的功率耦合,將耦合后的功率信號進行檢測、調(diào)節(jié)等處理。定向耦合器因其體積小、損耗低、可靠性高而備受青睞。隨著微波工程技術(shù)的發(fā)展,各種形式的耦合器得到了研究與應(yīng)用。參考文獻[1]提出了一個應(yīng)用于8~12 GHz的E面波導(dǎo)3 dB耦合器的改進型結(jié)構(gòu)。參考文獻[2]報道了基于波導(dǎo)的Q波段3 dB環(huán)形電橋的設(shè)計,證明了這種環(huán)形電橋在該頻段良好的電磁性能。參考文獻[3]提出了一種應(yīng)用于2~20 GHz的新拓撲超寬帶20 dB的定向耦合器,在通帶內(nèi)取得滿意的效果。

        但以上研究均存在一些不足,就是其相對帶寬較窄,在實際應(yīng)用上具有一定的局限性,當帶寬較寬時,難以實現(xiàn)強耦合[3]。由于波導(dǎo)本身截止頻率的約束,對于寬帶跨波段耦合器的研究則無法再使用波導(dǎo)的形式來實現(xiàn)。相對于常用的微帶線,采用帶狀線形式的傳輸線具有更高的功率容量和更低的輻射損耗。利用帶狀線3 dB耦合器作為功分/合成網(wǎng)絡(luò),可以研制更大功率的固態(tài)功放[4]。

        1 耦合器的基本結(jié)構(gòu)

        圖1 平行線耦合器結(jié)構(gòu)示意圖

        常見的耦合器基本結(jié)構(gòu)如圖1所示,其耦合原理在一些文獻中有詳細的闡述[5]。當P1為輸入信號端口時,P2端口則為直通端口,P3端口為耦合端口,P4端口為隔離端口。其中,平行耦合線的長度等于中心頻率對應(yīng)波長的1/4。

        以上結(jié)構(gòu)的耦合器因具有結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、制造方便等優(yōu)點得到了較為廣泛的應(yīng)用。由于采用這種單節(jié)耦合線,使得該定向耦合器也存在一些不足,即無法達到足夠的帶寬。為了達到這一要求,采用多節(jié)1/4平行耦合線是一種較為有效的方法。參考文獻[6]提出的3/4波長耦合線寬邊耦合器就是對該方法的成功實踐。參考文獻[7]采用襯底型五級平行耦合帶狀線實現(xiàn)了6 dB超寬帶耦合器的研究??梢娡ㄟ^多節(jié)1/4波長平行耦合線研制的耦合器可以顯著擴展帶寬。

        圖2 平行寬邊帶狀耦合線結(jié)構(gòu)示意圖

        平行寬邊帶狀耦合線結(jié)構(gòu)如圖2所示。導(dǎo)體平行置于間距為B的兩接地板之間,中間填充介電常數(shù)為εr的介質(zhì),導(dǎo)體間距為S,兩導(dǎo)體水平偏移為W0,由于導(dǎo)體之間、導(dǎo)體與介質(zhì)之間有著較強的介質(zhì)耦合,故利用該結(jié)構(gòu)可以研制強耦合度的耦合器。

        2 設(shè)計流程

        2.1設(shè)計指標

        根據(jù)項目要求,所要設(shè)計的耦合器指標如表1所示。

        表1 設(shè)計指標

        2.2設(shè)計思路

        根據(jù)設(shè)計指標,所設(shè)計的3 dB帶狀線耦合器屬于強耦合度的耦合器。采用多節(jié)1/4波長帶狀線即使兩帶狀線完全重疊也難以達到3 dB耦合度的要求。參考文獻[8]通過兩個單節(jié)級聯(lián)帶狀線耦合器研制的3 dB耦合器在8~12 GHz取得了令人滿意的效果。因此考慮使用完全相同的兩個8.34 dB的帶狀線耦合器級聯(lián)來達到設(shè)計要求。

        首先根據(jù)設(shè)計指標可知,其帶內(nèi)中心頻率f0=(f1+f2)/2=4 GHz,由帶寬公式B=f2/f1和相對帶寬公式W=BW/f0(其中B、W為絕對帶寬)確定該耦合器的帶寬B=3以及相對帶寬W=1.043 55,在滿足設(shè)計要求的情況下,應(yīng)當考慮小型化問題,級盡可能地使得節(jié)數(shù)n更小。通過查詢切比雪夫耦合傳輸線定向耦合器歸一偶模阻抗數(shù)值表,得到如表2所示[9]的數(shù)據(jù)。

        表2 設(shè)計數(shù)據(jù)

        其中,δ是理想情況下的紋波,單位是dB。由于所設(shè)計的是多節(jié)對稱耦合型耦合器,且

        Zi=Zn-i+1

        (1)

        故Z3=Z1,以此計算得到奇偶模阻抗值如表3所示。

        擬選取TACONIC公司的介電常數(shù)εr=2.65的PCB板材,利用ADS中的傳輸線計算工具可以計算線寬W。上下導(dǎo)體的間距S設(shè)置為0.254 mm,導(dǎo)體與地之間的介質(zhì)厚度設(shè)置為0.762 mm,兩接地板之間的距離B設(shè)置為1.778 mm。經(jīng)過多次迭代運算,可以得到單個帶狀線耦合器的導(dǎo)體寬度W與兩層導(dǎo)體的位移W0如表4所示。

        表4 帶狀線理論計算數(shù)據(jù)

        3 建模與仿真

        根據(jù)以上相關(guān)數(shù)據(jù),可以完整地建立耦合器的模型。考慮到使用兩個完全相同的耦合器級聯(lián),故每個耦合器兩導(dǎo)體使用交錯耦合結(jié)構(gòu),每層導(dǎo)體呈中心對稱結(jié)構(gòu),如圖3所示。

        圖3 交錯型帶狀線耦合器示意圖

        利用全三維電磁仿真軟件HFSS,建立了圖3所示的對稱型多節(jié)帶狀線耦合器模型,由于導(dǎo)體很薄,信號在導(dǎo)體上的實際傳輸損耗非常小,故導(dǎo)體采用理想導(dǎo)體(即厚度為零)。考慮到使用兩個交錯帶狀線耦合器級聯(lián)實現(xiàn)3 dB強耦合,建模的時候,利用一個8.34 dB耦合器通過鏡像、合并即可實現(xiàn)。

        由于采用多節(jié)耦合,要達到所設(shè)計的指標,需要將多個變量進行優(yōu)化以尋求最佳效果。而且每相鄰兩節(jié)導(dǎo)體之間的不連續(xù)性比較明顯,通過在不同地方添加導(dǎo)體枝節(jié)的方法,可以顯著改善帶狀線導(dǎo)體的不連續(xù)性引起的損耗,優(yōu)化反射系數(shù)。整個3 dB帶狀線耦合器模型如圖4所示。

        圖4 交錯型級聯(lián)帶狀線耦合器HFSS仿真模型

        4 仿真結(jié)果

        在HFSS建模窗口中的分析求解欄中設(shè)置好掃描類型、求解頻率及步長,對所建立的3 dB耦合器模型進行仿真,仿真結(jié)果如圖5~圖8所示。

        圖5 傳輸損耗

        圖6 反射系數(shù)與隔離度

        圖7 直通與耦合系數(shù)

        圖8 端口駐波比

        通過以上仿真結(jié)果可以看出,采用交錯型耦合結(jié)構(gòu)設(shè)計的帶狀線耦合器在通帶內(nèi)具有較低的損耗和較高的隔離度,耦合器的直通端口與耦合端口的電磁能量近乎均等,使得耦合器能實現(xiàn)良好的3 dB功率平分。

        在仿真優(yōu)化的過程中發(fā)現(xiàn),介質(zhì)厚度的變化、枝節(jié)長度和寬度的變化以及枝節(jié)所在的位置等參量都與仿真結(jié)果密切相關(guān)。中間介質(zhì)的厚度越薄,耦合越緊,但隔離度

        變差;上下兩層介質(zhì)越薄,耦合越松,隔離度越好;同一帶寬條件下,頻率越高,其端口駐波比越差;靠近端口處的帶狀線枝節(jié)可以顯著地改善反射系數(shù)。各枝節(jié)的尺寸與具體位置是通過綜合考慮各種指標通過優(yōu)化相關(guān)參數(shù)來確定的。

        5 結(jié)論

        本文基于多節(jié)對稱型耦合傳輸線耦合器設(shè)計思路,通過查表法設(shè)計了一款頻段位于2~6 GHz的3 dB交錯級聯(lián)帶狀線耦合器。利用HFSS對所設(shè)計的耦合器模型進行了仿真,仿真結(jié)果表明,增加導(dǎo)體枝節(jié)后,在2~6 GHz頻段內(nèi),所設(shè)計的耦合器的傳輸系數(shù)、反射系數(shù)和隔離度有較大的改善,其指標都滿足預(yù)期指標要求,也易實現(xiàn)小型化。利用該方法可以設(shè)計這類帶寬更寬的耦合器。

        [1] 李軍,方建洪,馮皓.E面波導(dǎo)3 dB耦合器的設(shè)計[J].真空電子技術(shù),2011(2):40-42.

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        Design of a broadband stripline directional coupler

        Cai Delong,Liu Cheng’an,Cai Zhongbin,Lv Tao

        (School of National Defense Science and Technology, Southwest University of Science and Technology, Mianyang 621010, China)

        The Theories of multiple order a quarter wavelength filter provide some proofs for researching multistage symmetrical directional coupler. This paper uses this method to design a 3 dB cross coupled stripline directional coupler applied to the spectrum of 2 ~ 6 GHz, and simulates the established model by the electromagnetic simulation software HFSS. The simulation results show that the stripline coupler has a good direction, higher coupling and lower insertion loss.This method will provide a certain reference value for researching this kind of broadband and high coupling coupler.

        radio electronics;stripline coupler;broadband;electromagnetic simulation;HFSS

        國防科技工業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)項目(JSHS2014404B002);國家科技支撐計劃項目(2013BAH32F00)

        TN622;TN603

        ADOI: 10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.18.019

        2016-05-21)

        蔡德龍(1991-),通信作者,男, 碩士,主要研究方向:微波毫米波技術(shù)與功放組件。E-mail:275703863@qq.com。

        劉成安(1965-),男,工學(xué)碩士,副教授,碩士生導(dǎo)師,主要研究方向:無線網(wǎng)絡(luò)通信。

        蔡鐘斌(1977-),男,工學(xué)碩士,高級工程師,主要研究方向:微波電路收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計。

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