高 凱，孫如英，韓榮蒼

（臨沂大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院，山東 臨沂 276000）

1 正交耦合器設(shè)計(jì)概述

近年來寬帶通信技術(shù)由于具有傳輸速率高、容量大、硬件成本低等突出優(yōu)勢(shì)，受到廣泛關(guān)注。寬帶/多波段電子信息系統(tǒng)必須具備相應(yīng)的寬帶/多波段射頻前端設(shè)備，例如放大器、耦合器、濾波器、天線等。特別是在接收或發(fā)射圓極化波的無線電子系統(tǒng)射頻前端中，正交耦合器是必不可少的元件之一[1-2]。所以，這類器件廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星導(dǎo)航、電子對(duì)抗、射頻識(shí)別和無線通信系統(tǒng)[3]。由于PCB工藝是低廉且成熟的加工工藝，所以傳統(tǒng)的微波平面正交耦合器一般都采用微帶線或帶狀線設(shè)計(jì)。

經(jīng)典的正交耦合器一般由功率分配器和90°移相器級(jí)聯(lián)，或采用分支線定向耦合器和環(huán)形器實(shí)現(xiàn)。它們都需要具備兩方面的性能，一方面要有等功率分配功能，另一方面要具有90°移相功能。然而，其經(jīng)典的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)只有10%～20%的工作帶寬[4]，不能滿足寬帶通信系統(tǒng)的指標(biāo)要求。本文設(shè)計(jì)了一副帶寬達(dá)50%的微帶寬帶正交耦合器，在寬帶圓極化平面天線中有廣泛的應(yīng)用前景[5]。

2 微帶正交耦合器結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的寬帶微帶正交耦合器等效電路圖如圖1所示，它由威爾金森功率分配器和一個(gè)寬帶90°移相器[5]級(jí)聯(lián)而成。威爾金森功率分配器實(shí)現(xiàn)等功率分配的同時(shí)，完成了輸入端口和輸出端口之間的阻抗變換。輸入信號(hào)經(jīng)Port 1分兩條支路傳輸，它們分別通過1/4波長的微帶線連接寬帶90°移相器的兩個(gè)輸入端口。威爾金森功率分配器兩個(gè)輸出端口具有較高的隔離度，能保證兩路正交隔離信號(hào)的傳輸。另一方面，兩路信號(hào)的90°相位差需要在寬頻帶上持續(xù)保持，所以該寬帶正交耦合器的關(guān)鍵部分是90°移相器。

寬帶90°移相器的結(jié)構(gòu)如圖1右半部分所示。移相器有兩條支路，一支路為信號(hào)參考線，采用中心頻率特性阻抗為Z4的微帶線；另一支路由兩對(duì)分別開路和短路的電長度為電長度為半波長的微帶線和1/8波長的微帶線組成，設(shè)計(jì)時(shí)分別采用中心頻率特性阻抗為Z3和Z2的微帶線。該移相器的4個(gè)輸入輸出端口阻抗均相等，設(shè)為Z0。

圖1 寬帶正交耦合器等效電路

由于該正交耦合器的90°移相器的輸入端口連接威爾金森功率分配器的兩個(gè)輸出端口，且傳輸線Z3的電長度比Z4短1/4波長，所以port2和port3的輸出信號(hào)的幅度是相等的，并且相差90°相位。

3 仿真結(jié)果

設(shè)圖1所示耦合器中心頻率為6.0 GHz，設(shè)計(jì)采用微波介質(zhì)基板RT/duroid 6002，厚度為0.508 mm，相對(duì)介電常數(shù)2.98，損耗角正切為0.001。3個(gè)輸入輸出端口阻抗均設(shè)為Z0=50 Ω。結(jié)合寬帶90°移相器的電參數(shù)[6]，可得該寬帶正交耦合器的具體電參數(shù)：波導(dǎo)波長λ=3 0.9 2 m m，和Z4=Z0=50 Ω。相應(yīng)的微帶線長寬尺寸如表1所示。

表1 寬帶正交耦合器的設(shè)計(jì)參數(shù)

通過使用ANSYS HFSS 17.0軟件仿真可得寬帶正交耦合器的幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)。耦合器的傳輸系數(shù)和反射系數(shù)響應(yīng)曲線如圖2所示。圖中，傳輸系數(shù)S12和S13表明耦合器的兩輸出端口在4～8 GHz內(nèi)均能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的–3 dB功率輸出，具有良好的功率分配性能；以輸入端口反射系數(shù)S11＜–10 dB計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，其工作帶寬大于66%；而以反射系數(shù)S11，S22和S33均小于–15 dB為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，其工作帶寬也有50%，可見輸入和輸出端口間阻抗匹配性能良好。耦合器的移相特性響應(yīng)曲線如圖3所示，Port 2和端Port 3之間的相位差在4～8 GHz范圍內(nèi)均能實(shí)現(xiàn)90°左右的相移；以3°為最大相移偏差計(jì)算，其工作帶寬超過50%。綜合考慮功率分配帶寬和90°移相帶寬以及阻抗匹配帶寬的要求，在50%的頻帶上，該正交耦合器至少都具有良好的等功率分配和90°移相和阻抗匹配特性。本文提出的耦合器結(jié)構(gòu)，和傳統(tǒng)的正交耦合器相比，帶寬提高100%以上。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一款高性能微帶線型寬頻帶微帶正交耦合器，其工作帶寬達(dá)到50%（S11 ≤–15 dB）。該寬帶正交耦合器由一個(gè)威爾金森功分器和一個(gè)寬帶移相器級(jí)聯(lián)構(gòu)成。由于寬帶移相器的良好性能，該結(jié)構(gòu)不僅能實(shí)現(xiàn)寬帶等功率分配和寬帶阻抗匹配，還能實(shí)現(xiàn)寬帶90°移相功能。與傳統(tǒng)的正交耦合器相比，帶寬提高100%以上。所以，該正交耦合器必在寬帶通信系統(tǒng)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

圖2 寬帶正交耦合器的傳輸系數(shù)和反射系數(shù)曲線

圖3 寬帶正交耦合器的移相特性響應(yīng)曲線

[參考文獻(xiàn)]

[1]HAN R C，ZHONG S.Broadband circularly- polarised chifre-shaped monopole antenna with asymmetric feed [J].Electronics Letters，2016（4）：256-258.

[2]鐘順時(shí).微帶天線理論與應(yīng)用[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1991.

[3]WANG J H.Antennas for global navigation satellite system（GNSS）[J].IEEE Proceedings，2012（7）：2349-2355.

[4]POZAR D M.Microwave Engineering[M].4th edition.New Jersey：John Wiley & Sons，Hoboken，2012.

[5]韓榮蒼. 寬帶圓極化與雙極化介質(zhì)諧振器天線[D].上海：上海大學(xué)，2009.

[6]SAI H Y，KIM F M，WING S C.A bandwidth improved circular polarized slot antenna using a slot composed of multiple circular sectors[J].IEEE Trans. Antennas Propagat，2011（8）：3065-3070.