羅 兵，張永亮

（廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子與通信學(xué)院，廣東 廣州 510515）

0 引 言

耦合器一直是無線通信系統(tǒng)中非常重要的組成部分，耦合器式一種能從無線信號主干通道中提取出一小部分信號的射頻器件，常用于對規(guī)定流向微波信號進(jìn)行取樣，例如：在微波信號發(fā)生器中用于功率監(jiān)視和功率增益控制等[1-4]，在接收機(jī)中用于抗干擾性測量或雜散測量。因此，耦合器一直是無線通信系統(tǒng)領(lǐng)域的研究熱點[1-7]。一般來說，耦合器的設(shè)計均是根據(jù)參數(shù)指標(biāo)，進(jìn)行理論計算，得到實際耦合器的設(shè)計參數(shù)，但這種方法工作量大，精度不高，理論計算較復(fù)雜，且性能較差，鮮有能調(diào)節(jié)參數(shù)指標(biāo)的帶狀線寬帶耦合器。事實上，對于耦合器的設(shè)計，射頻/微波模擬軟件是一個必要的、評估耦合器性能的工具。美國安捷倫（Agilent）公司的大型EDA軟件Advanced Design System（ADS）就是其中的佼佼者，也是各大學(xué)和研究所在微波電路和通信系統(tǒng)仿真方面使用最多的軟件之一[1-2]。本文針對傳統(tǒng)理論計算設(shè)計繁瑣的方式，使用ADS軟件快速準(zhǔn)確的設(shè)計一種可調(diào)式帶狀線寬帶耦合器，節(jié)省了時間，節(jié)約了設(shè)計成本，降低了通信系統(tǒng)更新?lián)Q代的成本，推動了通信系統(tǒng)的升級和換代。針對一般耦合器方向性較差的問題，提出一種可調(diào)諧式的設(shè)計方法，利用這種方法，極大地提高了耦合器的方向性等參數(shù)指標(biāo)，將此種耦合器用于通信系統(tǒng)，能提高通信系統(tǒng)的檢測準(zhǔn)確度，從而提高通信質(zhì)量，改善通信效果。

1 非對稱寬帶耦合器的設(shè)計原理

微帶線是一根信號線，由支在介質(zhì)基片上的單一導(dǎo)體帶構(gòu)成的微波傳輸線，基片的另一面制作有接地金屬平板，如圖1所示，微帶線的一面置于絕緣介質(zhì)上，另外一面置于空氣中，圖1（a）是微帶線的結(jié)構(gòu)，圖1（b）是微帶線的場結(jié)構(gòu)，微帶線所傳輸?shù)牟闇?zhǔn)TEM波。如果線的厚度、寬度以及與地平面之間的距離是可控制的，則它的特性阻抗也是可以控制的。而帶狀線是一條置于兩層導(dǎo)電平面之間的電介質(zhì)中間的信號線，如圖2所示，圖2（a）是帶狀線的結(jié)構(gòu)，圖2（b）是帶狀線的場結(jié)構(gòu)，帶狀線傳輸?shù)氖荰EM波。如果帶狀線的厚度和寬度、介質(zhì)的介電常數(shù)以及兩層導(dǎo)電平面間的距離是可控的，那么線的特性阻抗也是可控的。一般來說，帶狀線兩邊都有地平面，因此阻抗比微帶線會更易控制，同時屏蔽較好，且微帶線不利于實現(xiàn)較好的方向性和較高的帶寬。

圖1 微帶線及其場結(jié)構(gòu)

圖2 帶狀線結(jié)構(gòu)

對于微帶線，其特性阻抗可以表示為[5]：

其中，d表示微帶線到底層地平面之間的距離，W表示微帶線的寬度，εe為微帶線的有效介電常數(shù)，是把兩種介質(zhì)對微帶線特性阻抗的貢獻(xiàn)等效為一種假想的均勻介質(zhì)，εe表示為：

式（3）中的εr為絕緣介質(zhì)層介質(zhì)的介電常數(shù)。

對于帶狀線，特性阻抗可以表示為：

其中，εr為介質(zhì)的介電常數(shù)，b為上、下兩層地平面之間介質(zhì)層的厚度，We為帶狀線的有效寬度，We與實際帶狀線寬度W、上下兩層地平面之間介質(zhì)層的厚度b的關(guān)系為：

由于微帶線的上下層介質(zhì)（一層為空氣，一層為絕緣介質(zhì)層）不一樣，由圖1和式（1）、式（2）、式（3）可看出，微帶線的特征阻抗較難控制。而由圖2和式（4）、式（5）、式（6）可看出，由于帶狀線的上下層介質(zhì)相同，特征阻抗更容易控制，因此，選擇帶狀線的方式設(shè)計非對稱寬帶耦合器。另一方面，因為微帶線的上層是空氣，而帶狀線的上下層均為介質(zhì)，微帶線中信號傳輸比帶狀線中的信號傳輸要快（對于耦合器來說，傳輸速度不是主要關(guān)注的指標(biāo)），微帶線比帶狀線也更易于加工和調(diào)諧，因此，要對帶狀線結(jié)構(gòu)設(shè)計留有可調(diào)諧窗口，便于對帶狀線進(jìn)行調(diào)諧。

在確定了選擇帶狀線的設(shè)計結(jié)構(gòu)后，根據(jù)特征阻抗與奇、偶模阻抗的關(guān)系，通過選擇合適的奇模阻抗（Z0o）和偶模阻抗（Z0e），根據(jù)單節(jié)耦合器（如圖3所示）的結(jié)構(gòu)，奇模阻抗和偶模阻抗與回波損耗（S11）、插入損耗（S21）、耦合損耗（S31）、隔離度（S41）的關(guān)系如下：

圖3 單節(jié)耦合器結(jié)構(gòu)

而特征阻抗（Z0）與其奇模阻抗（Z0o）、偶模阻抗（Z0e） 的關(guān)系為：

因此，利用式（1）～式（11），可以準(zhǔn)確的計算出相應(yīng)的耦合器結(jié)構(gòu)尺寸。

2 20 dB非對稱寬帶耦合器的設(shè)計與仿真

利用非對稱寬帶耦合器的設(shè)計原理，耦合器階數(shù)越多，帶寬越寬，但仿真和調(diào)試越難。為了達(dá)到耦合器的設(shè)計帶寬，采用4階非對稱結(jié)構(gòu)的形式，設(shè)計和仿真了一種寬帶耦合器，其指標(biāo)為：

（1）帶寬頻率為：350～2 700 MHz；

（2）帶內(nèi)插入損耗：≤0.15 dB；

（3）方向性：≥25 dB；

（4）隔離度：≥55 dB；

（5）回波損耗：≥25 dB；

（6）輸入輸出阻抗：50 Ω。

在ADS（Advanced Design System）軟件中建立非對稱寬帶耦合器的模型，從左到右耦合間距逐漸變寬，并利用了枝節(jié)加載的方式，如圖4所示，在ADS軟件中進(jìn)行電磁仿真，最終仿真的各端口回波損耗（S11、S22、S33、S44）＞26 dB、0.05 dB ＜插入損耗（S21）＜0.146 dB、19.338 dB＜耦合損耗（S31）＜20.596 dB、48.819 dB＜隔離度（S41）＜65.976 dB，分別如圖5、圖6、圖7、圖8所示。

圖4 4階非對稱結(jié)構(gòu)寬帶耦合器電磁仿真模型

圖5 仿真的寬帶耦合器各端口回波損耗

圖6 仿真的寬帶耦合器插入損耗（S21）

圖7 仿真的寬帶耦合器耦合損耗（S31）

圖8 仿真的寬帶耦合器隔離度（S41）

3 寬帶耦合器的仿真與實際指標(biāo)對比

由于加工誤差，寬帶耦合器在制作過程中會存在與仿真尺寸的差異，因此，為了確保產(chǎn)品的合格率，設(shè)計了一種可以通過適當(dāng)修補(bǔ)銅皮的方式來進(jìn)行寬帶耦合器的調(diào)諧，如圖9所示。對實際制作的非對稱寬帶耦合器進(jìn)行了測試，將實際制作的非對稱寬帶耦合器與ADS電磁仿真結(jié)果對比，最終實物測試與仿真結(jié)果指標(biāo)吻合，如圖10，圖11，圖12，圖13所示，因此，完全可以根據(jù)仿真的結(jié)果制作寬帶耦合器，降低設(shè)計成本。

圖9 非對稱寬帶耦合器的帶線

圖10 實測與仿真的回波損耗對比（S11）

圖11 實測與仿真的插入損耗對比（S21）

圖12 實測與仿真的耦合損耗對比（S31）

圖13 實測與仿真的隔離損耗對比（S41）

4 結(jié) 語

寬帶耦合器的設(shè)計是無線通信領(lǐng)域一直比較熱門的研究技術(shù)，采用理論設(shè)計方法已經(jīng)顯得耗時、費(fèi)力、工作量大、精度不高，因此本文使用經(jīng)典的微波射頻仿真軟件ADS（Advanced Design System）進(jìn)行寬帶耦合器的設(shè)計與仿真工作，能快速的實現(xiàn)寬帶耦合器的設(shè)計。本文采用帶狀線方式實現(xiàn)寬帶耦合器，利用了帶狀線阻抗較易控制的優(yōu)點，克服帶狀線不方便進(jìn)行調(diào)諧的缺點，設(shè)計了一種非對稱寬帶耦合器，帶寬較寬（覆蓋2G、3G、4G等頻段），具有優(yōu)良的回波損耗（S11＜-25.5 dB），較穩(wěn)定的耦合度（-20.59 dB＜S31＜-19.45 dB），較高的隔離度（S41＜-55.9 dB），直通端具有較小的帶內(nèi)波動（-0.15 dB＜S12＜-0.05 dB），并且在一定范圍內(nèi)可調(diào)諧，功率容限高，體積小，用于通信系統(tǒng)，可以降低設(shè)計成本。