陳曉俐，薛煥杰，官伯然

(杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，浙江 杭州 310000)

定向耦合器是用于各種高頻系統(tǒng)的重要微波器件，被廣泛用于幅度控制系統(tǒng)、平衡放大器、功率分配和合成器等很多微波器件及系統(tǒng)中。耦合器起到功率分配、組合、測(cè)量、拓?fù)涓淖兒蜑V波的作用[1-5]。隨著掃頻信號(hào)源、寬帶反射計(jì)、網(wǎng)絡(luò)分析儀以及其他功率測(cè)量設(shè)備的發(fā)展，耦合器通常需要高方向性(優(yōu)于30 dB)才能獲得合適的性能[6]。因此，寬帶且高方向性的定向耦合器的設(shè)計(jì)與研究就顯得非常有意義。

在傳統(tǒng)微帶線定向耦合器設(shè)計(jì)過(guò)程中，往往采用多節(jié)λ0/4微帶并聯(lián)耦合線級(jí)聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)寬頻帶(λ0是中心頻率f0的波長(zhǎng))，例如文獻(xiàn)[7]中使用4節(jié)級(jí)聯(lián)達(dá)到10 GHz帶寬。但是，這樣帶來(lái)的問(wèn)題就是耦合器尺寸過(guò)大，不便于集成。而且，對(duì)于微帶線耦合器，不均勻介質(zhì)中奇數(shù)和偶數(shù)模式相速度的差異使得它方向性較差。為了解決這些問(wèn)題，本文提出了一種小型化的多節(jié)微帶耦合線的定向耦合器。它包括一節(jié)λ0/4對(duì)稱平行耦合線和兩節(jié)相同的λ0/8對(duì)稱平行耦合線。此外，還通過(guò)在耦合線路的端口添加多段1/4圓弧微帶線來(lái)解決方向性差的問(wèn)題。

1 耦合器的基本結(jié)構(gòu)

定向耦合器一個(gè)重要的特點(diǎn)就是將能量沿特定的方向傳播。一般情況下，激勵(lì)端口耦合到隔離端口的能量非常小[8-9]。單節(jié)平行耦合線定向耦合器的示意圖如圖1所示。

圖1 單節(jié)平行耦合線定向耦合器示意圖Figure 1. Single section parallel coupler directional coupler schematic diagram

當(dāng)Port1為輸入端口時(shí)，Port2為直通端口，Port3為耦合端口，Port4為隔離端口[10]。其中，耦合線長(zhǎng)度為中心頻率的1/4波長(zhǎng)。

以下這種結(jié)構(gòu)的耦合器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能良好，制作方便，得到了較為廣泛的應(yīng)用[11]。

但是，使用單節(jié)耦合線無(wú)法達(dá)到足夠的帶寬。因此多采用多節(jié)1/4波長(zhǎng)平行耦合線級(jí)聯(lián)來(lái)擴(kuò)展帶寬。本研究采用兩節(jié)級(jí)聯(lián)微帶平行并聯(lián)耦合線的方式，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了改動(dòng)，得到了由一節(jié)1/4波長(zhǎng)段和兩節(jié)1/8波長(zhǎng)段組合的多段耦合器，并最終達(dá)到了6～14 GHz的工作頻帶。

2 多節(jié)微帶線定向耦合器的設(shè)計(jì)

耦合器的設(shè)計(jì)指標(biāo)：工作頻率為6～14 GHz；輸入駐波比VSWR<1.5；耦合度為25±1 dB；隔離度>10 dB；方向性>30 dB；相位不平衡度<10°。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，帶寬BW、耦合度C和波紋R計(jì)算式為

(1)

(2)

BW=π-θ0/θ0

(3)

本文設(shè)計(jì)的耦合器耦合度約為-25 dB，平坦度在±1 dB以內(nèi)。因此查找多節(jié)對(duì)稱定向耦合器的設(shè)計(jì)表格，采用-25 dB兩節(jié)等波紋耦合線為初值優(yōu)化。各節(jié)耦合度理論初值如表1所示。

表1 -25 dB耦合線定向耦合器各節(jié)耦合度初值Table 1. Coupling degree initial value of each section of -25 dB coupling line directional coupler

根據(jù)耦合度理論初值，本實(shí)驗(yàn)以兩節(jié)等波紋為初值優(yōu)化，并將第2節(jié)的1/4波長(zhǎng)段拆分為兩節(jié)1/8波長(zhǎng)段，分別置于第1節(jié)耦合段兩邊。

通過(guò)在Ansof Designer軟件中建立耦合器的電路模型，利用ADS軟件及其LineCalc工具可計(jì)算出相應(yīng)的物理參數(shù)[13]。通過(guò)優(yōu)化仿真，最終傳輸線線寬、偏移、線長(zhǎng)的具體參數(shù)如表2所示，其中，Er為相對(duì)介電常數(shù)，H為介質(zhì)板厚度。

表2 3節(jié)對(duì)稱耦合器設(shè)計(jì)參數(shù)值Table 2. Three sections symmetry coupler design parameters value

根據(jù)傳輸線阻抗匹配特性，在兩段所需匹配的傳輸線之間插入一段或多段傳輸線段，就能完成不同阻抗之間的變換，達(dá)到良好匹配[14-16]。本文采用在耦合線端口插入多段1/4圓弧微帶線進(jìn)行優(yōu)化仿真。

根據(jù)耦合器的設(shè)計(jì)指標(biāo)，設(shè)計(jì)了如下的10 GHz定向耦合器。電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，實(shí)物圖如圖3所示。印刷在厚度為0.254 mm，相對(duì)介電常數(shù)為2.2的Rogers5880介質(zhì)板上，耦合器的尺寸如表3所示。

表3 耦合器尺寸Table 3. Dimensions of the coupler /mm

圖2 寬帶微帶定向耦合器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Figure 2. Broadband microstrip directional coupler circuit topology

圖3 寬帶微帶定向耦合器實(shí)物圖Figure 3. Photography of broadband microstrip directional coupler

3 仿真結(jié)果與性能分析

根據(jù)寬帶微帶線定向耦合器最終實(shí)物圖和仿真模型，S參數(shù)仿真及實(shí)測(cè)結(jié)果如圖4～圖7所示。由于耦合器制作加工過(guò)程中的誤差、SMA接頭焊接誤差及介質(zhì)基板材料等原因，實(shí)測(cè)結(jié)果和仿真結(jié)果之間有一定的偏差，但兩者基本吻合，滿足實(shí)驗(yàn)預(yù)期。

圖4 寬帶微帶定向耦合器S參數(shù)實(shí)測(cè)結(jié)果Figure 4. Measurement results of S parameter of wideband microstrip directional coupler

圖5 寬帶微帶定向耦合器耦合度仿真及實(shí)測(cè)對(duì)比Figure 5.Simulation and comparison of coupling degree of broadband microstrip directional coupler

圖6 寬帶微帶定向耦合器隔離度仿真及實(shí)測(cè)對(duì)比Figure 6.Simulation and comparison of isolation degree of broadband microstrip directional coupler

圖7 寬帶微帶定向耦合器相位特性Figure 7.Phase characteristics of broadband microstrip directional coupler

圖4是寬帶微帶定向耦合器S參數(shù)實(shí)測(cè)結(jié)果，圖5和圖6分別是其耦合度和隔離度仿真及實(shí)測(cè)對(duì)比結(jié)果，圖7是相位特性仿真結(jié)果。仿真及實(shí)測(cè)結(jié)果顯示，頻率超過(guò)14 GHz時(shí)，信號(hào)頻率超過(guò)了耦合器的工作范圍，產(chǎn)生的組耗失配使傳輸特性插入損耗增加，頻段不穩(wěn)定[17]。根據(jù)實(shí)測(cè)曲線可以看出插損很小，耦合器的端口匹配良好，在全頻帶回波損耗都在-10 dB以下。方向性如圖6所示，耦合器的方向性在6～14 GHz頻段內(nèi)具有優(yōu)于30 dB的方向度。更重要的是，加入多段圓弧微帶線之后，在這一頻段內(nèi)耦合水平在整個(gè)設(shè)計(jì)中沒(méi)有顯著變化，依然保持了-25 dB的耦合度。圖7表明，耦合端和直通端相位差保持在90 °左右。由上可知，該耦合器具有優(yōu)異的幅度平坦特性、相位平衡特性以及優(yōu)異的方向性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從多節(jié)微帶線耦合器的基本原理出發(fā)，采用Ansoft Designer軟件進(jìn)行定向耦合器初值綜合設(shè)計(jì)，通過(guò)微帶并聯(lián)平行耦合線與圓弧微帶線級(jí)聯(lián)的方式設(shè)計(jì)了一款帶內(nèi)插損小、隔離度高、尺寸小的高方向性耦合器。文中利用ADS建模優(yōu)化，最終實(shí)物測(cè)試與仿真設(shè)計(jì)結(jié)果基本吻合。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的6～14 GHz的寬帶微帶線定向耦合器在實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用中效果良好，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。