郝曉慧,陳 明,薛智慧,程丹丹

(西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院,陜西 西安 710121)

隨著無(wú)線技術(shù)的飛速發(fā)展,射頻微波集成電路已得到越來(lái)越廣泛的關(guān)注。分支線耦合器是微波集成電路的基本模塊,也是混頻器、調(diào)制器、倍頻器、放大器、功率分配器(高隔離)等微波元件的重要組成部分[1-2]。在這些微波器件中,耦合器主要起信號(hào)監(jiān)測(cè)、信號(hào)注入、功率分配及合成等作用[3-5]。傳統(tǒng)分支線耦合器往往只能工作在單頻段。單一頻段的耦合器已不能支撐所有的通信系統(tǒng),雙頻分支線耦合器[6-8]已成為當(dāng)下的研究熱點(diǎn)之一,其中微帶耦合器受到了越來(lái)越多的關(guān)注。

設(shè)計(jì)雙頻分支線耦合器需要考慮的是帶寬和結(jié)構(gòu)尺寸之間的權(quán)衡。文獻(xiàn)[1]采用在分支線耦合器上加階梯阻抗變換線的方法有效增加了工作帶寬,但是這種結(jié)構(gòu)尺寸較大。文獻(xiàn)[9]在分支線耦合器上加交叉耦合線雖然解決了結(jié)構(gòu)尺寸較大的問(wèn)題,但四分之一波長(zhǎng)分支線在奇次諧波下產(chǎn)生的雜散響應(yīng)是不可避免的。在傳統(tǒng)分支線耦合器的一對(duì)傳輸線中間加載短截線[10],不但可以設(shè)計(jì)成寬帶雙頻特性,而且實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的小型化,但當(dāng)定向耦合器偏離中心頻率時(shí),輸入駐波比和隔離度變差,耦合度也將產(chǎn)生頻偏。為了提高性能,在設(shè)計(jì)雙頻分支線耦合器時(shí)最常用的方法是添加分支線的數(shù)目[11]或引入雙頻傳輸線[12]。引入雙頻傳輸線設(shè)計(jì)雙頻分支線耦合器會(huì)導(dǎo)致耦合器的電性能下降,因而通過(guò)添加分支線的數(shù)目的方法來(lái)設(shè)計(jì)雙頻分支線耦合器是一個(gè)良好的選擇。

本文提出通過(guò)添加分支線的數(shù)目實(shí)現(xiàn)一個(gè)小尺寸的雙頻分支線耦合器。圖1是非對(duì)稱的交叉耦合分支線結(jié)構(gòu)示意圖。從圖1可知,主線和分支線分別由阻抗為Z1、Z2,電長(zhǎng)度為θ1、θ2的傳輸線構(gòu)成,通過(guò)在傳統(tǒng)分支線內(nèi)部加上阻抗為Z3,電長(zhǎng)度為θ3、θ4、θ5、θ6的一組交叉分支線實(shí)現(xiàn)雙頻工作。通過(guò)這組非對(duì)稱交叉耦合支路,提高了結(jié)構(gòu)的帶寬和自由度,同時(shí),彎曲的傳輸線保證了其結(jié)構(gòu)的緊湊性。

1 分析方法及主要參數(shù)

交叉耦合器可以看作是傳統(tǒng)耦合器內(nèi)部交叉線無(wú)限擴(kuò)展的一種特殊情況,可以通過(guò)奇偶模分析法對(duì)它進(jìn)行分析[13]。奇偶模分析法的核心是解耦,它來(lái)自對(duì)稱與反對(duì)稱的思想。任意矩陣都可以分解為對(duì)稱和反對(duì)稱矩陣之和。定義兩種外部激勵(lì):偶模激勵(lì)和基模激勵(lì)。偶模激勵(lì)是一種對(duì)稱激勵(lì),基模激勵(lì)是一種反對(duì)稱激勵(lì)。偶模激勵(lì)和基模激勵(lì)這兩種特征激勵(lì)的物理意義分別是磁壁和電壁。

圖1 非對(duì)稱的交叉耦合分支線結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of asymmetric cross-coupled branch lines

下面對(duì)定向耦合器的性能參數(shù)數(shù)進(jìn)行定義。

直通參數(shù)(T):

耦合參數(shù)(C):

輸入駐波比VSWR:

隔離參數(shù)(I):

相位差(ΔP):

在工程技術(shù)方面習(xí)慣用阻抗特性Z0。在設(shè)計(jì)工程中,將耦合器的四個(gè)端口均匹配到特性阻抗50Ω,Z0O、Z0e分別為奇模特征阻抗和偶模特征阻抗。

在波段的中心頻率上θ=90°,電壓耦合系數(shù)K為:

得奇模特征阻抗和偶模特征阻抗分別為

2 結(jié)構(gòu)描述

通過(guò)對(duì)參考文獻(xiàn)[9]的電路進(jìn)行改進(jìn),提出了如圖2所示的分支線耦合器結(jié)構(gòu)。本設(shè)計(jì)采用了厚度h=1 mm,介電常數(shù)εr=4.4,損耗角正切tanδ=0.02的環(huán)氧玻璃樹(shù)脂(FR4)作為介質(zhì)基板。固定參數(shù)有w0=2.05 mm和d=0.62 mm,相對(duì)參數(shù)有w12=2w31+s12,w32=2w31+s11,l11=l4-4d2和l3=0.74(w0+w21)+3w31+s11+s31。

圖2 耦合器的幾何結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Geometry and parameterization of the coupler

3 設(shè)計(jì)方法

令Rf(x)和Rc(x)為高保真度模型和低保真度模型在x點(diǎn)處的響應(yīng)。設(shè)計(jì)問(wèn)題可以表述為最小化任務(wù):

式中:U是標(biāo)量目標(biāo)函數(shù);x*是待確定的最佳設(shè)計(jì)。為了確保設(shè)計(jì)過(guò)程的高效率,SBO過(guò)程取代直接求解式(10)。SBO過(guò)程是通過(guò)優(yōu)化代理模型Rs(i)(x),生成一系列逼近x(i),i=1,2,…,x*,如式(11):

通過(guò)頻率調(diào)整和隱式空間映射校正函數(shù)Rc(x)構(gòu)造代理模型Rs(i)(x)。

BLC的優(yōu)化如式(12):

式中,設(shè)置閾值d=0.3 dB,懲罰因子β=5。

采用信賴域算法對(duì)耦合器進(jìn)行微調(diào)。信賴域算法是求解非線性優(yōu)化問(wèn)題的一種數(shù)值方法。它是一種迭代算法,即從給定的初始解開(kāi)始,通過(guò)逐步迭代不斷改進(jìn),直到得到滿意的近似最優(yōu)解。其基本思想是將全局優(yōu)化轉(zhuǎn)化為一系列簡(jiǎn)單的局部?jī)?yōu)化問(wèn)題。

4 結(jié)果和討論

圖1優(yōu)化后的參數(shù)如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)示意圖優(yōu)化結(jié)果Tab.1 Optimization results of the schematic diagram

優(yōu)化后的BLC耦合器結(jié)構(gòu)參數(shù)值如表2所示。

通過(guò)Ansoft高頻結(jié)構(gòu)仿真(HFSS)軟件進(jìn)行仿真及優(yōu)化設(shè)計(jì),并利用網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行實(shí)測(cè),得到分支線耦合器的S參數(shù)頻率特性曲線示于圖3和圖4中。從仿真和測(cè)量結(jié)果可以看出,分支線耦合器的各個(gè)端口均匹配。仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合良好,證明了設(shè)計(jì)的有效性。

表2 耦合器結(jié)構(gòu)參數(shù)值Tab.2 Structure parameters of the coupler mm

圖3 分支線耦合器的仿真結(jié)果Fig.3 Simulation results of branch-line coupler

從仿真結(jié)果圖3可以看出,在中心頻率3.05 GHz和6.1 GHz處小于-20 dB的阻抗帶寬分別為2.9～3.1 GHz(6.5%),5.9～6.55 GHz(10.6%)。在兩個(gè)頻率處輸出端和耦合端的相位差分別為-86.6°和-90.5°。相位差滿足90°±5°的情況下,在中心頻率3.05 GHz處帶寬為2.9～3.28 GHz,它的相位帶寬為12.4%;在中心頻率6.1 GHz處帶寬為5.4～6.48 GHz,它的相位帶寬為17.7%。

圖4 分支線耦合器的測(cè)量結(jié)果Fig.4 Measurement results of branch-line coupler

為進(jìn)一步驗(yàn)證仿真結(jié)果,采用表2中耦合器的參數(shù)值對(duì)所設(shè)計(jì)的雙頻耦合器進(jìn)行實(shí)物加工并測(cè)量,實(shí)物如圖5所示。

圖5 雙頻耦合器實(shí)物圖Fig.5 Physical view of DB coupler

從實(shí)物測(cè)量結(jié)果圖4可以看出,在中心頻率3.05 GHz和6.2 GHz小于-20 dB的阻抗帶寬分別為2.95～3.17 GHz(7.2%),5.94～6.54 GHz(9.7%)。與仿真結(jié)果相比頻率向右偏移0.1 GHz,帶寬減少了0.3 GHz。

在兩個(gè)頻率處相位差分別為-86.4°和-90.5°。相位差滿足90°±5°的情況下,在中心頻率3.05 GHz處帶寬為2.96～3.28 GHz,它的相位帶寬為10.5%;在中心頻率6.2 GHz處帶寬為5.5～6.45 GHz,它的相位帶寬為15.3%。

另外,中心頻率的回波損耗S11可以達(dá)到39 dB以上,隔離度S41在f0.1處為-23.2 dB,f0.2處為-21.7 dB。輸出S21和耦合S31均可達(dá)到-5 dB以上。

仿真結(jié)果和測(cè)量結(jié)果的具體對(duì)比見(jiàn)表3。由于耦合器的加工和測(cè)試所帶來(lái)的誤差,測(cè)量結(jié)果相對(duì)仿真結(jié)果出現(xiàn)偏差,但從整體來(lái)看兩者吻合較好。

表3 仿真結(jié)果與測(cè)量結(jié)果對(duì)比Tab.3 Results comparison between simulation and experiment

表4為本文所提出耦合器與已有的雙頻分支線耦合器的各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)比。由表4可知,本文所設(shè)計(jì)耦合器同時(shí)具有更寬的帶寬和更小的尺寸。這些優(yōu)秀的指標(biāo)使其可以應(yīng)用于寬帶無(wú)線通信系統(tǒng)。

表4 所設(shè)計(jì)耦合器與已有的雙頻分支線耦合器的性能比較Tab.4 Performance comparison between designed and existing DB coupler

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種在傳統(tǒng)耦合器中間加非對(duì)稱交叉耦合分支線的雙頻耦合器,具有尺寸小和工作帶寬寬的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)添加耦合分支線實(shí)現(xiàn)雙頻帶,交叉耦合分支線的不對(duì)稱性實(shí)現(xiàn)寬頻帶,耦合器采用彎曲的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)小型化。結(jié)果表明,中心頻率為f0.1,小于-20 dB的阻抗帶寬約為6.5%,相位帶寬約為12.4%。中心頻率為f0.2,小于-20 dB的阻抗帶寬約為10.6%,相位帶寬約為17.7%。面積僅為431.8 mm2。提出的耦合器結(jié)構(gòu)滿足尺寸小、寬頻帶和雙頻帶的要求。該耦合器可以覆蓋于S波段、C波段和XC波段。