劉松林

（成都漢芯國(guó)科集成技術(shù)有限公司，成都 610000）

定向耦合器是射頻收發(fā)機(jī)系統(tǒng)中常用的一種四端口器件，主要用于對(duì)系統(tǒng)中某一確定傳輸方向的功率信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。定向耦合器作為一種基本的微波無源器件，能夠在一定的頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)隔離、功分和合成功率信號(hào)的功能，廣泛應(yīng)用于平衡開關(guān)、反射式移相器、匹配放大器、信號(hào)發(fā)生器和射頻收發(fā)器等領(lǐng)域。方向性和插入損耗是定向耦合器的2個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，因?yàn)榉较蛐詻Q定了發(fā)射功率的調(diào)制精度，而插入損耗直接關(guān)系到發(fā)射效率。此外，隨著射頻系統(tǒng)工作頻率的增加，對(duì)超寬帶定向耦合器的需求也越來越大。因此，人們?cè)陂_發(fā)具有超寬帶、低插入損耗、高方向性的定向耦合器方面作出了許多努力。例如，通過調(diào)節(jié)孔的位置或波導(dǎo)的方向，在耦合口疊加了電偶極子的輻射場(chǎng)，在隔離口偏移了磁偶極子的輻射場(chǎng)，從而提高了波導(dǎo)定向耦合器的方向性[1]。通過增加耦合隙中的奇模電容和降低耦合隙中的奇模相速度，提高了微帶定向耦合器的方向性，采用多段電路提高了定向耦合器的工作帶寬[2]。近年來，小型化是定向耦合器的發(fā)展趨勢(shì)之一。雖然已有的研究在提高定向耦合器的性能方面取得了很大的進(jìn)展[3-6]，但在低頻段實(shí)現(xiàn)低插入損耗、超寬帶、高指向性的片上定向耦合器仍是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

20世紀(jì)中葉，鐵氧體材料的發(fā)現(xiàn)可以說是微波技術(shù)中的一大突破。鐵氧體磁芯的初始磁導(dǎo)率在極寬的一段頻率范圍內(nèi)基本保持不變的特性使得其制成的射頻器件具有極寬的工作帶寬。目前，基于鐵氧體磁芯的射頻器件已經(jīng)受到越來越多的關(guān)注。國(guó)內(nèi)外基于鐵氧體材料也進(jìn)行了很多的研究[7-10]，其在射頻段，尤其是低頻段有著十分優(yōu)良的性能。

本文為了解決低頻段使用分布式參數(shù)使得物理尺寸過大的問題，利用鐵氧體磁芯在低頻段得到寬帶特性，通過在鐵氧體磁芯上纏繞漆包線的形式以及在耦合端加載高阻值電阻的形式實(shí)現(xiàn)小信號(hào)耦合，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高方向性，并通過制作耦合器實(shí)物進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計(jì)方法的正確性。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，制作的耦合器在30～300 MHz頻段內(nèi)具有良好的頻率響應(yīng)。其中，回波損耗（S11）小于-30 dB，直通損耗（S21）小于0.3 dB，耦合度32 dB，方向性通頻帶內(nèi)保持在20 dB以上。

1 概述

1.1 定向耦合器

定向耦合器是一種將功率定向分配給多個(gè)終端的四端口網(wǎng)絡(luò)，主要包含輸入端、直通端、耦合端和隔離端。定向耦合器由主線和副線組成，如圖1所示，端口1為輸入端，端口2是直通端，端口3和端口4分別為耦合端和隔離端。輸入信號(hào)將功率從輸入端輸入，在主線上將絕大部分功率輸送到直通端；在副線上將輸入信號(hào)耦合到耦合端，理論上輸入信號(hào)在隔離端無耦合出來的功率。定向耦合器的技術(shù)指標(biāo)主要包括：耦合度C、方向性D，插入損耗IL和工作帶寬BW等。

圖1 定向耦合器原理圖

1.2 鐵氧體材料基本特性

傳統(tǒng)的集總元器件，如貼片電阻、電容、電感等，雖然體積非常小，但只能適用于低頻段（小于10 MHz），而且損耗和誤差也非常大；隨著頻率的不斷升高，以分布式參數(shù)微帶線為主的射頻器件使用也越來越廣泛，但是這類器件的有效帶寬十分狹窄，而且由于微帶電路自身的特性，貼片微帶線器件的功率容量十分有限，但有大功率容量的金屬波導(dǎo)器件的制造成本太過昂貴且不具有普遍性。

20世紀(jì)中葉，鐵氧體材料的發(fā)現(xiàn)可以說是微波技術(shù)中的一大突破。目前，基于鐵氧體磁芯的射頻器件已經(jīng)受到越來越多的關(guān)注。鐵氧體材料在微波器件領(lǐng)域中的應(yīng)用比較廣泛，其形狀也因其具體應(yīng)用分為E型，單孔磁芯和雙孔磁芯等。這種材料的特點(diǎn)在于其標(biāo)量磁導(dǎo)率，在寬帶射頻器件設(shè)計(jì)中，利用其標(biāo)量磁導(dǎo)率，所研制的器件屬于互易器件，與微波鐵氧體旋磁材料有著本質(zhì)的區(qū)別，后者主要利用材料的飽和磁化強(qiáng)度和共振線寬來設(shè)計(jì)一些非互易性的器件，而射頻寬帶器件中用到的鐵氧體材料是依靠其磁導(dǎo)率和其磁損耗對(duì)應(yīng)頻率的變化響應(yīng)曲線不同，來設(shè)計(jì)各種各樣不同功能的器件。由于鐵氧體材料的磁導(dǎo)率磁損耗在高頻的情況下都會(huì)減小到無窮小，所以這種材料很難在高頻端得到應(yīng)用。

大多數(shù)對(duì)磁性材料的研究認(rèn)為是磁損耗越小越好，同時(shí)又希望磁導(dǎo)率能保持一個(gè)較大的值。軟磁材料的截止頻率大多在2 GHz以下，即當(dāng)頻率大于2 GHz時(shí)，材料的磁導(dǎo)率和磁損耗都會(huì)迅速減小到0。由于磁導(dǎo)率數(shù)值隨著頻率的升高會(huì)下降，按照磁導(dǎo)率的可用頻率，這類軟磁材料制作的器件大多工作在幾十千赫茲到幾百兆赫茲左右，具有非常好的低頻特性，同時(shí)因?yàn)椴牧媳旧淼奶匦?，設(shè)計(jì)的器件尺寸不受波長(zhǎng)比擬的限制，因此可以大大減小實(shí)際的尺寸，達(dá)到器件小型化設(shè)計(jì)的目的[11-12]。

2 基于鐵氧體磁芯的寬帶定向耦合器設(shè)計(jì)

根據(jù)上文所述，鐵氧體材料可以在1 GHz以下實(shí)現(xiàn)良好的電性能，本文結(jié)合經(jīng)典的定向耦合器電路和傳輸線變壓器的相關(guān)知識(shí)，設(shè)計(jì)了一款0.1～300MHz的高耦合系數(shù)寬帶定向耦合器，此類耦合器在有較小的物理尺寸的同時(shí)，具有良好的電性能。

2.1 電路設(shè)計(jì)

微帶線、帶狀線或是波導(dǎo)形式的定向耦合器都需要四分之一波長(zhǎng)線來滿足一定的阻抗變換，從而實(shí)現(xiàn)耦合器的基本功能，若是在幾十兆或者是幾百兆赫茲時(shí)，四分之一波長(zhǎng)線就會(huì)使得器件整體尺寸變得相當(dāng)大，而且?guī)捯埠茈y做得很寬。圖2為本文所設(shè)計(jì)的寬帶定向耦合器的等效電路圖，其中TR1為一個(gè)雙線變壓器，繞線比為1∶N，兩個(gè)高阻值電阻R1和R2分別跨接在輸入端與耦合端、直通端與隔離端之間，阻值均為R，之后再接入2個(gè)50Ω匹配電阻，主要作用是利用高阻值電阻從主線上獲得一個(gè)小電流和小電壓，從而在耦合端耦合出一個(gè)小功率信號(hào)。

2.2 性能分析

圖2的電路仿真結(jié)果如圖3所示，在理想狀態(tài)下，鐵氧體材料所制成的定向耦合器可以實(shí)現(xiàn)超寬帶工作，以及很好的方向性。從圖3中可以看出，所涉及的耦合器的回波損耗在通頻帶內(nèi)在-30 dB以下，耦合度為33 dB，方向性在20 dB以上。

圖2 寬帶定向耦合器等效電路圖

圖3 定向耦合器仿真結(jié)果

為了進(jìn)一步探究電路參數(shù)對(duì)耦合器性能的影響，本文對(duì)不同匝數(shù)比以及不同高阻值電阻進(jìn)行了掃參分析。圖4為不同匝數(shù)比和不同高阻值電阻R情況下耦合度的變化情況，從圖4中看到，隨著匝數(shù)比N的提高，耦合度不斷升高；電阻的值越大，耦合系數(shù)也越大。因此，通過合理確定匝數(shù)比和電阻值，使其達(dá)到一個(gè)平衡，可以顯著提高設(shè)計(jì)的耦合器的電性能。

圖4 不同匝數(shù)比和電阻值R對(duì)耦合度的影響

3 實(shí)物制作和測(cè)試

為了進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性，圖5（a）為實(shí)際制作的寬帶定向耦合器實(shí)物圖，本設(shè)計(jì)中，TR1的匝數(shù)比為1∶36，R1和R2的阻值均為2.7 kΩ，電路基板選用介電常數(shù)為2.65的F4B-2板材，厚度為1 mm。圖5（b）為實(shí)測(cè)結(jié)果。從圖5（b）可以看出，所制作的耦合器在30～300 MHz頻段范圍內(nèi)具有良好的電性能，輸入端回波損耗（實(shí)線，S11）優(yōu)于-30 dB，插入損耗（虛線，S21）小于0.3 dB，耦合度（點(diǎn)線，S31）基本保持在32 dB，隔離度（點(diǎn)劃線，S41）通頻帶內(nèi)大于55 dB。

圖5 定向耦合器實(shí)物圖及其實(shí)測(cè)結(jié)果

4 結(jié)論

本文提出了一種基于鐵氧體磁芯的寬帶定向耦合器，主要工作在0.1～300 MHz，實(shí)際制作實(shí)物證明這種設(shè)計(jì)具有很好的回波損耗（小于-30 dB），低插損（小于＜0.3 dB）以及高方向性（大于20 dB）的特點(diǎn)。這種設(shè)計(jì)利用鐵氧體材料在低頻的寬帶特性，避免了傳統(tǒng)微帶結(jié)構(gòu)尺寸與工作波長(zhǎng)比擬的特點(diǎn)，大大減小了物理尺寸的同時(shí)，保證了良好的電性能。