丁 海

（京信通信技術(shù)（廣州）有限公司，廣東 廣州 510663）

1 帶狀線耦合器

耦合器的方向性要求較高，電磁波奇模和偶模相速度是否相等直接影響方向性[1,2]。帶狀線上奇模和偶模相速度相等，大多數(shù)雙定向耦合器是通過帶狀線之間的耦合來實現(xiàn)，采用偏離耦合線中心頻率的下邊帶耦合特性進(jìn)行射頻信號的耦合取樣[3-5]。帶狀線耦合器的主要形式如圖1所示[6,7]。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)帶狀線耦合器設(shè)計模型

采用微波網(wǎng)絡(luò)理論分析其S參量為

奇模反射系數(shù)為

2 同軸-微帶型耦合器

帶狀線耦合器由于電磁場模式問題，導(dǎo)致互耦情況比較嚴(yán)重，耦合器的方向性一般只能達(dá)到20 dB左右。同軸-微帶型耦合器采用耦合棒和帶線形式實現(xiàn)耦合，可以提升耦合器的方向性。設(shè)計一種同軸-微帶型耦合器，并通過理論分析與實際案例進(jìn)行仿真測試驗證。同軸-微帶耦合器橫截面如圖2所示。

圖2 同軸-微帶耦合器橫截面

同軸-微帶耦合器的耦合模型可以認(rèn)為是2條傳輸線之間的耦合，當(dāng)同軸線（主線）上有交變電流流過時，由于同軸線與微帶耦合線（副線）相互靠近，便會有能量通過電場（以耦合電容表示）和磁場（以耦合電感表示）從同軸線耦合到微帶線中，這樣就可以對其各項指標(biāo)進(jìn)行數(shù)值化模擬。平行耦合線定向耦合器模型如圖3所示。

圖3 平行耦合線定向耦合器

設(shè)有2對平行耦合線1-4與2-3，當(dāng)主線1-4中有行波自1口向4口輸入時，主線上流有電流I1，則在輔線2-3中由于互感作用，在d-z段產(chǎn)生感應(yīng)電動勢UL，即

式中：Lm為互分布電感。

UL在輔線2、輔線3所接負(fù)載上引起感應(yīng)電流IL2與IL3，兩者的方向彼此相反（以從上到下為正方向），即

由于互電容的作用，在d-z段產(chǎn)生位移電流IC，即

式中：Cm為互分布電容。

式中：L為耦合線中考慮到另一根線的影響時的單線分布電感。

電容耦合系數(shù)為

式中：C為耦合線中考慮到另一根線的影響時的單線分布電容。

對均勻介質(zhì)下橫電磁波（Transverse Electromagnetic Wave，TEM），當(dāng)主線1-4與輔線2-3的特性阻抗均為RZ'0

時，KL=KC=K，即

對于任意長度的耦合線段來說，只要2口接了一個負(fù)載阻抗Z'0，則2口是耦合口、3口是隔離口，可以得到無窮大的方向性。

3 仿真分析

采用同軸-微帶結(jié)構(gòu)，使用位于印制線路板（Printed Circuit Board，PCB）底層的2條微帶線來分別耦合前向功率和反向功率，這2條微帶線與同軸棒平行且在同一條直線上。按照目前使用的同軸腔直徑10 mm、主同軸棒直徑4.4 mm計算，特性阻抗為50 Ω。為了減少耦合槽的寬度，又使耦合量滿足指標(biāo)要求，耦合線寬度定為2.2 mm、離地0.5 mm，計算其特性阻抗在50～73 Ω。

在保證耦合輸出端口特性阻抗為50 Ω的前提下，隔離端微帶線設(shè)計成高阻線，并通過仿真來確定其線寬。隔離端微帶線按1.2 mm設(shè)計，離地寬度0.5 mm，方向性超過30 dB。對于耦合度為30 dB以上的弱耦合，仿真中方向性超過30 dB，與實際情況差異較大，因此超過30 dB方向性的產(chǎn)品，其方向性一般仿真接近30 dB即可。高阻線需要做開窗設(shè)計，同時該高阻線后端接地部分也需要做開窗處理，以便調(diào)試。軸-微帶線耦合器模型如圖4所示。

圖4 同軸-微帶線耦合器模型

2個隔離端口與2個耦合端口位于PCB的頂層，其中同軸線兩端的端口分別是前向耦合口和反向耦合口，中間的端口為隔離口，與耦合線通過孔連接起來。

4 測試驗證

根據(jù)上述分析，實際仿真加工的電路板如圖5所示。

圖5 仿真耦合板

電路板安裝后的前向耦合測試結(jié)果如圖6所示。由圖6～圖9可以看出，該耦合器在通帶內(nèi)的波動為0.2 dB左右，前向方向性為30 dB左右，反向方向性為39 dB左右，達(dá)到設(shè)計的預(yù)期要求。

圖6 前向耦合測試結(jié)果

圖7 前向隔離測試結(jié)果

圖8 反向耦合測試結(jié)果

圖9 反向隔離測試結(jié)果

5 結(jié) 論

通過仿真設(shè)計，同軸-微帶式耦合器的結(jié)構(gòu)形式簡單，僅需耦合電路板、匹配電阻等部件即可實現(xiàn)，性能指標(biāo)較優(yōu)良，產(chǎn)品一致性較好，定型后可以做到免調(diào)試，可廣泛用于腔體式無源器件設(shè)計。