蔡德龍，劉成安，蔡鐘斌，呂濤
?。ㄎ髂峡萍即髮W(xué) 國(guó)防科技學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621010）
摘要：多階1/4波長(zhǎng)濾波器理論為寬帶定向耦合器的研究提供了依據(jù)，利用該方法設(shè)計(jì)了應(yīng)用頻段為2～6 GHz的多節(jié)3 dB的交錯(cuò)耦合帶狀線定向耦合器，并利用電磁仿真軟件HFSS進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果表明，該帶狀線耦合器具有良好的方向性、較高的耦合度和較低的插損，從而為這類寬帶強(qiáng)耦合度耦合器的研究提供了一定的參考價(jià)值。
關(guān)鍵詞：無(wú)線電電子學(xué)；帶狀線耦合器；寬帶；電磁仿真；HFSS
0引言
國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2013BAH32F00）耦合器是現(xiàn)代微波工程測(cè)試技術(shù)中廣泛用到的無(wú)源器件,其主要作用是將微波信號(hào)進(jìn)行某個(gè)方向的功率耦合，將耦合后的功率信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)、調(diào)節(jié)等處理。定向耦合器因其體積小、損耗低、可靠性高而備受青睞。隨著微波工程技術(shù)的發(fā)展，各種形式的耦合器得到了研究與應(yīng)用。參考文獻(xiàn)［1］提出了一個(gè)應(yīng)用于8-12 GHz的E面波導(dǎo)3 dB耦合器的改進(jìn)型結(jié)構(gòu)。參考文獻(xiàn)［2］報(bào)道了基于波導(dǎo)的Q波段3 dB環(huán)形電橋的設(shè)計(jì)，證明了這種環(huán)形電橋在該頻段良好的電磁性能。參考文獻(xiàn)［3］提出了一種應(yīng)用于2-20 GHz的新拓?fù)涑瑢拵?0 dB的定向耦合器，在通帶內(nèi)取得滿意的效果。
但以上研究均存在一些不足，就是其相對(duì)帶寬較窄，在實(shí)際應(yīng)用上具有一定的局限性，當(dāng)帶寬較寬時(shí)，難以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)耦合［3］。由于波導(dǎo)本身截止頻率的約束，對(duì)于寬帶跨波段耦合器的研究則無(wú)法再使用波導(dǎo)的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)。相對(duì)于常用的微帶線，采用帶狀線形式的傳輸線具有更高的功率容量和更低的輻射損耗。利用帶狀線3 dB耦合器作為功分/合成網(wǎng)絡(luò)，可以研制更大功率的固態(tài)功放［4］。
1耦合器的基本結(jié)構(gòu)
常見的耦合器基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，其耦合原理在一些文獻(xiàn)中有詳細(xì)的闡述［5］。當(dāng)P1為輸入信號(hào)端口時(shí)，P2端口則為直通端口，P3端口為耦
合端口，P4端口為隔離端口。其中，平行耦合線的長(zhǎng)度等于中心頻率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的1/4。
以上結(jié)構(gòu)的耦合器因具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小、制造方便等優(yōu)點(diǎn)得到了較為廣泛的應(yīng)用。由于采用這種單節(jié)耦合線，使得該定向耦合器也存在一些不足，即無(wú)法達(dá)到足夠的帶寬。為了達(dá)到這一要求，采用多節(jié)1/4平行耦合線是一種較為有效的方法。參考文獻(xiàn)［6］提出的3/4波長(zhǎng)耦合線寬邊耦合器就是對(duì)該方法的成功實(shí)踐。參考文獻(xiàn)［7］采用襯底型五級(jí)平行耦合帶狀線實(shí)現(xiàn)了6 dB超寬帶耦合器的研究?？梢娡ㄟ^多節(jié)1/4波長(zhǎng)平行耦合線研制的耦合器可以顯著擴(kuò)展帶寬。
耦合線結(jié)構(gòu)示意圖平行寬邊帶狀耦合線結(jié)構(gòu)如圖2所示。導(dǎo)體平行置于間距為B的兩接地板之間，中間填充介電常數(shù)為εr的介質(zhì)，導(dǎo)體間距為S，兩導(dǎo)體水平偏移為W0，由于導(dǎo)體之間、導(dǎo)體與介質(zhì)之間有著較強(qiáng)的介質(zhì)耦合，故利用該結(jié)構(gòu)可以研制強(qiáng)耦合度的耦合器。
2設(shè)計(jì)流程
2.1設(shè)計(jì)指標(biāo)
根據(jù)項(xiàng)目要求，所要設(shè)計(jì)的耦合器指標(biāo)如表1所示。
2.2設(shè)計(jì)思路
根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)，所設(shè)計(jì)的3 dB帶狀線耦合器屬于強(qiáng)耦合度的耦合器。采用多節(jié)1/4波長(zhǎng)帶狀線即使兩帶狀線完全重疊也難以達(dá)到3 dB耦合度的要求。參考文獻(xiàn)［8］通過兩個(gè)單節(jié)級(jí)聯(lián)帶狀線耦合器研制的3 dB耦合器在8~12 GHz取得了令人滿意的效果。因此考慮使用完全相同的兩個(gè)8.34 dB的帶狀線耦合器級(jí)聯(lián)來(lái)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
首先根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)可知，其帶內(nèi)中心頻率f0=(f1+f2)/2=4 GHz，由帶寬公式B=f2/f1和相對(duì)帶寬公式W=BW/f0（其中B、W為絕對(duì)帶寬）確定該耦合器的帶寬B=3以及相對(duì)帶寬W=1.043 55，在滿足設(shè)計(jì)要求的情況下，應(yīng)當(dāng)考慮小型化問題，級(jí)盡可能地使得節(jié)數(shù)n更小。通過查詢切比雪夫耦合傳輸線定向耦合器歸一偶模阻抗數(shù)值表，得到如表2所示［9］的數(shù)據(jù)。
其中，δ是理想情況下的紋波，單位是dB。由于所設(shè)計(jì)的是多節(jié)對(duì)稱耦合型耦合器，且
故Z3=Z1，以此計(jì)算得到奇偶模阻抗值如表3所示。
擬選取TACONIC公司的介電常數(shù)εr=2.65的PCB板材，利用ADS中的傳輸線計(jì)算工具可以計(jì)算線寬W。上下導(dǎo)體的間距S設(shè)置為0.254 mm，導(dǎo)體與地之間的介質(zhì)厚度設(shè)置為0.762 mm，兩接地板之間的距離B設(shè)置為1.778 mm。經(jīng)過多次迭代運(yùn)算，可以得到單個(gè)帶狀線耦合器的導(dǎo)體寬度W與兩層導(dǎo)體的位移W0如表4所示。
3建模與仿真
根據(jù)以上相關(guān)數(shù)據(jù)，可以完整地建立耦合器的模型?？紤]到使用兩個(gè)完全相同的耦合器級(jí)聯(lián)，故每個(gè)耦合器兩導(dǎo)體使用交錯(cuò)耦合結(jié)構(gòu)，每層導(dǎo)體呈中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)，如圖3所示。
利用全三維電磁仿真軟件HFSS，建立了圖3所示的對(duì)稱型多節(jié)帶狀線耦合器模型，由于導(dǎo)體很薄，信號(hào)在導(dǎo)體上的實(shí)際傳輸損耗非常小，故導(dǎo)體采用理想導(dǎo)體（即厚度為零）?？紤]到使用兩個(gè)交錯(cuò)帶狀線耦合器級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)3 dB強(qiáng)耦合，建模的時(shí)候，利用一個(gè)8.34 dB耦合器通過鏡像、合并即可實(shí)現(xiàn)。
由于采用多節(jié)耦合，要達(dá)到所設(shè)計(jì)的指標(biāo)，需要將多個(gè)變量進(jìn)行優(yōu)化以尋求最佳效果。而且每相鄰兩節(jié)導(dǎo)體之間的不連續(xù)性比較明顯，通過在不同地方添加導(dǎo)體枝節(jié)的方法，可以顯著改善帶狀線導(dǎo)體的不連續(xù)性引起的損耗，優(yōu)化反射系數(shù)。整個(gè)3 dB帶狀線耦合器模型如圖4所示。
4仿真結(jié)果
在HFSS建模窗口中的分析求解欄中設(shè)置好掃描類型、求解頻率及步長(zhǎng)，對(duì)所建立的3 dB耦合器模型進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖5-圖8所示。
通過以上仿真結(jié)果可以看出，采用交錯(cuò)型耦合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的帶狀線耦合器在通帶內(nèi)具有較低的損耗和較高的隔離度，耦合器的直通端口與耦合端口的電磁能量近乎均等，使得耦合器能實(shí)現(xiàn)良好的3 dB功率平分。
在仿真優(yōu)化的過程中發(fā)現(xiàn)，介質(zhì)厚度的變化、枝節(jié)長(zhǎng)度和寬度的變化以及枝節(jié)所在的位置等參量都與仿真結(jié)果密切相關(guān)。中間介質(zhì)的厚度越薄，耦合越緊，但隔離度變差；上下兩層介質(zhì)越薄，耦合越松，隔離度越好；同一帶寬條件下，頻率越高，其端口駐波比越差；靠近端口處的帶狀線枝節(jié)可以顯著地改善反射系數(shù)。各枝節(jié)的尺寸與具體位置是通過綜合考慮各種指標(biāo)通過優(yōu)化相關(guān)參數(shù)來(lái)確定的。
5結(jié)論
本文基于多節(jié)對(duì)稱型耦合傳輸線耦合器設(shè)計(jì)思路，通過查表法設(shè)計(jì)了一款頻段位于2-6 GHz的3 dB交錯(cuò)級(jí)聯(lián)帶狀線耦合器。利用HFSS對(duì)所設(shè)計(jì)的耦合器模型進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明，增加導(dǎo)體枝節(jié)后，在2-6 GHz頻段內(nèi)，所設(shè)計(jì)的耦合器的傳輸系數(shù)、反射系數(shù)和隔離度有較大的改善，其指標(biāo)都滿足預(yù)期指標(biāo)要求，也易實(shí)現(xiàn)小型化。利用該方法可以設(shè)計(jì)這類帶寬更寬的耦合器。
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