微帶分支線定向耦合器的小型化

陳 佳，張紹洲

（1.新疆大學(xué) 電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047；2.寧波大紅鷹學(xué)院 機(jī)電學(xué)院，浙江 寧波315175）

定向耦合器在微波技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用，如用來(lái)檢測(cè)功率、頻率和頻譜；把功率進(jìn)行分配和合成；構(gòu)成雷達(dá)天線的收發(fā)開(kāi)關(guān)；是平衡混頻器和測(cè)量電橋中重要組成部分；還可以利用定向耦合器來(lái)測(cè)量反射系數(shù)和功率等。目前迅速發(fā)展的通訊領(lǐng)域中，平面結(jié)構(gòu)的定向耦合器得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用如用于軍事通信[1]、雷達(dá)系統(tǒng)[2]、移動(dòng)通信的微波系統(tǒng)中的傳輸、測(cè)試、定位等領(lǐng)域，并廣泛應(yīng)用在室內(nèi)覆蓋、WLAN、小區(qū)覆蓋等系統(tǒng)中。

但是傳統(tǒng)的定向耦合器占電路面積太多，在迅速發(fā)展的微波集成電路（MIC）和單片微波集成電路（MMIC）中，微帶元器件是微波系統(tǒng)中的核心器件扮演著不可或缺的角色，因此定向耦合器的性能成為制約系統(tǒng)性能和技術(shù)水平的關(guān)鍵。而通信系統(tǒng)的設(shè)備尺寸實(shí)現(xiàn)小型化，相應(yīng)也要求應(yīng)用其中的微波器件實(shí)現(xiàn)小型化。這些都使得研究定向耦合器的寬帶小型化具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，因此降低成本，提高性能和集成度使微帶元器件的小型化理論成為發(fā)展的趨勢(shì)。

文中主要采用傳輸線等效的方法將四分之一波長(zhǎng)傳輸線等效為在中間加接終端開(kāi)路短截線將其轉(zhuǎn)化成T型微帶線，使其小型化。但是終端開(kāi)路短截線與主線的連接處很寬而且主線和副線的終端開(kāi)路的微帶線之間距離很近，對(duì)于傳輸信號(hào)會(huì)相互耦合，影響定向耦合器特性產(chǎn)生影響，因此對(duì)終端開(kāi)路線進(jìn)行進(jìn)一步的等效。設(shè)計(jì)得到的3 dB定向耦合器的參數(shù)滿足要求，為其在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

1 等 效

1.1 傳輸線縮短

將電長(zhǎng)度為的傳輸線等效[3]為T型傳輸線：

圖1 傳輸線等效T型圖Fig.1 Equivalent T-shaped transmission line of traditional line

此時(shí)兩等效電路的參數(shù)應(yīng)相等：

微帶分支線定向耦合器的主線和縮短后的T型微帶線的特性應(yīng)該相同，因此它們的A參數(shù)應(yīng)該相等，利用這一原理可以得到4個(gè)關(guān)于A、B、C、D的等式，選用對(duì)稱結(jié)構(gòu)且，等式最后整理如下：

圖2 等效T型縮小化微帶分支線定向耦合器Fig.2 Miniaturized microstrip branch-line coupler by T-shaped transmission line

由以上公式，對(duì)于Z0=50 Ω的四分之一波長(zhǎng)微帶線所取各 值 為 ：M=2，K=4.3， 求 得 Z1=Z3=100 Ω，θ1=θ3=26.59°，Z2=23.21 Ω，θ2=27.77°。

對(duì)于Z0=50Ω的四分之一波長(zhǎng)微帶線所取各值為：M=2.2，K=3.3，求得 Z1=Z3=77.2 Ω，θ1=θ3=24.38°，Z2=23.21 Ω，θ2=27.77°。

通過(guò)理論計(jì)算及ADS中參數(shù)計(jì)算可得到縮小化的微帶分支線定向耦合器，縮小后的定向耦合器面積約為傳統(tǒng)定向耦合器面積的55%。

1.2 對(duì)終端開(kāi)路傳輸線等效

一條微帶線經(jīng)過(guò)等效[4]后在中間加接終端開(kāi)路短截線可以使原來(lái)的微帶線縮短，但終端開(kāi)路短截線與主線的連接處很寬，而且中間部分還可能會(huì)相互交疊，這就對(duì)定向耦合器的參數(shù)產(chǎn)生影響，所以將終端開(kāi)路線做成十字型微帶線如圖3所示。

圖3 對(duì)稱型T型結(jié)構(gòu)到十字型結(jié)構(gòu)微帶線的示意圖Fig.3 Symmetric T-structure to the cross-shaped structure diagram of the microstrip line

對(duì)于終端開(kāi)路的短截線其等效電路圖3所示的A參數(shù)為：

將微帶終端開(kāi)路短截線用魚骨型微帶線代替，魚骨型微帶線的等效電路圖4所示的A參數(shù)為：

圖4 魚骨型微帶線的等效電路Fig.4 Equivalent circuit of the fish-bone microstrip line

由兩者的A參數(shù)相等可以得到：

然而對(duì)于T型結(jié)構(gòu)中短截線的Z2，θ2的等效電感值和電容值也可以用式（8）和式（9）計(jì)算得到。

其中為微帶線的特性阻抗，ω=2πf，θ2為微帶線的電長(zhǎng)度。

利用求得的 L 和 C 的值可以確定 L1，L3…L2n+1和 C2，C4…C2n的值。從而確定魚骨型結(jié)構(gòu)中每條微帶線的尺寸，在文中n=1，魚骨型就變成十字型。

1）Z0=50 Ω的四分之一波長(zhǎng)微帶線小型化的參數(shù)：

2）Z0=50Ω的四分之一波長(zhǎng)微帶線小型化的參數(shù)：

2 十字型微帶線小型化3 dB分支線定向耦合器和ADS仿真

利用上面的Z0=50 Ω和Z0=50Ω的四分之一波長(zhǎng)線的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行微帶線長(zhǎng)寬的計(jì)算，得出十字型微帶分支線定向耦合器的結(jié)構(gòu)及其各項(xiàng)尺寸如上圖5和表1所示。

用ADS軟件對(duì)上面的電路圖進(jìn)行S參數(shù)仿真，仿真的S參數(shù)如下圖6所示。仿真后與標(biāo)準(zhǔn)3 dB分支線定向耦合器的S參量進(jìn)行特性比較，可以看出十字型微帶分支定向耦合器的S參量特性曲線基本滿足要求，在中心頻率處，直通端口和耦合端口的相位差也滿足要求。但在高于1.5 GHz處S參數(shù)特性曲線產(chǎn)生畸變，除S11外S21、S31、S41均出現(xiàn)不同程度的衰減。這可能是由于微帶線不連續(xù)性、不均勻性或者各微帶之間的相互干擾造成的[5-7]。在具體制作電路過(guò)程中，可以做些相應(yīng)的處理來(lái)避免這種情況，此小型化方案在理論上時(shí)可行的。

圖5 十字型微帶分支線定向耦合器版圖Fig.5 Layout of cross-shaped microstrip branch-line coupler

表1 十字型微帶分支線定向耦合器微帶線參數(shù)尺寸Tab.1 Sizeofcross-shapedm icrostripbranch linem icrostrip coupler

圖6 十字型微帶定向耦合器的S參數(shù)頻率特性曲線Fig.6 S-parameter curve of cross-shaped microstrip coupler

3 結(jié) 論

文中主要通過(guò)將微帶線接終端開(kāi)路線使定向耦合器的四分之一波長(zhǎng)的微帶線縮短，為防止出現(xiàn)終端開(kāi)路線離得過(guò)近而出現(xiàn)相互間的電磁耦合影響同時(shí)進(jìn)一步縮短耦合器面積，又用等效方法將終端開(kāi)路線等效成十字型的微帶線，最終得到的十字型雙分支微帶定向耦合器約為傳統(tǒng)定向雙分支定向耦合器面積的36%，實(shí)現(xiàn)了小型化。

[1]田佳峻，姚勇，趙新輝，等.自由空間光通信的抗干擾接收系統(tǒng)[J].紅外與激光工程，2009，38（1）:96-100.TIAN Jia-jun， YAO Yong， ZHAO Xin-hui.Anti-jamming receiver system of free space optical communication[J].Ifrared and Laser Engineeering，2009，38（1）：96-100.

[2]朱暢，馮起，袁乃昌.新型定向耦合器在DIFM中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2006，28（2）:60-63.ZHU Chang， FENG Qi， YUAN Nai-chang.A novel directional coupler and its application to DIFM receiver[J].Modern Radar，2006，28（2）：60-63.

[3]Liao S S,Sun P T,Chin N C.A novel compact-size branchline coupler[J].IEEE Trans.Microw.Theory Tech，2005，15（9）：588-590.

[4]Liao S S,Peng J T.Compact planar micro-strip branch-line couplers using the quasi-lumped elements approach with nonsymmetrical and symmetrical T-Shaped structure[J].IEEE Trans.Microw.Theory Tech，2006，54（9）：3508-3513.

[5]清華大學(xué)“微帶電路”編寫組.微帶電路[M].北京：人民郵電出版社，1976.

[6]王新穩(wěn)，李萍.微波技術(shù)與天線[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[7]Liao S S,Peng J T,Gun C Y,A super compact planar microstripline rat-race coupler[J].Microw.Opt.Technol.Lett，2005，47（3）:302-304.