2～12 GHz超寬帶帶狀線定向耦合器的設(shè)計(jì)

徐　洋,彭　龍,左　艷,張　帥

(1.成都信息工程大學(xué) 光電技術(shù)學(xué)院,四川 成都　610225;2.南京郵電大學(xué) 光電工程學(xué)院,江蘇 南京　210003)

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2～12 GHz超寬帶帶狀線定向耦合器的設(shè)計(jì)

徐洋1,彭龍1,左艷2,張帥1

(1.成都信息工程大學(xué) 光電技術(shù)學(xué)院,四川 成都610225;2.南京郵電大學(xué) 光電工程學(xué)院,江蘇 南京210003)

摘要根據(jù)帶狀線理論,設(shè)計(jì)了一種新型的帶狀線定向耦合器。通過(guò)將耦合帶狀線分段處理,根據(jù)每段帶狀線的耦合度,合理地設(shè)計(jì)每段耦合帶狀線的物理參數(shù),拓寬了耦合器的工作頻帶。同時(shí)通過(guò)優(yōu)化仿真,以補(bǔ)償耦合器奇模與偶模之間相速度的差異,并抵消不連續(xù)性所帶來(lái)的寄生參數(shù)的影響,從而提高定向耦合器的方向性。在設(shè)計(jì)過(guò)程中,借助Ansoft Designer軟件進(jìn)行初步優(yōu)化仿真,最終電路版圖以AutoCad格式導(dǎo)入到HFSS中進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞帶狀線;耦合器;超寬帶

定向耦合器作為一種重要的微波元件在微波電路與微波集成電路中有著廣泛的應(yīng)用[1]。尤其是超寬帶定向耦合器已廣泛應(yīng)用于電子干擾及測(cè)量系統(tǒng)中。其中,帶狀線定向耦合器除了具有結(jié)構(gòu)緊湊、小型輕便、便于制造等優(yōu)點(diǎn)外,還具有頻帶寬的特點(diǎn)[2-6]。若應(yīng)用恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)原則,選擇準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)電路,頻寬易達(dá)到倍頻程[7]。

在傳統(tǒng)的帶狀線定向耦合器設(shè)計(jì)過(guò)程中,奇偶模之間不同的相位速度導(dǎo)致了較低的隔離度[8]。本文通過(guò)優(yōu)化仿真,以補(bǔ)償奇偶模之間相位速度的差異,并抵消不連續(xù)性所帶來(lái)的寄生參數(shù)的影響。從而提高了定向耦合器的方向性。在設(shè)計(jì)過(guò)程中,借助Ansoft Designer、Serenade、AutoCad、HFSS等軟件進(jìn)行協(xié)同仿真,設(shè)計(jì)仿真了工作頻帶在2～12 GHz的帶狀線超寬帶定向耦合器。

1多節(jié)級(jí)聯(lián)耦合器的設(shè)計(jì)

耦合器的設(shè)計(jì)指標(biāo):工作頻率為2～12 GHz;輸入輸出駐波VSWR<1.5;耦合度為20±1 dB;隔離度>18 dB;方向性>10 dB。

由于使用單節(jié)定向耦合器無(wú)法在一個(gè)相對(duì)較寬的頻帶內(nèi)獲得近乎常量的耦合度,因此將單個(gè)多節(jié)耦合線連接起來(lái)構(gòu)成多節(jié)定向耦合器,每節(jié)耦合線的長(zhǎng)度為中心頻率的1/4波長(zhǎng)。通過(guò)恰當(dāng)選擇各節(jié)耦合線的奇偶模阻抗,便可增加耦合器的帶寬。一個(gè)多節(jié)耦合器可是對(duì)稱的也可以是非對(duì)稱的。一個(gè)對(duì)稱耦合器的耦合線節(jié)數(shù)應(yīng)該是奇數(shù),而一個(gè)非對(duì)稱耦合器的節(jié)數(shù)可以是奇數(shù)也可以是偶數(shù)。

本文設(shè)計(jì)的耦合器由于工作在2～12 GHz,所以選用4節(jié)連續(xù)漸變型非對(duì)稱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,從而可獲得更大的帶寬,其帶寬越寬,求解也就越困難[9]。所以,首先在Ansoft Designer軟件中建立耦合器的電路模型,如圖1所示。進(jìn)行優(yōu)化仿真,得到每段耦合線的耦合度,根據(jù)每段耦合線的耦合度然后使用Serenade軟件中的Tools工具,可得到對(duì)應(yīng)的物理參數(shù),具體參數(shù)如表1所示,其中,ε為相對(duì)介電常數(shù);b為介質(zhì)板厚度;中心頻率為7 GHz。

圖1　耦合器電路模型

第一節(jié)第二節(jié)第三節(jié)第四節(jié)耦合度C/dB37.0227.6221.0216.01線寬W/mm0.80.790.780.75線間距S/mm1.060.640.380.21線長(zhǎng)L/mm7.227.227.227.22板材參數(shù)Arlon880,ε=2.2,B=1.016mm,Cu厚0.02mm

2仿真設(shè)計(jì)與分析

由上述設(shè)計(jì)方法得到超寬帶帶狀線耦合器仿真模型,如圖2所示,仿真結(jié)果如圖3～圖5所示。

圖2　耦合器仿真模型

圖3　耦合器耦合度仿真

圖4　耦合器輸入輸出駐波比仿真

圖5　耦合器隔離度仿真

圖3為耦合器耦合度的仿真結(jié)果,可看到耦合器的耦合度在整個(gè)頻帶內(nèi)>1 dB,比理論推導(dǎo)值略大。主要原因有:(1)推導(dǎo)過(guò)程中存在一定的近似;(2)考慮到實(shí)際加工能力,耦合器的物理尺寸只精確到小數(shù)點(diǎn)后1位,存在一定的截?cái)嗾`差。圖4為耦合器輸入輸出駐波的仿真結(jié)果,在2～12 GHz整個(gè)設(shè)計(jì)頻帶內(nèi)滿足設(shè)計(jì)要求。圖5為耦合器隔離度的仿真結(jié)果,在12 GHz頻段附近隔離度約為30 dB,由于隔離度為耦合度與定向性之和。結(jié)合圖3和圖5可看出,此耦合器的方向性在10 dB附近,處于臨界值。為達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo),對(duì)圖2耦合器仿真模型進(jìn)行優(yōu)化仿真,將傳輸線的耦合邊緣進(jìn)行鋸齒化處理,以補(bǔ)償奇偶模相速度的不同。由于將耦合區(qū)的直線邊界改變成折線邊界,使耦合區(qū)長(zhǎng)度增長(zhǎng),兩根線間的分布電容增大,從而使奇模電容增大。偶模電容以及電感則改變較小,可認(rèn)為不變,由此便可使偶模和奇模相速相等,得到較好的方向性。仿真模型如圖6所示,最終優(yōu)化結(jié)果如圖7～圖9所示。

圖6　耦合器優(yōu)化仿真模型

圖7　耦合器耦合度優(yōu)化仿真

圖8　耦合器輸入輸出駐波優(yōu)化仿真

圖9　耦合器隔離度優(yōu)化仿真

從圖7和圖8中可看出,經(jīng)過(guò)優(yōu)化仿真后,耦合器的耦合度指標(biāo)變得更好,輸入輸出駐波變差,但滿足設(shè)計(jì)要求。對(duì)比圖5與圖9可清晰的看出,在整個(gè)設(shè)計(jì)頻帶內(nèi)隔離度>35 dB。由以上分析可知,將耦合區(qū)的直線邊界改變成折線邊界,使偶模和奇模相速相等,定向性明顯改善,指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。

3結(jié)束語(yǔ)

本文采用Ansoft Designer軟件進(jìn)行定向耦合器電路模型的仿真,據(jù)此理論仿真值在Serenade軟件中計(jì)算出設(shè)計(jì)參數(shù)值,然后在AutoCad軟件中畫(huà)出每一段耦合器的尺寸值,最終導(dǎo)入HFSS軟件中進(jìn)行局部與整體仿真,利用多軟件協(xié)同仿真并結(jié)合多節(jié)λ/4阻抗變換器的方式設(shè)計(jì)了工作頻帶為2～12 GHz的超寬帶帶狀線耦合器,仿真指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)

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Design of a 2～12 GHz Ultra-Wideband Stripline Coupler

XU Yang1,PENG Long1,ZUO Yan2,ZHANG Shuai1

(1.College of Optoelectronic Technology,Chengdu University of Information Engineering,Chengdu 610225,China;2.College of Optoelectronic Engineering,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210003,China)

AbstractA new stripline directional coupler is designed by putting a coupled stripline segmentation processing with physical parameters for each section of the stripline reasonably designed to broaden the working band of coupler.Simulation optimization is performed to compensate for the coupler phase velocity difference between odd and even dies and to offset the influence of the parasitic parameters of the discontinuity for better directivity of the directional coupler.The software Ansoft Designer is employed for initial simulation optimization,and the resulting circuit layout is input in AutoCad format into the HFSS for further verification.

Keywordsstripline;coupler;ultra-wideband

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.05.005

收稿日期:2015-08-31

基金項(xiàng)目:江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(SJLX-0363)

作者簡(jiǎn)介:徐洋(1990—),男,碩士研究生。研究方向:光電子器件。

中圖分類號(hào)TN626

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1007-7820(2016)05-016-03