2進(jìn)1出3 dB寬帶定向耦合器的設(shè)計(jì)

汪海英, 江海金

(1.羅伯電子公司 無源研發(fā)部，江蘇 蘇州 2153452；2.江蘇哈維爾喜萬年照明有限公司 制造部，江蘇 鹽城 224799)

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2進(jìn)1出3 dB寬帶定向耦合器的設(shè)計(jì)

汪海英1, 江海金2

(1.羅伯電子公司 無源研發(fā)部，江蘇 蘇州 2153452；2.江蘇哈維爾喜萬年照明有限公司 制造部，江蘇 鹽城 224799)

基于平行耦合線的理論，研究了2進(jìn)1出3 dB寬帶定向耦合器的設(shè)計(jì)原理及方法。根據(jù)理論計(jì)算及電路仿真，采用三節(jié)耦合線，結(jié)合耦合帶狀線上下空間結(jié)構(gòu)，進(jìn)行三維建模仿真，優(yōu)化低互調(diào)大功率負(fù)載。通過實(shí)物加工和調(diào)試，獲得了工作帶寬內(nèi)駐波比<1.15、耦合度<3.4 dB、隔離度>30 dB、三階互調(diào)<-160 dBc的結(jié)果，能較好地滿足實(shí)際工程需要。

定向耦合器；耦合帶狀線；三階互調(diào);3 dB

3 定向耦合器是通信系統(tǒng)中常用的無源器件，在實(shí)現(xiàn)各種功能的微波組件以及整機(jī)系統(tǒng)中，都能看到定向耦合器發(fā)揮作用[1-4]。它可將一路射頻信號分配成幅度相等、相位差90°的兩路信號；也可將兩路幅度相等、相位差90°的射頻信號合為一路，因此3 定向耦合器具有功率合成和功率分配的功能[5-7]。

隨著定向耦合器的廣泛應(yīng)用，對其帶寬、隔離度和互調(diào)提出了更高的要求。為了在較寬的頻段內(nèi)使得耦合系數(shù)變化小和隔離度高，耦合器需要采用多節(jié)耦合帶狀線[8]。本文研究了一種由3節(jié)耦合帶狀線組成的2進(jìn)1出3 定向耦合器，它將兩個(gè)射頻信號合成后饋入天線分布系統(tǒng)，其中一個(gè)輸出口接大功率低互調(diào)負(fù)載。根據(jù)平行耦合線的理論，采用上下空間的帶狀線結(jié)構(gòu)，研制高隔離度和低互調(diào)的耦合器為移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展具有重大意義。

1 3 dB寬帶定向耦合器仿真及設(shè)計(jì)

定向耦合器是一種具有方向性的功率耦合元件，它是一種四端口元件，通常由稱為直通線和耦合線的兩段傳輸線組合而成。單節(jié)耦合器的內(nèi)導(dǎo)體由兩個(gè)等寬的平行耦合板構(gòu)成，耦合板長度為中心頻率波長的1/4，其原理如圖1所示[6,9]。當(dāng)信號由端口1輸入時(shí)，一部分信號從端口3輸出，一部分信號從端口2耦合而出，端口4為隔離端口。

圖1 單節(jié)耦合傳輸線定向耦合器

根據(jù)耦合線理論，存在于線中的波可分解為奇次型波和偶次型波。奇次型波依靠耦合帶傳輸，其特性阻抗設(shè)為奇模阻抗Zoo；偶次型波依靠耦合帶和屏蔽體傳輸，其特性阻抗設(shè)為偶模阻抗Zoe。采用奇偶模分析法來推導(dǎo)定向耦合器的主要參數(shù)，定向耦合器輸入傳輸線特性阻抗Z0與耦合線的偶模阻抗Zoe、奇模阻抗Zoo和耦合系數(shù)K滿足以下關(guān)系[9-12]

(1)

(2)

(3)

根據(jù)耦合度定義可以推導(dǎo)出耦合度c和耦合系數(shù)K之間的關(guān)系為[9-12]

K=10-C/20

(4)

由上述公式可知，耦合度越強(qiáng)，偶模阻抗Zoe越大，奇模阻抗Zoo越??；耦合度越弱，Zoe越小，Zoo越大。當(dāng)耦合度C=3 dB，計(jì)算得出耦合系數(shù)K=0.707 9。這里Z0=50 Ω，可以計(jì)算出單節(jié)平行耦合線耦合器的偶模阻抗Zoe=120.902 5 Ω,奇模Zoo=20.677 8 Ω。

由于設(shè)計(jì)的3 耦合器頻率范圍是698～2 700 ，故其上下帶寬比B和相對帶寬W可由式(5)和式(6)求出

(5)

(6)

式中，f1和f2為耦合器上、下限頻率；f0為耦合器的中心頻率。

為使設(shè)計(jì)出來的耦合器在要求帶寬內(nèi)有足夠的平坦的耦合度和良好的隔離特性，根據(jù)B和W的值，查切比雪夫耦合傳輸線定向耦合器的歸一化偶模阻抗數(shù)值表可知[7,12-13]，采用三節(jié)耦合線來滿足帶寬內(nèi)耦合度較平坦和隔離足夠高的要求。假設(shè)兩邊對稱耦合段阻抗為Z1和Z3，中心耦合段阻抗為Z2，設(shè)計(jì)的耦合器為50 Ω匹配阻抗,通過查表可得歸一化偶模阻抗Z1=Z3=1.207 66，Z2=3.412 42，實(shí)際阻抗值可以通過式(7)計(jì)算

Zio=Zi×50

(7)

式中，Zio為實(shí)際的阻抗值；Zi為歸一化的阻抗值。

通過式(3)和式(7)，可計(jì)算出Z1oe=Z3oe=1.207 66×50=60.388 Ω；Z1oo=Z3oo=41.399 Ω；Z2oe=3.412 42×50=170.621 Ω；Z2oo=14.652 3 Ω。

將計(jì)算好的奇偶模阻抗作為電路仿真的初始值，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)使電路仿真達(dá)到一個(gè)良好的仿真曲線，其插入損耗S31和耦合度S21在3±0.3 dB以內(nèi)，回波損耗S11和隔離度S41均>45 。

圖2 插入損耗和耦合度仿真圖

圖3 回波損耗和隔離度仿真圖

定向耦合器采用上下空間的帶狀線結(jié)構(gòu)，這樣的上下耦合結(jié)構(gòu)由于在縱向空間上有重合，通過控制上下兩層耦合傳輸線的間距，易于實(shí)現(xiàn)3 dB的強(qiáng)耦合[7]。每節(jié)的耦合傳輸線奇偶模阻抗值分別利用三維電磁仿真軟件進(jìn)行建模仿真計(jì)算，得出優(yōu)化后的每節(jié)物理尺寸，然后將3節(jié)耦合帶狀線進(jìn)行級聯(lián)，整體優(yōu)化3 dB定向耦合器。在傳統(tǒng)的帶狀線定向耦合器設(shè)計(jì)過程中，奇偶模之間不同的相位速度導(dǎo)致了較低的隔離度[14-15]。通過優(yōu)化仿真，補(bǔ)償每節(jié)不連續(xù)性所帶來的寄生參數(shù)影響，同時(shí)補(bǔ)償奇偶模之間相位速度的差異，提高定向耦合器的隔離度。仿真計(jì)算得到的電性能結(jié)果如圖2和圖3所示。從仿真結(jié)果可得，在工作頻帶內(nèi)耦合器的耦合度S21和插入損耗S31可以保持在3±0.3 dB，回波損耗S11和隔離度S41優(yōu)于33 dB，滿足設(shè)計(jì)的要求。

2 低互調(diào)大功率負(fù)載設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的負(fù)載是耦合器直接連接吸收電阻，這種設(shè)計(jì)因?yàn)殡娮璧幕フ{(diào)比較高，導(dǎo)致整個(gè)產(chǎn)品互調(diào)值都比較高，無法滿足低互調(diào)系統(tǒng)的使用，所以利用同軸電纜的損耗衰減信號來滿足三階互調(diào)-160 dBc的要求。低互調(diào)大功率負(fù)載由繞線同軸電纜、吸收電阻、繞線柱和散熱片組成。根據(jù)定向耦合器的功率要求，選擇Habia cable 402同軸電纜，其在3 000 MHz能承受236 W功率。由于吸收電阻的三階互調(diào)約為-120 dBc，參考實(shí)驗(yàn)結(jié)果，需要28 m長的同軸電纜來改善互調(diào)，將同軸電纜纏繞在繞線柱上，電纜線一端連接在定向耦合器的一個(gè)端口上，另一端連接吸收電阻。通過熱仿真建模，優(yōu)化散熱片結(jié)構(gòu)，在控制負(fù)載體積的前提下，使得負(fù)載具有較大的接收功率，同時(shí)也有良好的互調(diào)性能。

根據(jù)上述仿真優(yōu)化后得到的尺寸進(jìn)行加工生產(chǎn)，注意壓緊帶狀線耦合片，以便耦合間距得以保證。對實(shí)物進(jìn)行調(diào)試，測試其電性能，結(jié)果如圖4～圖7所示。實(shí)測結(jié)果在698～2 700 MHz頻帶內(nèi)：端口回波損耗>25 dB，插入損耗和耦合度在3±0.4 dB范圍內(nèi)，端口隔離>30 dB；三階互調(diào)優(yōu)于160 dBc，每個(gè)端口能承受平均功率100 W。

圖4 回波損耗曲線圖

圖5 隔離度曲線圖

圖6 插入損耗曲線圖

圖7 耦合度曲線圖

3 結(jié)束語

利用耦合線理論和技術(shù)，成功研制出帶寬為698～2 700 MHz，耦合度為3 dB的2進(jìn)1出定向耦合器，滿足工程應(yīng)用的需求，其高隔離度和低互調(diào)對移動(dòng)通信整機(jī)系統(tǒng)性能的提高發(fā)揮著重要的作用。

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Design of a Wideband 2in 1out 3 dB Coupler

WANG Haiying1, JIANG Haijin2

(1. Passive R & D Department,RAP Electric Co.,Ltd.,Suzhou 215345,China; 2. Manufacturing Division,Jiangsu havells Sylvania lighting Co.,Ltd.,Yancheng 224799,China)

Based on coupled line theory, a 2in 1out 3 dB Coupler is designed by three section coupled lines. According to theoretical calculation and circuit simulation, the coupler is modeled and simulated with up and down the space structure of coupled striplines. Then low intermodulation high power load is optimized. Finally the coupler is processed by simulation sizes. The experimental results show that the coupler has the coupling performance of less than 3.4 dB、a VSWR of below 1.15、isolation of above 30 dB and the third-order intermodulation of below -160 dBc within the frequency range of 698～2 700 MHz, which satisfied the requirement of practical engineering application.

directional coupler;coupling striplines;third-order intermodulation;3 dB

2016- 10- 24

汪海英(1979-)，女，碩士研究生。研究方向：微波無源器件。江海金(1981-)，男，本科。研究方向：光源器件。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.08.036

TN622

A

1007-7820(2017)08-131-03