寬帶帶狀線定向耦合器的設(shè)計(jì)分析

胡南

【摘 要】定向耦合器是微波系統(tǒng)中常用的一種微波器件。按照一定的比例對(duì)微波信號(hào)進(jìn)行分配，是這一設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用過程中所發(fā)揮的主要作用。本文主要從寬帶帶狀定向耦合器的設(shè)計(jì)流程入手，對(duì)耦合器的設(shè)計(jì)問題進(jìn)行了分析。

【關(guān)鍵詞】寬帶帶狀定向耦合器；無線電電子學(xué)；電磁仿真

0 前言

定向耦合器是應(yīng)用于微波網(wǎng)絡(luò)分析儀、信號(hào)發(fā)生器中的功率裝置和自動(dòng)增益控制系統(tǒng)中的重要設(shè)備。它具有著結(jié)構(gòu)緊湊、小型輕便和便于制造的優(yōu)點(diǎn)。同軸線、矩形波導(dǎo)、圓波導(dǎo)、帶狀線和微帶線是定向耦合器的主要組成部分。寬帶帶狀定向耦合器設(shè)計(jì)工作的開展，可以為寬帶功分器、毫米阻抗變換等方面的研究工作的開展提供一定的技術(shù)支持。

1 寬帶帶狀定向耦合器的設(shè)計(jì)流程

1.1 定向耦合器的設(shè)計(jì)指標(biāo)

平行寬邊帶狀耦合線結(jié)構(gòu)是寬帶帶狀線定向耦合器中的常用結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)下，導(dǎo)體與介質(zhì)之間有著較強(qiáng)的介質(zhì)耦合效應(yīng)。這一結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，可以讓人們研制一些耦合度更強(qiáng)的耦合器設(shè)備。從耦合器的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境來看，這一設(shè)備的工作頻段在2-6GHz之間；反射系數(shù)在-20dB以內(nèi)，耦合度為3dB；隔離度在-20dB以內(nèi)；駐波比在1.2以內(nèi)[1]。

1.2 定向耦合器的設(shè)計(jì)思路

從耦合器設(shè)計(jì)指標(biāo)所反映的信息來看，耦合度為3dB的帶狀線耦合器可以被看作是具有強(qiáng)耦合度的耦合器。從耦合器的實(shí)際設(shè)計(jì)過程來看，多節(jié)1/4波長帶狀線并不能滿足耦合器的設(shè)計(jì)要求。根據(jù)無線電電子學(xué)領(lǐng)域的一些學(xué)者所獲得的研究結(jié)果，利用兩個(gè)單節(jié)級(jí)聯(lián)帶狀線耦合器研制的寬帶帶狀定向耦合器在8-12GHz取得了較為理想的結(jié)果。在筆者看來，在寬帶帶狀定向耦合器的建構(gòu)過程中，人們可以利用兩個(gè)完全相同的9.34dB帶狀耦合器級(jí)聯(lián)滿足寬帶帶狀線定向耦合器的設(shè)計(jì)要求。

常見的定向耦合器中包含有4個(gè)接口。假設(shè)4個(gè)接口分別為P1、P2、P3和P4.則在P1接口為輸入信號(hào)端口的情況下，端口P2可以發(fā)揮出直通端口的作用；端口P3和端口P4可以發(fā)揮出耦合端口和隔離端口的作用。在實(shí)際應(yīng)用過程中，平行耦合線的長度僅僅為中心頻率對(duì)應(yīng)波長的1/4。在此基礎(chǔ)上，一些學(xué)者研制出了3/4波長耦合線寬邊耦合器。襯底型五級(jí)平衡耦合帶狀線研究工作的開展，可以為6dB超寬帶耦合器研究工作的開展提供一定的幫助。

根據(jù)定向耦合器帶內(nèi)中心頻率計(jì)算公式、帶寬公式和相對(duì)帶寬公式，帶狀線定向耦合器兩節(jié)底板之間的間距（假設(shè)間距值為B）和兩個(gè)導(dǎo)體的水平偏移（假定水平偏移值為W）為絕對(duì)帶寬，在定向耦合器的帶寬B值為3，相對(duì)帶寬值W為1.043。為了滿足寬帶帶狀定向耦合器的設(shè)計(jì)要求，相關(guān)人員還需要對(duì)定向耦合器的小型化問題進(jìn)行關(guān)注，并要對(duì)理想情況下的紋波和介電常數(shù)值進(jìn)行確定。

ADS中的傳輸線計(jì)算工具是計(jì)算線寬和上下導(dǎo)體間距的重要因素。在寬帶帶狀線定向耦合器的設(shè)計(jì)過程中，上下導(dǎo)體之間的間距值可以被設(shè)置為0.254mm。導(dǎo)體與地面之間的介質(zhì)厚度可以被設(shè)置為0.762mm。兩個(gè)接地板之間的距離可以被設(shè)置為1.778mm。

2 定向耦合器的主要技術(shù)指標(biāo)

一般而言，定向耦合器的技術(shù)指標(biāo)包含了耦合度、隔離度、插損和電壓駐波比等多種因素。假設(shè)耦合器四個(gè)端口的輸入功率定義為P1、P2、P3和P4，則耦合度可以被看作是輸入端與耦合端的功率的比值。二者之間的比值為負(fù)數(shù)，分貝數(shù)越小時(shí)，耦合性越強(qiáng)。

根據(jù)無線電電子學(xué)的相關(guān)知識(shí)，在定向耦合器的理想工作狀態(tài)下，設(shè)備的隔離端沒有功率輸出問題。但是在來自設(shè)計(jì)、加工方面的因素的影響下，耦合器的隔離端經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)功率輸出問題。因而定向耦合器的方向性就成為了耦合端與隔離端的功率比的反映。定向耦合器的隔離度為輸入端與隔離端之間的功率之比。插損可以被看作是輸入端與直通端之間的功率的比值。耦合器在一定條件下滿足一定技術(shù)指標(biāo)要求的工作頻率范圍是耦合器的帶寬。它主要包含了以下幾方面內(nèi)容：一是，耦合器的絕對(duì)帶寬；二是，耦合器的相對(duì)帶寬；三是，耦合器的倍頻程和帶寬比。

3 定向耦合器的仿真分析

3.1 定向耦合器的仿真設(shè)計(jì)

在無線電電子學(xué)領(lǐng)域，耦合器模型的建構(gòu)過程需要應(yīng)用兩個(gè)完全相同的耦合器級(jí)聯(lián)。為全面滿足寬帶帶狀線定向耦合器的設(shè)計(jì)需求，設(shè)計(jì)人員在耦合器設(shè)計(jì)過程中，需要在每個(gè)耦合器中使用交錯(cuò)耦合結(jié)構(gòu)。并要讓每一層導(dǎo)體呈現(xiàn)出中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)。在全三維電磁仿真軟件HFSS應(yīng)用于寬帶帶狀線定向耦合器設(shè)計(jì)以后，導(dǎo)體材料需要采用厚度為零的材料，在導(dǎo)體自身材質(zhì)的影響下，信號(hào)在導(dǎo)體中的實(shí)際傳遞過程可以表現(xiàn)出降低實(shí)際傳輸損耗的作用。由于系統(tǒng)中采用的耦合器級(jí)聯(lián)模式為3dB強(qiáng)耦合器級(jí)聯(lián)模式，因而從耦合器建模的實(shí)際過程來看，設(shè)計(jì)人員可以通過利用一個(gè)8.34dB耦合器開展鏡像處理的方式，實(shí)現(xiàn)耦合器系統(tǒng)的級(jí)聯(lián)[2]。

定向耦合器的仿真設(shè)計(jì)離不開多節(jié)耦合方式的作用。為了讓定向耦合器更好地達(dá)到實(shí)驗(yàn)設(shè)備的指標(biāo)要求，設(shè)計(jì)人員還需要對(duì)多個(gè)不同變量進(jìn)行優(yōu)化。針對(duì)耦合器中相鄰兩節(jié)導(dǎo)體之間所表現(xiàn)出來的不連續(xù)性，設(shè)計(jì)人員可以在不同區(qū)域添加導(dǎo)體直接，以便對(duì)帶狀線導(dǎo)體不連續(xù)性所引起的損耗問題進(jìn)行控制。

3.2 定向耦合器的仿真結(jié)果分析

HFSS建模窗口中的分析求解欄是設(shè)置掃描類型，求解頻率和步長等內(nèi)容的重要工具。從仿真結(jié)果來看，交錯(cuò)性耦合結(jié)構(gòu)寬帶帶狀定向耦合器中的應(yīng)用，可以讓通帶內(nèi)的損耗得到有效降低，這種設(shè)計(jì)形式也可以發(fā)揮出提升系統(tǒng)隔離度的作用。在這一設(shè)計(jì)模式下，耦合器直通端口的電磁能量與耦合端口的電磁能量值基本相等，因而耦合器在具體應(yīng)用環(huán)節(jié)可以有效發(fā)揮出平分功率的作用。

除了電磁能量問題以外，仿真結(jié)果的影響因素也包含了以下幾方面內(nèi)容：一是，介質(zhì)厚度的變化；二是，枝節(jié)長度的變化；三是，枝節(jié)所在的位置等參量的變化情況。從前文的論述來看，中間介質(zhì)的厚度是定向耦合器的耦合度的主要影響因素。中間介質(zhì)厚度較薄的問題也會(huì)讓設(shè)備的隔離度有所下降。從上下兩層介質(zhì)與定向耦合器耦合性與隔離度之間的關(guān)系來看，上下兩層介質(zhì)愈薄，耦合器的耦合效果愈松，系統(tǒng)的隔離度也會(huì)有所強(qiáng)化。在帶寬相同的情況下，系統(tǒng)頻率與端口的駐波比之間存在著一種負(fù)相關(guān)關(guān)系，靠近端口處的帶狀線枝節(jié)可以發(fā)揮出改善反射系數(shù)的作用。為保障寬帶帶狀線定向耦合器的實(shí)效性，相關(guān)人員在對(duì)各種指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化考慮的基礎(chǔ)上，需要借助優(yōu)化相關(guān)參數(shù)的方式確定各個(gè)枝節(jié)的尺寸和具體位置。

4 結(jié)論

平行寬邊帶狀耦合線結(jié)構(gòu)是寬帶帶狀線定向耦合器中的常用結(jié)構(gòu)。襯底型五級(jí)平衡耦合帶狀線研究工作的開展，可以為6dB超寬帶耦合器研究工作的開展提供一定的幫助。定向耦合器的仿真設(shè)計(jì)離不開多節(jié)耦合方式的作用。為了讓定向耦合器更好地達(dá)到實(shí)驗(yàn)的設(shè)備及指標(biāo)，設(shè)計(jì)人員還需要對(duì)多個(gè)不同變量進(jìn)行優(yōu)化。針對(duì)耦合器中相鄰兩節(jié)導(dǎo)體之間所表現(xiàn)出來的不連續(xù)性，設(shè)計(jì)人員可以在不同區(qū)域添加導(dǎo)體直接，以便對(duì)帶狀線導(dǎo)體不連續(xù)性所引起的損耗問題進(jìn)行控制。中間介質(zhì)的厚度是定向耦合器的耦合度的主要影響因素。中間介質(zhì)厚度較薄的問題也會(huì)讓設(shè)備的隔離度有所下降。為保障寬帶帶狀線定向耦合器的實(shí)效性，相關(guān)人員需要借助優(yōu)化相關(guān)參數(shù)的方式確定各個(gè)枝節(jié)的尺寸和具體位置。

【參考文獻(xiàn)】

[1]蔡德龍，劉成安，蔡鐘斌，呂濤.寬帶帶狀線定向耦合器的設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016，35（18）：66-68.

[2]徐洋，彭龍，左艷，張帥.2～12GHz超寬帶帶狀線定向耦合器的設(shè)計(jì)[J].電子科技，2016，29（05）：16-18.endprint