6～18 GHz帶狀線漸變結(jié)構(gòu)3 dB耦合器的設(shè)計(jì)

薛 強(qiáng) 謝鴻全 夏祖學(xué) 蔡鐘斌

(1.西南科技大學(xué)理學(xué)院 四川綿陽(yáng) 621010；2.西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院 四川綿陽(yáng) 621010； 3.四川中久防務(wù)科技有限公司 四川綿陽(yáng) 621010 )

定向耦合器廣泛應(yīng)用于幅度控制系統(tǒng)、平衡放大器、功率分配和合成器等許多微波器件和系統(tǒng)中，在這些微波器件及系統(tǒng)中，耦合器主要起信號(hào)監(jiān)測(cè)、信號(hào)注入、功率分配、合成等作用[1-3]。特別隨著這些器件及系統(tǒng)的寬頻帶化，對(duì)定向耦合器的工作帶寬提出了更高的要求。根據(jù)不同結(jié)構(gòu)，定向耦合器有微帶線耦合器、帶狀線耦合器、同軸耦合器和波導(dǎo)耦合器等結(jié)構(gòu)，同軸型定向耦合器一般用于大功率電路均衡，波導(dǎo)型定向耦合器一般用于頻率高端，微帶線和帶狀線結(jié)構(gòu)定向耦合器和其他結(jié)構(gòu)相比，具有體積小、重量輕、方便與固態(tài)電路集成等優(yōu)點(diǎn)[4-6]。

目前，在1～18 GHz頻段以內(nèi)，常用到的耦合器結(jié)構(gòu)一般是微帶線和帶狀線結(jié)構(gòu)。在傳統(tǒng)的微帶線和帶狀線結(jié)構(gòu)中，為擴(kuò)展定向耦合器的工作帶寬，多節(jié)耦合線定向耦合器是一直被使用的結(jié)構(gòu)，但多節(jié)定向耦合器存在的一個(gè)問(wèn)題就是不同節(jié)數(shù)相銜接處的不連續(xù)所帶來(lái)的寄生參數(shù)會(huì)惡化耦合器的性能，特別是在頻率大于X波段時(shí)，仿真設(shè)計(jì)的定向耦合器會(huì)與理論計(jì)算的耦合器在高頻處產(chǎn)生很大差別[7-9]。

目前雖然有相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)多節(jié)定向耦合器進(jìn)行報(bào)道，但受限于高頻寄生參數(shù)的影響，其工作頻率更多是小于X波段，且耦合度為弱耦合度，相對(duì)于工作頻率到18 GHz且耦合度為3 dB的強(qiáng)耦合度耦合器報(bào)道較少[10-15]，本文通過(guò)采用添加補(bǔ)償枝節(jié)的漸變結(jié)構(gòu)定向耦合器來(lái)改善這一問(wèn)題，最終設(shè)計(jì)出一款性能優(yōu)良的6～18 GHz帶狀線漸變結(jié)構(gòu)3 dB定向耦合器，該3 dB耦合器具有帶內(nèi)插損小、隔離度高、尺寸小、易與其他器件相連接等特點(diǎn)，在項(xiàng)目中實(shí)際應(yīng)用效果良好。

1 漸變結(jié)構(gòu)定向耦合器的設(shè)計(jì)

圖1所示為連續(xù)對(duì)稱定向耦合器結(jié)構(gòu)，此定向耦合器端口1,2和端口3,4關(guān)于縱向?qū)ΨQ軸對(duì)稱，端口1,4和端口2,3關(guān)于橫向?qū)ΨQ軸對(duì)稱。由于對(duì)稱性，對(duì)稱定向耦合器的設(shè)計(jì)可以等效為阻抗變換器的設(shè)計(jì)，利用阻抗變換器的設(shè)計(jì)理論可以得到傳輸線的偶模阻抗，然后利用偶模阻抗與奇模阻抗的關(guān)系，可以得到偶模值相對(duì)應(yīng)的奇模值，從而得到定向耦合器的整個(gè)阻抗參數(shù)值。

由漸變結(jié)構(gòu)定向耦合器綜合過(guò)程[9]可以看出只有當(dāng)定向耦合器的長(zhǎng)度是無(wú)限長(zhǎng)時(shí)，所得到的耦合器耦合曲線為理想的等紋波形式，而當(dāng)定向耦合器長(zhǎng)度不為無(wú)限長(zhǎng)時(shí)，由吉布斯現(xiàn)象理論可知，耦合曲線將在端點(diǎn)處出現(xiàn)吉布斯現(xiàn)象，為消除此吉布斯現(xiàn)象，可以加入合適的權(quán)重因子，從而使耦合器在一定帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)等紋波形式。

圖1 漸變線定向耦合器的電路結(jié)構(gòu)Fig.1 The circuit structure of the gradient line directional coupler

為了求出這一權(quán)重因子，Tresselt，DuHamel和Armstrong利用多節(jié)定向耦合器設(shè)計(jì)表格中的數(shù)據(jù)得到權(quán)重因子[9]。這種設(shè)計(jì)方式依賴于設(shè)計(jì)表格，只能設(shè)計(jì)表格中存在的特定節(jié)數(shù)、特定耦合度的定向耦合器。

另一種獲取權(quán)重因子的方法是基于金輝最小二乘法方法[11]。如圖2所示的門函數(shù)，將其在[0,π]范圍內(nèi)級(jí)數(shù)展開后得到(1)式：

(1)

同樣引入權(quán)重因子，構(gòu)造新函數(shù)為

(2)

圖2 函數(shù)值等于耦合曲線的門函數(shù)Fig.2 The gate function whose value is equal to the coupling curve

金輝最小二乘法的思想是：如果以式(2)為被優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，將權(quán)重因子作為優(yōu)化變量，通過(guò)迭代的方法得到合適的權(quán)重因子，以尋找一條曲線與式(2)的目標(biāo)函數(shù)曲線相吻合，則可實(shí)現(xiàn)最小二乘法對(duì)權(quán)重因子的獲得，此方法將權(quán)重因子獲取問(wèn)題轉(zhuǎn)化為利用優(yōu)化的方法獲得目標(biāo)函數(shù)最小值問(wèn)題[11]。

1.1 帶狀線漸變3 dB耦合器參數(shù)設(shè)計(jì)

定向耦合器的設(shè)計(jì)指標(biāo)：工作頻率為6～18 GHz；耦合度為3 dB±1 dB，整個(gè)頻段內(nèi)最大插損<1 dB；各端口匹配度>15 dB，隔離度>15 dB，相位不平衡度<10°。

設(shè)計(jì)漸變結(jié)構(gòu)定向耦合器的關(guān)鍵是獲得合適的權(quán)重因子，以消除吉布斯現(xiàn)象。查找多節(jié)對(duì)稱定向耦合器的設(shè)計(jì)表格可以知道，當(dāng)3節(jié)耦合器在工作帶寬比為3.182 17時(shí)，其耦合紋波小于0.2 dB，對(duì)應(yīng)第一節(jié)和第二節(jié)的歸一化歐模阻抗值為：Z1o=1.086 44，Z2o=1.748 64，所以取漸變線耦合器節(jié)數(shù)N=3。同時(shí)取耦合器耦合度C=-8.34 dB，板材介電常數(shù)εr=2.2，中心頻率f0=12 GHz。利用金輝最小二乘法理論獲得的權(quán)重因子為X1=0.923 1，X2=0.366 1,利用查表法反計(jì)算獲得的權(quán)重因子為X1=0.976 4，X2=0.510 3，雖然兩種方法獲得的權(quán)重因子略有別，但都能滿足設(shè)計(jì)要求，由于本文未對(duì)最小二乘理論取得的權(quán)重因子繼續(xù)進(jìn)行取最優(yōu)值，所以本次設(shè)計(jì)采用第二種方法得到的權(quán)重因子作為后續(xù)計(jì)算的輸入值。將傳輸線均勻等分為20小份，最終計(jì)算獲得的傳輸線阻抗參數(shù)、線寬、偏移、CAD縱坐標(biāo)見表1。

表1 6～18GHz漸變線耦合器設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Design parameters of 6-18 GHz gradient line coupler

1.2 帶狀線漸變3 dB定向耦合器枝節(jié)補(bǔ)償

權(quán)重因子修正后的定向耦合器，其仿真結(jié)果往往并不能取得預(yù)期的設(shè)計(jì)效果，特別是在頻率高于X波段時(shí)，耦合紋波以及回波損耗與理論具有較大偏差，為此本文采用添加補(bǔ)償枝節(jié)的方式，不斷修改補(bǔ)償枝節(jié)長(zhǎng)度和數(shù)量進(jìn)行頻率高端修正，這種方式不受限于獲得權(quán)重因子的兩種方式，只需要初略的權(quán)重因子值即可。

第二節(jié)與第一節(jié)相鄰銜接地方的不連續(xù)性對(duì)高頻時(shí)耦合器性能影響更大，為此本文在8個(gè)中心枝節(jié)上各加入6支補(bǔ)償枝節(jié)，總共加入48只補(bǔ)償枝節(jié)，其中每節(jié)枝節(jié)的寬度為0.1 mm，每個(gè)枝節(jié)間隔距離為0.379 mm，以枝節(jié)長(zhǎng)度為優(yōu)化變量，利用全波仿真軟件HFSS軟件進(jìn)行仿真優(yōu)化，不同枝節(jié)長(zhǎng)度下的S21和S41參數(shù)如圖3所示，不同長(zhǎng)度下的S11參數(shù)如圖4所示。

圖3 不同l1下S21, S41參數(shù)圖Fig.3 Parameter map of S21, S41 in different l1

圖4 不同l1下S11參數(shù)圖Fig.4 Parameter map of S11 in different l1

從圖3可以看出，隨著補(bǔ)償枝節(jié)的增加，耦合器S21,S41曲線在相互靠近，特別是在高頻時(shí)耦合器的耦合紋波在逐漸減小，高頻特性得到很大改善；從圖4可以看出，隨著補(bǔ)償枝節(jié)的增加，耦合器S11曲線在頻率小于15 GHz時(shí)得到改善，但當(dāng)頻率大于15 GHz時(shí)S11曲線反而在逐漸惡化，雖然惡化程度很小，因此在選取第1枝節(jié)長(zhǎng)度時(shí)應(yīng)同時(shí)兼顧S21,S41參數(shù)和S11參數(shù)，補(bǔ)償枝節(jié)長(zhǎng)度選取不能太短也不能選取太長(zhǎng)。以此選取方法，最終確定1-4號(hào)枝節(jié)長(zhǎng)度為0.7 mm,5-6號(hào)枝節(jié)長(zhǎng)度為0.5 mm，其中以最中心處枝節(jié)編號(hào)為1，到最兩邊枝節(jié)編號(hào)逐漸遞增，整個(gè)耦合器模型如圖5所示。

圖5 帶狀線漸變3 dB定向耦合器HFSS仿真圖Fig.5 Simulation structure of the 3 dB stripline directional coupler

2 測(cè)試結(jié)果

最終帶狀線漸變結(jié)構(gòu)3 dB定向耦合器實(shí)物如圖6所示，仿真與實(shí)測(cè)的S參數(shù)比較如圖7和圖8所示。從圖中可以看出設(shè)計(jì)的帶狀線漸變3 dB定向耦合器仿真最大插損小于0.3 dB，耦合器紋波小于0.8 dB，4個(gè)端口匹配度和隔離度大于20 dB，相位差小于2°，實(shí)測(cè)中耦合器為3層帶狀線結(jié)構(gòu)，其中上層和下層為0.787 mm厚的Rogers5880介質(zhì)板，中層為0.254 mm厚的Rogers5880介質(zhì)板，3層板之間通過(guò)腔體進(jìn)行直接壓接，最終3 dB耦合器實(shí)物大小27 mm×23 mm×5 mm，利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀Agilent N5245A對(duì)加工的帶狀線漸變3 dB耦合器進(jìn)行測(cè)試，對(duì)比仿真曲線，仿真與實(shí)測(cè)的S參數(shù)吻

圖6 帶狀線漸變結(jié)構(gòu)3 dB耦合器實(shí)物圖Fig.6 Photography of the 3 dB stripline coupler

圖7 耦合器仿真及實(shí)測(cè)直通和耦合度參數(shù)比較Fig.7 Comparison of simulated and measured S21, S41 parameters of the coupler

圖8 耦合器仿真及實(shí)測(cè)端口匹配和隔離度參數(shù)比較Fig.8 Comparison of simulated and measured S11, S31 parameters of the coupler

合較好，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)耦合度曲線基本吻合，而直通曲線小0.4 dB，相應(yīng)實(shí)測(cè)插損為0.7 dB，耦合器最大相位差為7°，端口匹配度大于15 dB，端口隔離度大于18 dB。實(shí)測(cè)插損比理論約大0.4 dB，這與SMA接頭焊接處錫的多少以及導(dǎo)帶表面粗糙度等因素有關(guān)。

本文工作與相關(guān)文獻(xiàn)比較如表2所示，文獻(xiàn)[2-3]和文獻(xiàn)[12-13]為耦合度大于10 dB的弱耦合器，文獻(xiàn)[10-11]和文獻(xiàn)[14-15]以及本文都為工作頻率相近，且耦合度為3 dB的強(qiáng)耦合器結(jié)構(gòu)。其中文獻(xiàn)[10]只進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)并未進(jìn)行加工測(cè)試，其仿真回波損耗和隔離度大于15 dB，而本文仿真回波損耗和隔離度均大于20 dB；文獻(xiàn)[11]其實(shí)測(cè)耦合度為3.7 dB±0.5 dB，回波損耗和隔離度大于10.5 dB，而本文實(shí)測(cè)耦合度為3.7 dB±0.6 dB，回波損耗和隔離度均大于15 dB，從表2可見，本文所設(shè)計(jì)的耦合器不論仿真測(cè)試還是實(shí)物測(cè)試，所測(cè)的回波損耗和隔離度均優(yōu)于文獻(xiàn)[10-11]；文獻(xiàn)[14-15]分別為Pasternack公司和Narda公司研制的3 dB電橋結(jié)構(gòu)，本文與其相比可見，本文耦合器各項(xiàng)指標(biāo)與文獻(xiàn)[15]中指標(biāo)基本相當(dāng)，在插損上遠(yuǎn)優(yōu)于文獻(xiàn)[14]插損值。不同于文獻(xiàn)[11]中的帶狀線接口以及文獻(xiàn)[14-15]中的SMA接頭，本文所設(shè)計(jì)的耦合器4個(gè)輸出端口都采用微帶線接口，具有更易與其他器件進(jìn)行直接相連接的優(yōu)點(diǎn)。

表2 與其它基于帶狀線定向耦合器比較Table 2 Comparison between this work and previous work

3 結(jié)束語(yǔ)

本文從帶狀線漸變3 dB耦合器的基本原理出發(fā)，利用matlab對(duì)耦合器進(jìn)行初始值綜合設(shè)計(jì)，通過(guò)加入補(bǔ)償枝節(jié)以解決高頻時(shí)耦合器性能下降問(wèn)題，并利用HFSS進(jìn)行建模優(yōu)化，最終實(shí)物測(cè)試與仿真設(shè)計(jì)結(jié)果基本吻合。該3 dB耦合器具有帶內(nèi)插損小、隔離度高、尺寸小、易與其他器件相連接等特點(diǎn)，在項(xiàng)目中實(shí)際應(yīng)用效果良好。