具有非標(biāo)準(zhǔn)相位差的小型矩形貼片耦合器的設(shè)計

王 奇，張文梅

(山西大學(xué) 物理電子工程學(xué)院，山西 太原 030006)

0 引 言

耦合器可以在其工作頻帶內(nèi)提供恒定相位差和相等功率分配，因此在微波和毫米波中有廣泛的應(yīng)用[1]，例如天線饋電網(wǎng)絡(luò)[2,3]、平衡功率放大器和信號混頻器.但是傳統(tǒng)的分支線耦合器和環(huán)形耦合器尺寸大而且?guī)捳?，同時耦合器的輸出端口只能產(chǎn)生90°和180°相位差，這就極大地限制了耦合器的使用.國內(nèi)外作者已經(jīng)提出了一些改進耦合器的方法：文獻[4]在傳統(tǒng)的分支線耦合器的端口上增加一些開路的短截線，通過適當(dāng)?shù)倪x擇短截線的長度和寬度，實現(xiàn)了耦合器的多通帶；文獻[5]通過在分支線耦合器的接地板上蝕刻一些不同的圖案，實現(xiàn)了40.3%帶寬；文獻[6]通過在分支線耦合器和環(huán)形耦合器的端口處增加一些阻抗線,實現(xiàn)了耦合器的任意功率分配.由于微帶貼片元件結(jié)構(gòu)簡單，貼片式混合耦合器最近被用于實現(xiàn)天線陣的寬帶巴特勒矩陣[7]；文獻[8]通過在貼片外部對稱加載短截線，并在耦合端口和矩形貼片之間引入外部阻抗線，實現(xiàn)了平坦的耦合度，并擴大了帶寬.貼片耦合器的小型化也是國內(nèi)外作者一直改進的方向，以便實現(xiàn)更高的集成度；文獻[9]已經(jīng)提出了圖案化的接地板結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)在減小尺寸的情況下不會增加電路的復(fù)雜性；文獻[10]通過在方形貼片中放置一對交叉槽，使貼片混合耦合器的尺寸顯著減小.以上耦合器的相位差大多為90°，在實際中經(jīng)常需要具有非標(biāo)準(zhǔn)相位差(45°，60°，120°和135°)的耦合器，比如在相控陣中，采用這種耦合器可以避免使用移相器，從而減小系統(tǒng)的體積.

本文提出了一種具有非標(biāo)準(zhǔn)相位差的小型矩形貼片3 dB耦合器.該耦合器結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn).通過在耦合器的端口處增加LC匹配網(wǎng)絡(luò)使得耦合器實現(xiàn)了非標(biāo)準(zhǔn)的相位差.仿真結(jié)果表明，該耦合器在4～5 GHz頻帶內(nèi)具有良好的匹配和隔離特性，兩個輸出端口之間具有非標(biāo)準(zhǔn)相位差，可以通過改變電感實現(xiàn)26°～57°的相位差變化范圍.

1 耦合器的結(jié)構(gòu)

耦合器的結(jié)構(gòu)分為3層：最上層是貼片，中間是介質(zhì)層，最底層為接地板.介質(zhì)層的相對介電常數(shù)為10.8，厚度為0.635 mm，損耗正切角為0.002 3.耦合器貼片的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，在貼片上蝕刻水平和豎直兩組曲折槽，這些曲折槽具有相同的寬度w1，兩組曲折槽的中心線都與矩形貼片的對角線重合，并且豎直曲折槽的末端設(shè)計成矩形塊的形狀，這樣保證了兩個輸出端口有相等的幅度.耦合器的4個端口對稱分布在貼片4個邊的中心，且端口的微帶線寬為0.56 mm.在耦合器兩個端口和貼片之間對稱地加載兩組LC匹配網(wǎng)絡(luò)，每組LC匹配網(wǎng)絡(luò)由兩個電容和一個電感組成，電容的一端加載在耦合器的端口上，另外一端通過金屬過孔與接地板相連.圖1 中l(wèi)1=6.6 mm，l2=1.7 mm，l3=0.8 mm，l4=0.55 mm，w1=0.1 mm，w2=0.34 mm，w3=0.8 mm，w4=2 mm，C1=C2=C3=C4=0.3 pF，L1=L2=0.6 nH.該貼片整體的尺寸大小是5.5×8 mm2，相對尺寸為0.22λg×0.32λg.

圖1 3 dB耦合器貼片結(jié)構(gòu)Fig.1 3 dB coupler patch structure

2 耦合器參數(shù)分析

在設(shè)計耦合器的過程中發(fā)現(xiàn)，水平槽末端的長度和豎直槽末端的長度(l2)都會影響耦合器的工作頻率，不同l2時的結(jié)果如圖2 所示，其中電容是0.3 pF，電感是0.6 nH.圖2 給出了不同l2時的|S11|和|S41|，當(dāng)槽末端的長度(l2)從0.95 mm，1.35 mm，增加到1.75 mm時，該耦合器的工作頻率從5.3 GHz，5.0 GHz，降低到4.5 GHz.|S11|和 |S41| 在工作頻率附近均低于-20 dB，并且隨著l2的增加進一步下移.由于貼片尺寸的限制，槽末端的長度(l2)最大為1.75 mm，此時耦合器工作在4.5 GHz，耦合器的|S11|最低且具有很好的隔離，并且相對帶寬最寬(4.1～5.1 GHz).

圖2 不同l2時耦合器的|S11|和|S41|Fig.2 |S11| and |S41| of coupler with different l2

在確定了l2的長度后，改變耦合器豎直槽末端矩形槽的長度w3，可以調(diào)節(jié)其耦合度和帶寬，相關(guān)結(jié)果如圖3 所示.當(dāng)w3選擇0.6 mm時，在4.5 GHz處，|S21|=-3.3 dB，|S31|=-2.9 dB，此時1 dB相對帶寬為15%(4.2～4.8 GHz).當(dāng)w3選擇0.8 mm時，在4.5 GHz處，|S21|=-3.1 dB，|S31|=-3 dB，此時1 dB相對帶寬為18%(4.2～5.0 GHz).當(dāng)w3選擇1.0 mm 時，相應(yīng)的結(jié)果為-2.8 dB，-3.4 dB，9%(4.3～4.7 GHz).可見，當(dāng)采用w3=0.8 mm時耦合器帶寬最寬，耦合器的|S21|,|S31|最接近.

圖3 不同w3時耦合器的|S21|和|S31|Fig.3 |S21| and |S31| of coupler with different w3

3 耦合器的仿真結(jié)果

本文設(shè)計的耦合器通過改變電感來改變輸出端口的相位差.圖4(a)和圖4(b)給出了耦合器在l2=1.75 mm，l4=0.95 mm，w2=0.34 mm時的S參數(shù)(S21和S31，S11和S41)隨電感(L1和L2)的變化.當(dāng)L1=L2=0.2 nH時，耦合器的工作頻率為4.3 GHz，|S21|=-3 dB，|S31|=-3 dB，|S11|=-24 dB，|S41|=-27 dB.當(dāng)L1和L2從0.6 nH增加到1 nH時，耦合器的工作頻率為4.5 dB，|S21|和|S31|在4.5 GHz處都接近于-3 dB，|S11|和隔離度|S41|在4.5 GHz 處都低于-25 dB.圖4(c)是不同電感下輸出端口的相位變化圖，當(dāng)電感為0.2 nH時，相位差為55°，55°±5°相對帶寬為17%(3.8～4.6 GHz)，當(dāng)電感為0.6 nH時，相位差為45°，45°±5°相對帶寬為20%(3.9～4.8 GHz)，當(dāng)電感為1.0 nH時，相位差為35°，35°±5°相對帶寬為22%(3.8～4.8 GHz).表1 給出了不同電感下耦合器仿真結(jié)果的具體值.

圖4 不同電感下耦合器S參數(shù)和相位差的變化Fig.4 S11,S21,S31,S41 and phase difference changes withdifferent inductance of coupler

表1 耦合器仿真結(jié)果Tab.1 Coupler simulation results

為了更清楚地看出電感變化對耦合器相位差的影響，圖5給出了耦合器工作在3個不同頻率(4.5 GHz，4.7 GHz，5 GHz)時輸出端口相位差隨電感變化的曲線.從圖5中可以看出，隨著電感L1和L2從0.2 nH增大到1 nH，在4.5 GHz時，耦合器輸出端口的相位差從35°增大到了55°，在4.7 GHz 時，相位差的范圍是32°～57°，在5 GHz時，相位差的范圍達到26°～53°，可見該耦合器可以通過改變電感實現(xiàn)小范圍內(nèi)任意的相位差.

表2 是當(dāng)l2=1.75 mm，w3=0.6 mm，L1=L2=0.6 nH時，本文提出的矩形貼片耦合器與現(xiàn)有的貼片耦合器的仿真結(jié)果對比.可以看出，相比文獻[7]，[8]和[9]，本文所提出的耦合器具有較小的物理尺寸，雖然相對文獻[10]尺寸略微大一些，但是本文提出的耦合器具有非標(biāo)準(zhǔn)的相位差和小范圍的可調(diào)相位差，并且?guī)捀鼘?

圖5 不同頻率下輸出端口相位差隨電感(L1和L2)的變化Fig.5 Changes of phase difference with L1 and L2 at different frequencies

表2 本文提出的耦合器與現(xiàn)有貼片耦合器結(jié)果對比Tab.2 Comparison with other patch hybrid couplers

4 結(jié) 論

本文提出了一種具有非標(biāo)準(zhǔn)相位差小型矩形貼片耦合器的設(shè)計.耦合器主要結(jié)構(gòu)是在矩形貼片上蝕刻水平和豎直兩組彎折槽，并且在耦合器的兩個端口處增加LC匹配網(wǎng)絡(luò).本文所提出的十字槽貼片耦合器的長度約為1/2波長，寬度約為1/3波長，貼片的整體面積相對于短截線矩形貼片耦合器尺寸減小了80%.該耦合器實現(xiàn)了在中心頻率處的低回波損耗和良好的隔離，帶寬能達到17%以上，通過改變電感實現(xiàn)了耦合器26°～57°的可調(diào)相位差范圍，且耦合器制作簡便，具有很大的實用價值.