一種新型SISL 分支線3 dB 定向耦合器

牟成林，劉長(zhǎng)軍

四川大學(xué) 電子信息學(xué)院，四川 成都 610064

定向耦合器[1]作為微波電路中重要的無(wú)源器件，可以在輸入輸出端口間實(shí)現(xiàn)功率分配，并保持一定的相位差，廣泛應(yīng)用于混頻器、平衡放大器以及陣列天線饋電網(wǎng)絡(luò)等方面。近年來(lái)，基于不同傳輸線結(jié)構(gòu)的高性能定向耦合器不斷出現(xiàn)，如波導(dǎo)[2]、基片集成波導(dǎo)[3]、微帶線[4]和懸置帶狀線[5-6]等。懸置帶狀線中的電場(chǎng)主要分布在空氣腔中，具有損耗低、色散低、等效介電常數(shù)低以及電磁兼容性好等優(yōu)點(diǎn)。然而傳統(tǒng)的懸置帶狀線由金屬腔體構(gòu)成，加工相對(duì)復(fù)雜、成本較高。新型介質(zhì)集成懸置線(SISL)[7-9]采用印制電路板(printed circuit board，PCB)加工工藝替代金屬腔體加工，保留了懸置帶狀線的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有成本低、重量輕和自封裝等優(yōu)勢(shì)。方同軸傳輸線[10]具有寬頻帶、低色散以及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的特點(diǎn)，在航天領(lǐng)域得到了應(yīng)用。本文提出了一種新型SISL 分支線定向耦合器，在SISL 的基礎(chǔ)上借鑒同軸結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，將空氣腔中心填充表面敷銅、由金屬通孔包圍的介質(zhì)基板，使耦合器分支線形成類似于同軸的傳輸結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步減小了色散，提高了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。采用同軸接頭進(jìn)行直接饋電，省去過(guò)渡結(jié)構(gòu)，既縮小了尺寸，又降低了損耗。

1 介質(zhì)集成懸置線結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)

圖1 為SISL 的三維結(jié)構(gòu)圖，由5 層雙面敷銅的介質(zhì)基板構(gòu)成，介質(zhì)基板和金屬層自上而下分別命名如圖1 所示。將第2 層和第4 層介質(zhì)基板局部切除形成空氣腔，在空氣腔周圍由金屬通孔模擬金屬波導(dǎo)的邊界條件，實(shí)現(xiàn)電磁屏蔽，其橫截面如圖2 所示。5 層介質(zhì)基板（substrate，Sub）材料均為FR-4，微波電路設(shè)計(jì)在Sub3 的上層G5 金屬層。

圖1 SISL 三維結(jié)構(gòu)

圖2 SISL 橫截面示意

根據(jù)參考文獻(xiàn)[11]，SISL 傳輸線的等效介電常數(shù)為

式中：h=h2+h3+h4，其中，h2、h3、h4分別為第2、3、4 層介質(zhì)基板的厚度；εr為介質(zhì)基板相對(duì)介電常數(shù)。

特征阻抗為

式中

其中ws為金屬導(dǎo)帶的寬度。

本設(shè)計(jì)采用同軸直接饋電，在選擇介質(zhì)基板高度和空氣腔寬度時(shí)，應(yīng)使SMA 接頭的法蘭盤完全遮蓋空氣腔，形成封閉結(jié)構(gòu)，并且使耦合器饋線的金屬導(dǎo)帶寬度大于同軸接頭探針寬度。

設(shè)計(jì)介質(zhì)基板厚度h1=0.6 mm，h2=1 mm，h3=0.6 mm，h4=1 mm，h5=0.6 mm；空氣腔寬度wa=8 mm。保持其他參數(shù)不變，改變第3 層介質(zhì)基板Sub3上面的金屬導(dǎo)帶寬度ws，SISL 特征阻抗變化趨勢(shì)如圖3 所示。選擇合適的線寬，即可得到需要的SISL 特征阻抗。

圖3 SISL 特征阻抗與線寬ws 的關(guān)系

2 分支線定向耦合器原理及設(shè)計(jì)

如圖4 所示，分支線定向耦合器由2 條主線和2 條分支線組成，其中分支線的長(zhǎng)度和間距均為1/4波長(zhǎng)。所有端口均匹配，從端口1 輸入的功率平均分配給端口2 和端口3，且兩輸出端口之間存在90°相移，端口4 隔離。圖4 中，λg為中心頻率工作波長(zhǎng)，Z0為歸一化阻抗。

圖4 分支線定向耦合器原理

耦合器散射參數(shù)[12]為

基于上述原理，設(shè)計(jì)一款中心頻率工作于2.45 GHz 的SISL 分支線定向耦合器，其金屬導(dǎo)帶所在的G5 金屬層結(jié)構(gòu)如圖5(a)所示。在正交混合網(wǎng)絡(luò)的中心敷銅，使每一條支線都保持相同尺寸的SISL 傳輸通路，通路兩側(cè)用金屬通孔模擬金屬邊界條件，實(shí)現(xiàn)電磁屏蔽。介質(zhì)基板堆疊利用金屬通孔進(jìn)行定位，鉚釘穿過(guò)金屬通孔將5 層介質(zhì)基板鉚接在一起，實(shí)現(xiàn)SISL 結(jié)構(gòu)的自封裝。

由上述分析可知，若通過(guò)介質(zhì)堆疊形成空氣腔，需要將Sub2 拆分成5 塊介質(zhì)基板，其形狀尺寸如圖5(b)所示。其中Sub2-3 的存在不僅提高了SISL 結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，而且具有降低色散、減小損耗的優(yōu)勢(shì)。由圖4 可知，耦合器各分支線設(shè)計(jì)初始線長(zhǎng)為四分之一波長(zhǎng)，可由式(1)計(jì)算得SISL 等效介電常數(shù)，進(jìn)而求得初始線長(zhǎng)。分支線特征阻抗分別為Z0和Z0/初始線寬可由圖3特征阻抗和線寬ws的關(guān)系得到。實(shí)際尺寸為：W0=2.4 mm，L0=10 mm，W1=4 mm，L1=28 mm，W2=2.4 mm，L2=28.5 mm。

圖5 SISL 結(jié)構(gòu)平面示意

為驗(yàn)證SISL 分支線定向耦合器的低損耗特性，利用HFSS 仿真工具進(jìn)行全波仿真。設(shè)計(jì)相同工作頻率的微帶（microstrip）分支線定向耦合器，介質(zhì)基板采用厚度為0.6 mm 的FR-4，對(duì)比2 種結(jié)構(gòu)的損耗曲線如圖6 所示。

圖6 SISL 耦合器與微帶線耦合器損耗對(duì)比

由文獻(xiàn)[13]可知功率損耗Ploss計(jì)算公式為

仿真結(jié)果表明，SISL 定向耦合器的損耗在整個(gè)頻段內(nèi)均遠(yuǎn)低于微帶線結(jié)構(gòu)，并且隨著頻率的升高，二者之間的差別越來(lái)越大，印證了SISL 定向耦合器的低損耗特性。

3 測(cè)試結(jié)果與分析

耦合器整體尺寸為53.6 mm×58.3 mm×3.8 mm，實(shí)物如圖7 和圖8 所示。在實(shí)際加工時(shí)，將SMA接頭的法蘭盤焊接到SISL 結(jié)構(gòu)G1 層和G10 層，實(shí)現(xiàn)共同接地。在Sub1 和Sub5 耦合器端口處增加一排金屬通孔，縮短電流路徑，改善過(guò)渡結(jié)構(gòu)的電性能。

圖7 SISL 耦合器加工實(shí)物

圖8 SISL 每層介質(zhì)基板加工實(shí)物

定向耦合器仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果如圖9 和圖10所示，測(cè)試儀器使用Agilent 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。在中心頻率2.45 GHz 處，回波損耗和隔離度均優(yōu)于28 dB。頻率在2.3～2.6 GHz 時(shí)，回波損耗和隔離度均高于20 dB；傳輸端口|S21|為-3.12 dB，幅度不平衡度為±0.18 dB；耦合端口|S31|為-3.39 dB，幅度不平衡度為±0.15 dB；輸出端口之間的相位差為90°±1°。SISL 結(jié)構(gòu)等效介電常數(shù)低，受介質(zhì)基板參數(shù)影響很小，因此仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合良好。

圖9 SISL 定向耦合器仿真與實(shí)測(cè)S 參數(shù)

圖10 SISL 定向耦合器仿真與實(shí)測(cè)輸出端口相位差

表1 為本設(shè)計(jì)與其他文獻(xiàn)中定向耦合器性能對(duì)比，其中相對(duì)帶寬的指標(biāo)為回波損耗和隔離度，均優(yōu)于20 dB。由表1 可知，SISL 不僅以低成本的介質(zhì)基板實(shí)現(xiàn)了耦合器優(yōu)良的電性能，并且具有損耗小、自封裝等優(yōu)勢(shì)，工程應(yīng)用價(jià)值較高。

表1 定向耦合器性能對(duì)比

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種中心頻率工作于2.45 GHz 的新型基于SISL 分支線3 dB 定向耦合器，與傳統(tǒng)耦合器結(jié)構(gòu)相比，主要具有如下特點(diǎn)。

1)提出一種基于SISL 分支線3 dB 定向耦合器結(jié)構(gòu)，將第2 層和第4 層介質(zhì)基板分解，使耦合器的每條支路保持相同的SISL 傳輸結(jié)構(gòu)，降低了色散，提高了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

2)饋電方式采用同軸直接饋電，去掉過(guò)渡結(jié)構(gòu)，在介質(zhì)基板的饋電端口處添加金屬通孔提高電性能，既減小了尺寸，又降低了電路損耗。

3)基于SISL 傳輸線結(jié)構(gòu)，利用金屬通孔模擬金屬波導(dǎo)邊界條件，電磁波主要在空氣中傳播，具有損耗小、受介質(zhì)基板參數(shù)影響小、電磁兼容性好和自封裝等優(yōu)勢(shì)。