高功率三阶3 dB介质定向耦合器的分析与设计

覃基伟，陈晓光，朱继宏

（1.复旦大学 通信科学与工程系，上海 200433；2.上海明珠广播电视科技有限公司，上海 200333）

0 引言

近年来，耦合器在广播电视、移动通信等无线通信领域得到了更多应用[1－3]。随着应用的增多，对耦合器的带宽、功率、尺寸、集成度等指标提出了更高的要求。本文在以空气为介质的三阶定向耦合器的基础上，通过增加具有高电压击穿特性的三氧化二铝陶瓷片作为耦合介质，分析并设计了一款高功率三阶3 dB介质定向耦合器。此介质耦合器在保证足够带宽的前提下，能够提高耦合器的耐压性能，从而实现了定向耦合器的高功率耦合。此类耦合器以其高耐压性的优势，能应用于广播电视台大功率（数十千瓦）发射机中。

1 原理分析

对于理想的3 dB耦合器，如图1所示，输入信号能量从端口1进入耦合器，耦合能量从耦合端口2输出，其余能量从直通端口4输出。但是由于耦合器的非理想性，在隔离端口3有部分能量输出，且在输入端口也有一部分能量被反射。

其中，k为电压耦合系数，定义为

通过级联奇数个1/4波长的耦合段，反向耦合器能实现更好的性能，得到更宽的带宽。下面求解图2中三阶定向耦合器耦合端和直通端的电压[3]。

耦合端口2和直通端口4的总电压为

由于对称性，k1=k3，当θ=π 2时，上面公式化简为

可以通过选择耦合系数k1，k2，k3等来综合所希望的耦合度响应。

2 高功率三阶3 dB介质耦合器的设计与测试

如图3和图4所示，这是一个无介质的三阶定向耦合器，三阶长度相等，均为76 mm。中间节上下板之间空气的厚度为2d（变化范围2～8 mm），中间节台阶高度为h（变化范围6～20 mm）。此外，金属板厚度为thi（变化范围5～20 mm）。

在实际的仿真优化中还加入了6个铜质螺钉（图4中的b1～b6），通过调节螺钉长度，可以改善耦合器的平衡度、拓展带宽以及优化回波损耗与隔离度等。由于调节参数很多（d，h，thi，b1～b6），调试可大致分为粗调和微调两部分。初始状态为：d=1.5 mm，h=10 mm，thi=10 mm，b1=b2=b3=b4=b5=b6=0。HFSS软件仿真的S参数曲线如图5所示。

图5中，耦合器并没有谐振，需要对b1～b6螺钉进行粗调以寻找谐振范围，经过粗调后S曲线如图6所示。

图6中直通强于耦合，二者并未平衡，反射和隔离达到了10 dB以下，耦合器开始进入谐振状态。在此基础上，对b1～b6进行微调，并对d，h和thi进行相应调节，可得耦合器的S参数曲线如图7所示。在优化调节过程中，各参数对S曲线的影响如表1所示，“—”表示影响不大。

表1 各参数对S曲线的影响

图7中，此耦合器在耦合与直通之间实现了很好的平衡，此外，回波和隔离度都能达到20 dB以下。

通过实验发现，三阶3 dB耦合器的中间节，以空气作为介质，即εr=1时，两板间距小于6 mm。并且当间距在2～3 mm时，耦合最强。这样的间距，在功率很大（如应用于广播电视台数十千瓦的发射机）时，两板容易击穿。为了防止击穿，增加一块绝缘介质（如图8和图9所示），其相对介电常数εr=9.8。以三氧化二铝为材料的介质块，长宽高分别为31 mm，130 mm，3 mm。在间距为3 mm的情况下，三氧化二铝的击穿电压达到30 kV[5]，可实现高功率输入。此外，宽带的三阶3 dB耦合器的耐压低，高功率的耦合器因此只能做成窄带的，即在频带和功率两个指标中存在一个权衡问题。

图8和图9中耦合器的中间节（第2节）的长度θ2=30 mm，比第1节和第3阶（76 mm）短，这是因为加介质后，电磁波等效波长变短，如下式

因此中间节的长度需相应地缩短。将εr=9.8代入式（14）得到等效波长λ=0.319λ0。但是中间节长度并不能按此比例简单地缩小到θ2=0.319θ1=0.319×76 mm=24.3 mm，因为介质仅仅介于中间节上下两板之间，并没有完全覆盖金属，此处并不构成线性关系。需要利用HFSS软件对中间节长度进行优化，在优化时，可以用θ2=24.3 mm作为参考，因为通过定性分析，假设介质能完全覆盖金属，则中间节长度为24.3 mm，没有覆盖时中间节长度应当大于此数值。事实上，通过HFSS优化，中间节长度为30 mm。此介质耦合器的参数b1～b6，d，h，thi的调试方法与前文无介质耦合器的调试方法相似，此处主要阐述中间节长度θ2的优化过程。图10中显示了中间节长度从24 mm增大到40 mm过程中各S参数的变化情况。

从图10可看出，中间节长度在27～33 mm范围内，耦合器的平衡度、回波损耗、隔离度等参数较为理想，因此可以取中间节的长度为30 mm。

通过HFSS仿真，分别得到无介质耦合器和介质耦合器两板间的电场分布和最大场强，根据击穿电压分别计算两种情况下耦合器的最大输入功率。

对于无介质耦合器，中间节两板间的最大电场强度为2 040.7 V/m（输入1 W时得到的最大电场强度），空气的击穿电压是3 000 000 V/m。由于两块传输板之间是空气介质，所以得到最大允许输入功率为（3 000 000÷2 040.7）W=1.47 kW。即当输入功率小于1.47 kW时，基本保证耦合板之间不被打火击穿[6]。

对于高功率3 dB介质耦合器，中间节两板间的最大电场强度约572.86 V/m（输入1 W时得到的最大电场强度），由于两块传输板间三氧化二铝介质的击穿电压为10 000 000V/m[5]，所以最大允许输入功率为（10 000 000÷572.86）W=17.46 kW。即当输入功率小于17.46 kW时，基本保证耦合板之间不被打火击穿[6]。需要说明的是，由于增加的介质没有完全覆盖相应金属，并不构成线性关系，因此此处得到的17.46 kW只是一个估算数值，但它能在一定程度上说明增加介质后，耦合器的耐压性能及最大输入功率均得到了很好的改善。

以上对比可以看出，三阶3 dB耦合器的中间节，以空气作为介质，即εr=1时，由于最大输入功率仅有1.47 kW，因此在输入功率很大时，两板容易击穿。为了防止击穿，增加一块三氧化二铝材料的绝缘介质，其相对介电常数εr=9.8。在间距为3 mm（即介质厚度为3 mm）的情况下，此3 dB耦合器的输入功率能够增加到17.46 kW，从而实现高功率3 dB耦合。

此高功率三阶3 dB介质耦合器的实物图如图11所示。

使用安捷伦的网络分析仪（见图12）对其进行测量，型号为Agilent 8712ET 300 kHz～1 300 MHz RF Net⁃work Analyzer。经过调试得到结果如图13所示。从图中可见，在800～900 MHz范围内，此耦合器能达到较好的平衡度，除去网络测试仪测量线损耗（约0.2 dB）的影响，直通S41和耦合S21均保持在－3.0～－3.2 dB范围内。随着频率升高，在900 MHz以上时，直通S41开始下降，耦合S21开始变强，两者逐渐脱离平衡。对于隔离和回波反射，在810～912 MHz能保持在20 dB以下，并接近30 dB。网络测试仪测量的实际结果与前文HFSS仿真的图10c所述基本吻合。

3 结论

本文根据定向耦合器的工作原理及要求，利用HFSS软件分析并设计了一款以空气为介质的三阶3 dB定向耦合器，此耦合器能使耦合与直通实现较好的平衡，同时隔离端的输出功率和输入端的反射功率也得到了较好的控制，但以空气为介质的耦合器耐压低，最大输入功率只有1.47 kW。为了提高耦合器的耐压性能和最大输入功率，在前述定向耦合器的基础上，使用具有高电压击穿特性的三氧化二铝陶瓷片作为耦合介质，分析并设计了一款高功率三阶3 dB介质定向耦合器。此介质耦合器在保证足够带宽的前提下，使耦合器的输入功率由1.47 kW增加到了17.46 kW，从而可以应用于广播电视台大功率（数十千瓦）发射机中。

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[5] 尹衍升，张景德.氧化铝陶瓷及其复合材料[M].北京：化学工业出版社，2001.

[6] 龙以水，陈晓光，朱继宏.数字邻频双工器中大功率三分贝耦合器设计与分析[J].电视技术，2008，32（5）：23－27.

覃基伟（1983-），硕士生，主研无源滤波器件的设计、滤波器组；

陈晓光（1964-），博士，副教授，主研无线通信、RF理论与技术；

朱继宏（1952-），高级工程师，上海明珠广播电视科技有限公司总经理，主研广播发射机、数字电视、天线、滤波器等。