一种宽带高方向性微带定向耦合器

陈晓俐，薛焕杰，官伯然

(杭州电子科技大学 电子信息学院，浙江 杭州 310000)

定向耦合器是用于各种高频系统的重要微波器件，被广泛用于幅度控制系统、平衡放大器、功率分配和合成器等很多微波器件及系统中。耦合器起到功率分配、组合、测量、拓扑改变和滤波的作用[1-5]。随着扫频信号源、宽带反射计、网络分析仪以及其他功率测量设备的发展，耦合器通常需要高方向性(优于30 dB)才能获得合适的性能[6]。因此，宽带且高方向性的定向耦合器的设计与研究就显得非常有意义。

在传统微带线定向耦合器设计过程中，往往采用多节λ0/4微带并联耦合线级联的方式实现宽频带(λ0是中心频率f0的波长)，例如文献[7]中使用4节级联达到10 GHz带宽。但是，这样带来的问题就是耦合器尺寸过大，不便于集成。而且，对于微带线耦合器，不均匀介质中奇数和偶数模式相速度的差异使得它方向性较差。为了解决这些问题，本文提出了一种小型化的多节微带耦合线的定向耦合器。它包括一节λ0/4对称平行耦合线和两节相同的λ0/8对称平行耦合线。此外，还通过在耦合线路的端口添加多段1/4圆弧微带线来解决方向性差的问题。

1 耦合器的基本结构

定向耦合器一个重要的特点就是将能量沿特定的方向传播。一般情况下，激励端口耦合到隔离端口的能量非常小[8-9]。单节平行耦合线定向耦合器的示意图如图1所示。

图1 单节平行耦合线定向耦合器示意图Figure 1. Single section parallel coupler directional coupler schematic diagram

当Port1为输入端口时，Port2为直通端口，Port3为耦合端口，Port4为隔离端口[10]。其中，耦合线长度为中心频率的1/4波长。

以下这种结构的耦合器结构简单，性能良好，制作方便，得到了较为广泛的应用[11]。

但是，使用单节耦合线无法达到足够的带宽。因此多采用多节1/4波长平行耦合线级联来扩展带宽。本研究采用两节级联微带平行并联耦合线的方式，并在此基础上进行了改动，得到了由一节1/4波长段和两节1/8波长段组合的多段耦合器，并最终达到了6～14 GHz的工作频带。

2 多节微带线定向耦合器的设计

耦合器的设计指标：工作频率为6～14 GHz；输入驻波比VSWR<1.5；耦合度为25±1 dB；隔离度>10 dB；方向性>30 dB；相位不平衡度<10°。

根据设计要求，带宽BW、耦合度C和波纹R计算式为

(1)

(2)

BW=π-θ0/θ0

(3)

本文设计的耦合器耦合度约为-25 dB，平坦度在±1 dB以内。因此查找多节对称定向耦合器的设计表格，采用-25 dB两节等波纹耦合线为初值优化。各节耦合度理论初值如表1所示。

表1 -25 dB耦合线定向耦合器各节耦合度初值Table 1. Coupling degree initial value of each section of -25 dB coupling line directional coupler

根据耦合度理论初值，本实验以两节等波纹为初值优化，并将第2节的1/4波长段拆分为两节1/8波长段，分别置于第1节耦合段两边。

通过在Ansof Designer软件中建立耦合器的电路模型，利用ADS软件及其LineCalc工具可计算出相应的物理参数[13]。通过优化仿真，最终传输线线宽、偏移、线长的具体参数如表2所示，其中，Er为相对介电常数，H为介质板厚度。

表2 3节对称耦合器设计参数值Table 2. Three sections symmetry coupler design parameters value

根据传输线阻抗匹配特性，在两段所需匹配的传输线之间插入一段或多段传输线段，就能完成不同阻抗之间的变换，达到良好匹配[14-16]。本文采用在耦合线端口插入多段1/4圆弧微带线进行优化仿真。

根据耦合器的设计指标，设计了如下的10 GHz定向耦合器。电路拓扑结构如图2所示，实物图如图3所示。印刷在厚度为0.254 mm，相对介电常数为2.2的Rogers5880介质板上，耦合器的尺寸如表3所示。

表3 耦合器尺寸Table 3. Dimensions of the coupler /mm

图2 宽带微带定向耦合器电路拓扑结构Figure 2. Broadband microstrip directional coupler circuit topology

图3 宽带微带定向耦合器实物图Figure 3. Photography of broadband microstrip directional coupler

3 仿真结果与性能分析

根据宽带微带线定向耦合器最终实物图和仿真模型，S参数仿真及实测结果如图4～图7所示。由于耦合器制作加工过程中的误差、SMA接头焊接误差及介质基板材料等原因，实测结果和仿真结果之间有一定的偏差，但两者基本吻合，满足实验预期。

图4 宽带微带定向耦合器S参数实测结果Figure 4. Measurement results of S parameter of wideband microstrip directional coupler

图5 宽带微带定向耦合器耦合度仿真及实测对比Figure 5.Simulation and comparison of coupling degree of broadband microstrip directional coupler

图6 宽带微带定向耦合器隔离度仿真及实测对比Figure 6.Simulation and comparison of isolation degree of broadband microstrip directional coupler

图7 宽带微带定向耦合器相位特性Figure 7.Phase characteristics of broadband microstrip directional coupler

图4是宽带微带定向耦合器S参数实测结果，图5和图6分别是其耦合度和隔离度仿真及实测对比结果，图7是相位特性仿真结果。仿真及实测结果显示，频率超过14 GHz时，信号频率超过了耦合器的工作范围，产生的组耗失配使传输特性插入损耗增加，频段不稳定[17]。根据实测曲线可以看出插损很小，耦合器的端口匹配良好，在全频带回波损耗都在-10 dB以下。方向性如图6所示，耦合器的方向性在6～14 GHz频段内具有优于30 dB的方向度。更重要的是，加入多段圆弧微带线之后，在这一频段内耦合水平在整个设计中没有显著变化，依然保持了-25 dB的耦合度。图7表明，耦合端和直通端相位差保持在90 °左右。由上可知，该耦合器具有优异的幅度平坦特性、相位平衡特性以及优异的方向性。

4 结束语

本文从多节微带线耦合器的基本原理出发，采用Ansoft Designer软件进行定向耦合器初值综合设计，通过微带并联平行耦合线与圆弧微带线级联的方式设计了一款带内插损小、隔离度高、尺寸小的高方向性耦合器。文中利用ADS建模优化，最终实物测试与仿真设计结果基本吻合。实验结果表明，本文设计的6～14 GHz的宽带微带线定向耦合器在实际项目应用中效果良好，具有一定的应用价值。