定向耦合器的研究

1、 定向耦合器的研究幾種微帶定向耦合器結(jié)構(gòu)與分析摘 要定向耦合器是一種通用的微波/毫米波部件，可用于信號(hào)的隔離、分離和混合，如功率的監(jiān)測(cè)、源輸出功率穩(wěn)幅、信號(hào)源隔離、傳輸和反射的掃頻測(cè)試等。主要技術(shù)指標(biāo)有方向性、駐波比、耦合度、插入損耗?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)外研究定向耦合器都向體積小、功率容量大、頻帶寬、插入損耗小，有良好的駐波比和方向性等發(fā)展。如今已研制出的高性能的耦合器，如中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所研制的耦合器，頻率范圍可從30kHz達(dá)到110GHz，耦合度也有3dB、10dB、20dB各種型號(hào)，且它的功率有的可以達(dá)到10KW，例如AV70606耦合器，它在保證方向性大于30dB的情況下，功率就

2、可達(dá)到10KW。甚至有些公司在耦合度控制在10dB的情況下，它的回波損耗可以低于-50到-60dB，甚至更低。然而在某些特性場(chǎng)合，對(duì)耦合器的要求也是越來越高，因而更加優(yōu)良的耦合器也有待我們?nèi)パ芯?。關(guān)鍵詞: 傳輸線；微帶線；定向耦合器；耦合度；奇模；偶模1引言在一些電橋及平衡混頻器等元件中，常用到分支線定向禍合器分支線電橋或定向藕合器由兩根平行傳輸線所組成，通過一些分支線實(shí)現(xiàn)拐合它們?cè)谥行念l率上分支線的長(zhǎng)度及其間的間隔全都是四分之一波長(zhǎng)。由于徽帶線分支定向禍合器在結(jié)構(gòu)和加工制造方面都比波導(dǎo)和同軸線簡(jiǎn)便得多，因此在徽帶電路，分支線電橋和定向禍合器得到了較多的應(yīng)用。 隨著定向耦合器技術(shù)的發(fā)展，它應(yīng)用

3、到了更多更廣泛的領(lǐng)域當(dāng)中去，例如相控陣?yán)走_(dá)等，越來越多的人開始關(guān)注這項(xiàng)技術(shù)，這更使定向耦合器得到了長(zhǎng)足發(fā)展，隨著時(shí)間的推移它在電子技術(shù)領(lǐng)域占到了越來越重要的地位。2 微帶定向耦合器的種類微帶定向耦合器的種類有很多，例如：平行耦合微帶線定向耦合器、微波3dB微帶雙分支定向耦合器、寬帶微帶定向耦合器等。2.1 平行耦合微帶線定向耦合器圖12所示，是平行耦合微帶線定向耦合器的示意圖。當(dāng)端口信號(hào)激勵(lì)時(shí)，端口為隔離 端 無 輸 出、而 耦 合 端 口及直通端口有 輸 出 。根 據(jù) 奇、偶 模 分 析 方 法 可 知，耦 合 端 口 及直通端口的輸出電壓分別為， 式中：Z0e和Z00分別為耦合微帶線的偶模

4、和奇模特性阻抗，qe 和q0 分別是耦合微帶線的偶模和奇模的電長(zhǎng)度，Z0是端口的端接阻抗。 根據(jù)（1）式可知定向耦合器的耦合度為， 而根據(jù)（2）式可得傳輸系數(shù)為， 但需要滿足一下條件，即： 如果假設(shè)耦合微帶線中傳輸?shù)氖荰EM波（而不是準(zhǔn)TEM波），則 可 忽 略 奇、偶 模 相 速 的差別而認(rèn)為:qe=q0 =q，此時(shí)（1）（4）式可以改寫成以下形式，即： 式中： 但需要滿足一下條件，即： 根據(jù)（5）（9）式可知，此時(shí)的耦合度和傳輸系數(shù)分別變?yōu)椋?而中心頻率的耦合度為， 2、 耦合區(qū)的長(zhǎng)度根 據(jù)（11）式 可 知，當(dāng) 耦 合區(qū) 的電長(zhǎng)度q=90度時(shí)，耦 合度C¢最大，耦 合器 獲得

5、最大的耦合輸出。因此圖12中“耦合區(qū)”的幾何長(zhǎng)度應(yīng)取中心工作頻率的四分之一波長(zhǎng)，即 ： 對(duì)于工作在準(zhǔn)TEM波的耦合微帶線的奇、偶模的相速不相等，應(yīng)取： 式 中： 分別為“奇?！焙汀芭寄！辈▽?dǎo)波長(zhǎng)，而eee和ee0分別是“奇模”和“偶?！钡挠薪殡姵?shù)。注意：當(dāng)工作頻率較高時(shí)“耦合區(qū)”的幾何長(zhǎng)度將非常短、制作困難，此時(shí)可?。?即可以將“耦合區(qū)”的幾何長(zhǎng)度設(shè)計(jì)成中心工作頻率的四分之一波長(zhǎng)的奇數(shù)倍，具體取多少倍應(yīng)視具體情況而定。2.2.1 3dB微帶分支線定向耦合器 定向 耦合器廣泛應(yīng)用與射頻系統(tǒng)中，特別市3dB定向耦合器更使一個(gè)不可或缺的重要元件，其大量使用于射頻電路。但是，傳統(tǒng)的微帶分支線定向耦合

6、器占電路面積太多，在迅速發(fā)展的微波集成電路（MIC)和單片微波集成電路（MMIC)中，微帶元器件的小型化扮演著不可或缺的角色。降低成本，提高集成度是微帶元器件的小型化理論成為發(fā)展的趨勢(shì)。微波耦合器是現(xiàn)代微波、毫米波通信技術(shù)和電子戰(zhàn)等應(yīng)用中一個(gè)極其重要的部分，是微波、毫米波系統(tǒng)中的核心器件，因而定向耦合器成為制約系統(tǒng)性能和技術(shù)水平的關(guān)鍵部件，其性能的優(yōu)劣將直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量。 、 圖2-1標(biāo)準(zhǔn)3dB微帶分支線定向耦合器板圖（1）1、2、3、4四個(gè)口都是匹配的，即： S14=S22=S33=S44=0 (2)當(dāng)各口接以匹配負(fù)載是，1、4口之間，2、3口之間都彼此隔離，即 S14=S23=0

7、(3)1臂至2、3臂，4臂至2、3臂，功率完全平均分，即 |S21|=|S31|= |S24|=|S34|= 反過來亦然，即2臂進(jìn)入的功率平分地進(jìn)入1、4臂，3臂進(jìn)入的功率也平分地進(jìn)入1、4臂。 |S12|=|S42|= |S13|=|S43|= 由定向耦合器的耦合度C=10log(1/|S31|²)dB和C=3dB 得|S31|²=1/2,即：功率平均，實(shí)際上3dB定向耦合器為功率平均器。 對(duì)于我們經(jīng)常提到定向耦合器的輸入端口、直流端口、耦合端口和隔離端口與定向耦合器上標(biāo)出的Port1、Port2、Port3和Port4是一一對(duì)應(yīng)的，如圖2-2所示，同時(shí)我們也可以看到耦合

8、器里輸入信號(hào)功率的常規(guī)流向。2.2.2標(biāo)準(zhǔn)（傳統(tǒng)）3dB微帶分支線定向耦合器的參數(shù) 在小型化微帶分支線定向耦合器時(shí)，首先理論計(jì)算設(shè)計(jì)出電路板圖，然后軟件仿真和測(cè)量S參數(shù)頻率特性曲線。微帶分支線定向耦合器的S參數(shù)頻率特性曲線如圖2-3所示和定向耦合器的直通端口和耦合端口的相位差如圖2-4所示。通過S參數(shù)頻率特性曲線和直通端口和耦合端口的相位差來表示小型化理論的正確性，設(shè)計(jì)出電路板圖后，很據(jù)制作實(shí)際電路板材料的參數(shù)計(jì)算出微帶線的實(shí)際尺寸，然后做出電路板進(jìn)行測(cè)試。 圖2-3 標(biāo)準(zhǔn)3dB微帶分支線定向耦合器的S參數(shù)特性曲線2.2.3定向耦合器電路的散射參量S S參量是由歸一化入射波電壓和歸一化反射波電

9、壓來定義的，因此它容易進(jìn)行測(cè)量。故S參量是微波網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用最多的一種參量。 如圖2-5所示，設(shè)an代表網(wǎng)絡(luò)第n個(gè)端口的歸一化入射波電壓，bn代表第n個(gè)端口的歸一化反射波電壓，它們與同端口的電壓關(guān)系為 式中，Zcn為第n個(gè)端口的參考阻抗。 圖2-5 S參量網(wǎng)絡(luò)假設(shè)網(wǎng)絡(luò)是線性的，a與b有著線性的關(guān)系，對(duì)兩端口網(wǎng)絡(luò)可寫成 b1=S11a1+S12a2 b2=S21a1+S22a2 （2-2） 或 b=Sa （2-3） 式中， （2-4）稱為散射矩陣，其各參量的物理意義為： 表示端口2匹配時(shí)，端口1的反射系數(shù)； 表示端口1匹配時(shí)，端口2的反射系數(shù)； 表示端口1匹配時(shí)，端口2到端口1的傳輸系數(shù)； 表示端口

10、2匹配時(shí)，端口1到端口2的傳輸系數(shù)。式中，ai=0(i=1,2.)表示第i個(gè)端口接匹配負(fù)載，因而沒有從負(fù)載反射回來的波。2.3 一種寬帶微帶定向耦合器 微帶線定向耦合器支持純TEM或準(zhǔn)TEM模的傳輸，在傳輸過程中相互作用產(chǎn)生耦合的兩種模式：偶模和奇模。平面TEM傳輸線定向耦合器有窄邊耦合和寬邊耦合，一般對(duì)于微帶線為窄邊耦合，帶狀線為寬邊耦合。 微帶線 介質(zhì)基板 地平面 圖1 窄邊耦合的微帶耦合器 輸出端2 輸出端1 圖2 單節(jié)耦合器 輸入信號(hào)可以分為奇偶兩種模式，在偶模時(shí)，輸入和耦合端輸入電壓幅度和相位都相同，此時(shí)，兩條微帶線之間存在一個(gè)理想磁壁；在奇模時(shí)，輸入和耦合端輸入電壓幅度相同，相位相

11、反，此時(shí)，兩條微帶線之間存在一個(gè)理想電壁。單節(jié)耦合器的耦合度定義為： （1）式中，Zoo和Zoe分別為單節(jié)耦合器的歸奇模和偶模。并且有ZoeZoo=Zo²,Zo為耦合器的負(fù)載，一般為50歐姆。 通過利用奇偶模對(duì)耦合器進(jìn)行理論分析，最后對(duì)參量進(jìn)行優(yōu)化。多節(jié)非對(duì)稱耦合器的分析是再單節(jié)耦合器的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。如圖3所示。 圖3 n節(jié)非對(duì)稱定向耦合器 圖3中的Zoo和Zoe分別為每節(jié)耦合器的歸一化奇模和偶模，關(guān)系為ZooZoe=1，為每節(jié)的電長(zhǎng)度即信號(hào)在耦合器的相移。對(duì)稱耦合器相比于非對(duì)稱耦合器在耦合端口和輸出端口相位差為90度，且與頻率無關(guān)。這種特性在相位控制中很重要，但是非對(duì)稱耦合器相比之

12、下卻又更寬的帶寬。 多節(jié)耦合器可以看做是電長(zhǎng)度為和特性阻抗為Zr(r=1,2,.,n)的單節(jié)耦合器級(jí)聯(lián)而成的，假定為無耗網(wǎng)絡(luò)時(shí)，它的傳輸矩陣為： （2）多節(jié)耦合器中插入損耗計(jì)算公式為： （3）多節(jié)耦合器的帶寬設(shè)置為0到-0，相應(yīng)插入損耗可以寫為： （4）式（4）一般作為實(shí)特性阻抗的階梯阻抗濾波器。式中的Tn為n階第一類切比雪夫函數(shù)，cos0= 。把式（3）和（4）進(jìn)行相應(yīng)的聯(lián)合可以得到n個(gè)對(duì)于變量Zr(r=1,2,.,n)的表達(dá)式，通過計(jì)算表達(dá)就可以得到耦合器的相應(yīng)參數(shù)，當(dāng)n大于3時(shí)，一般借助于計(jì)算機(jī)處理。 根據(jù)Richards變換，把復(fù)阻抗映射到滿足Brunet條件的阻抗域Z(t）。由式（3

13、）得到的插入損耗的表達(dá)式可以得到反射系數(shù)： （5） 由式Z(t）的條件限制，此時(shí)（t)為正實(shí)數(shù)的n階多項(xiàng)式，輸入阻抗Z(t)的計(jì)算公式為： （6） 根據(jù)設(shè)計(jì)要求寬帶BW，耦合度C和紋波R得到計(jì)算條件。 （7）其中，。由式（6）和式（7）可以得到關(guān)于和h的等式，求解出著兩個(gè)變量，就可以得到耦合器的每節(jié)特性阻抗和它的奇偶模。在前面的分析中，根據(jù)耦合器的設(shè)計(jì)要求如帶寬、耦合度和帶內(nèi)紋波，可以得到不同節(jié)數(shù)的耦合器對(duì)應(yīng)的奇偶模和特性阻抗。本文設(shè)計(jì)的耦合器節(jié)數(shù)n=6，帶寬比（-0）/0=10，紋波變化R=0.5dB，根據(jù)上面的計(jì)算得到耦合器的參數(shù)為： 表1 計(jì)算得到的耦合器奇偶模 根據(jù)得到的理論數(shù)值奇偶模，用耦合線的計(jì)算方法得到耦合微帶線的線寬和線的間隙。對(duì)所得到的數(shù)值在ADS中進(jìn)行理想情況下得仿真優(yōu)化，得到耦合度曲線圖。 圖4 耦合度ADS仿真結(jié)果 從圖4中可以看出板在理想微帶耦合線時(shí)，得到耦合器的帶寬為7005000MHz，紋波為0.4dB（其中不考慮微帶線厚度和損耗及介基板影響）。將ADS中優(yōu)化后的結(jié)果在HF-SS軟件中進(jìn)行建模，對(duì)所得到的耦合器微帶線的寬度和線間隙用軟件中的遺傳算法進(jìn)