一種超寬帶寬邊耦合微帶定向耦合器

一種超寬帶寬邊耦合微帶定向耦合器

0多層耦合器結(jié)構(gòu)的選擇導(dǎo)向耦合器是一個(gè)非常重要的基本微波元件，在實(shí)際工程中得到了廣泛應(yīng)用。近年來(lái),隨著超寬帶微波系統(tǒng)的不斷涌現(xiàn)和發(fā)展,對(duì)超寬帶定向耦合器的需求也越來(lái)越大。在平面電路中,定向耦合器常采用平行耦合線結(jié)構(gòu),但其不易實(shí)現(xiàn)強(qiáng)耦合,工作帶寬有限。Lange耦合器能實(shí)現(xiàn)強(qiáng)耦合,但在結(jié)構(gòu)上需跨接微帶線,這對(duì)加工工藝要求較高。寬邊耦合微帶定向耦合器具有結(jié)構(gòu)緊湊,易加工,工作帶寬寬等優(yōu)點(diǎn),在超寬帶領(lǐng)域越來(lái)越受到重視。定向耦合器通常采用多節(jié)結(jié)構(gòu)來(lái)增加工作帶寬,但多節(jié)耦合器體積過大,不適合在要求小體積的場(chǎng)合應(yīng)用。因此,本文研究了另一種拓展帶寬的方法,在多層耦合器中,采用漸變結(jié)構(gòu)替代傳統(tǒng)的矩形結(jié)構(gòu)。常見的漸變結(jié)構(gòu)有指數(shù)漸變,三角形漸變和Kropienstein漸變,其中Kropienstein漸變?cè)趯?shí)現(xiàn)相同匹配效果的情況下結(jié)構(gòu)最緊湊,因此,本文選擇用Kropienstein漸變結(jié)構(gòu)替代傳統(tǒng)的矩形結(jié)構(gòu)。Kropienstein漸變結(jié)構(gòu)是一種曲線結(jié)構(gòu),在實(shí)際工程應(yīng)用中,曲線的加工精度低,因此,本文對(duì)Kropienstein漸變結(jié)構(gòu)進(jìn)行了直線近似。1奇偶模結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取圖1為矩形寬邊耦合微帶定向耦合器,由兩層帶有耦合縫隙的介質(zhì)板背對(duì)背組合而成,耦合由平行在微帶線基板上的雙面敷金屬的耦合片實(shí)現(xiàn),中間是公共地平面。w1為耦合區(qū)域微帶線寬度,w2為公共地掏孔的寬度,L為耦合微帶長(zhǎng)度。矩形寬邊耦合定向耦合器設(shè)計(jì)的基本思路是通過耦合強(qiáng)度和中心頻率來(lái)確定w1,w2和L的值。此耦合器可采用奇偶模分析法進(jìn)行分析,假設(shè)公共地平面無(wú)限大,且地平面和微帶線的金屬厚度可忽略,同時(shí)不考慮金屬和電介質(zhì)的損耗。由奇偶模的電場(chǎng)分析得知,在奇模情況下,地平面可看作是電壁,在偶模情況下,地平面可看作是磁壁,因此以地平面為界限,將耦合器一分為二,只討論地平面的上部分或下部分以簡(jiǎn)化分析。通過分析可得耦合器奇偶模阻抗Zoo、Zoe與耦合系數(shù)ko間的關(guān)系為式中Zo為傳輸線特性阻抗。另一方面,由文獻(xiàn)可知,矩形寬邊耦合定向耦合器的奇偶模阻抗為式中:εr為微帶線的介電常數(shù);K(k)是第一類橢圓積分函數(shù),并且,而k1和k2分別為式中:h為微帶線介質(zhì)厚度;2h為兩耦合微帶線間的距離。在以上分析的基礎(chǔ)上,我們就可計(jì)算w1和w2的值,首先利用式(1)、(2)計(jì)算3dB定向耦合器對(duì)應(yīng)的奇偶模阻抗,再將該阻抗值代入式(3)、(4)即可計(jì)算出w1和w2的值。L的選取與耦合器工作頻率有關(guān),選擇L=λe/4,其中λe為耦合器中心頻率對(duì)應(yīng)的微帶線波長(zhǎng)。以上就完成了矩形寬邊耦合微帶定向耦合器的設(shè)計(jì),為進(jìn)一步拓展定向耦合器的工作帶寬,本文采用Kropienstein漸變結(jié)構(gòu)替代傳統(tǒng)的矩形結(jié)構(gòu),其設(shè)計(jì)可在矩形寬邊耦合微帶定向耦合器的基礎(chǔ)上進(jìn)行,只需保證兩種耦合器耦合區(qū)域長(zhǎng)度和面積相等即可。2微帶線、槽的寬度圖2為本文提出的Kropienstein寬邊耦合微帶定向耦合器結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)由兩層帶有耦合縫隙的介質(zhì)板背對(duì)背組合而成,上層和下層微帶線通過耦合縫形成強(qiáng)耦合,端口1、2在上層微帶線上,端口3、4在下層微帶線上。當(dāng)微波信號(hào)由端口1輸入時(shí),端口2為直通端口,端口3為耦合端口,端口4為隔離端口。Kropienstein過渡是曲線結(jié)構(gòu),考慮實(shí)際工程應(yīng)用,采用幾段折線來(lái)對(duì)Kropienstein過渡結(jié)構(gòu)進(jìn)行近似,整個(gè)耦合區(qū)域?yàn)?段折線組成的對(duì)稱結(jié)構(gòu),槽的邊緣變化趨勢(shì)和微帶線寬度變化趨勢(shì)一致。由前面的理論分析可知,L的取值為λe/4,微帶線寬度w1,w2,w3,w4和槽寬度wS1,wS2,wS3,wS4的初值選取應(yīng)保證圖2所示結(jié)構(gòu)耦合區(qū)域面積與矩形寬邊耦合微帶定向耦合器耦合區(qū)域面積相等。本文引入了三維電磁場(chǎng)仿真軟件對(duì)電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),為了簡(jiǎn)化整個(gè)仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程,本設(shè)計(jì)不改變每一段漸變微帶線的長(zhǎng)度,只改變微帶線寬度w1,w2,w3,w4和對(duì)應(yīng)的槽寬度wS1,wS2,wS3,wS4。通過依次改變微帶線和槽的寬度,我們發(fā)現(xiàn)在整個(gè)頻帶內(nèi),微帶線和槽的寬度主要影響耦合器高頻段的耦合強(qiáng)度和輸入端口反射系數(shù),且w1和wS1影響最大。通過優(yōu)化設(shè)計(jì),我們最終確定w1=3.5mm,w2=2.5mm,w3=2mm,w4=1mm,wS1=6.1mm,wS2=4mm,wS3=2.9mm,wS4=1.7mm。3耦合器模擬仿真本設(shè)計(jì)采用Rogers4003c作為耦合器的介質(zhì)基板,其介質(zhì)材料介電常數(shù)為3.38,損耗角正切為0.0023,厚為0.508mm,金屬層厚0.05mm。圖3、4為耦合器仿真結(jié)果。由圖3可看出,本超寬帶耦合器在2~6GHz的頻帶范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了3dB耦合,插入損耗小于0.9dB,輸入端口回波損耗大于20dB,端口隔離度大于21dB。圖4為耦合器直通端和耦合端相位特性,在整個(gè)工作頻帶內(nèi)相位差為90°±1°。4微帶線寬邊耦合本文設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)新穎的3dB超寬帶微帶定