空气带状线交叉耦合腔体3 dB电桥设计

李安庆， 孙玉发

（安徽大学 电子信息工程学院，安徽 合肥 230039）

在现代通信系统中，无源器件以其环保无污染、低功耗和可靠性高而被广泛使用。3 dB电桥是无源器件中十分常用的器件，例如，在基站、直放站、室内覆盖中的信号合路、分路及功率合成中都已用到，并且随着通信系统的升级，通信传输的信号模式也越来越多，对无源器件的带宽也提出了更高的要求——除在宽频带内满足常规指标要求外，还需要满足低插损、高方向性、高稳定性、低互调、大功率以及安装方便等要求［1－2］。针对以上问题，本文提出一种新型腔体结构，从而改变了传统电桥的输入端与输出端不在同一侧面的结构限制，工程安装更加方便。同时这种结构能够减小电桥的不连续性，可以很好地满足设计指标的要求，具有易生产、易调试等优点。

1 3 d B电桥基础理论

3 d B电桥也叫同频合路器，在电路中具有功率分配及改变信号相位的作用。如图1所示，当导线1—2中有交变电流流过时，由于3—4线和1—2线互相靠近，故3—4线中便耦合有能量，此能量既可通过电场（以耦合电容表示）又可通过磁场（以耦合电感表示）耦合过来。因此，由图1可知，若能量由1口输入，则耦合口是3口和2口，而在4口因为电耦合电流和磁耦合电流的作用相反而能量互相抵消，故1和4是相互隔离的，同理2和3也是相互隔离的。

图1 耦合线电桥

由端口分析可知：

其中，C、IL分别表示耦合度和理论插损。

则理论插损IL也可表示为：

利用3 d B理论耦合度可得理论插损IL＝－3 d B，且两输出端输出功率相等。

2 电气设计指标及初值计算

2.1 3 d B电桥设计指标

本文3 dB电桥腔内的主线导带和副线导带之间有高度差，且交叉耦合，这种结构能够减小电桥的不连续性，提高电桥设计指标。所设计的3 dB电桥的指标参数见表1所列。

表1 设计指标

2.2 长度计算

耦合线长度L的计算公式为：

其中，λ为波长；εr为有效介电常数。

为了实现宽带耦合，在设计上采用的是多节耦合理论，此理论与1／4波长阶梯阻抗滤波器等效。根据中心频率1 650 MHz，则波长为0.181 82 m，把介电常数εr＝1代入（5）式，计算得到每节耦合线长度约为45.45 mm。

2.3 耦合线宽度计算

由上下边带可以得到带宽比B≈3.125，相对带宽Δ＝（f2－f1）／f0＝1.03，f＝2 500 MHz为下边带，f1＝800 MHz为上边带，f0＝1 650 MHz为中心频率。

根据B和Δ的值，查切比雪夫定向耦合器的归一耦模阻抗值表可知，应该采用2节不对称耦合设计，相应的紧耦合段偶模Z1e＝164.75Ω，松耦合段偶模Z2e＝71.175Ω。为了使电桥更匹配，并实现理论上的完全隔离，由Z0o＝Z02／Z0e［3－9］（Z0为特性阻抗，Z0e为偶模特性阻抗，Z0o为奇模特性阻抗）得Z1o＝15.174 5，Z2o＝35.124 7Ω，其中Z1o和Z2o表示2节非对称耦合段奇模特性阻抗。

根据产品外形，选定导电条厚度t＝1 mm，上下耦合缝隙s＝0.5 mm，紧耦合区腔体深度B1＝12 mm，松耦合区腔体深度B2＝6 mm。因2节线段的阻抗差异较大（约2倍），为减小连接处的不连续性，固定尺寸时将紧耦合处的腔深定为松耦合处的2倍，这样可使2段线的宽度接近。通过查表可以确定每一节宽度尺寸，也可以借助一些软件进行计算，如利用Serenade软件中的带状线计算模型，得出w1＝4.15 mm，w2＝4.3 mm。

2.4 建模仿真及优化

综上所述，由3 dB电桥设计方案及相关计算数据在软件中建模、仿真优化。本文利用HFSS建立的三维模型如图2所示，并对其S参数进行仿真和优化。

图2 仿真模型

仿真结果如图3所示，由图3可知，该结构很好地实现了耦合度3 d B电桥，驻波比小于1.12，隔离度大于25 dB，仿真实现了工程设计指标。

图3 仿真结果

3 电桥安装及测试

应用本文所提出的方法，按照最佳仿真结果制作加工的实物如图4所示。

图4 3 dB电桥实物图

其结构尺寸为142 mm×21 mm×22 mm。连接器互调指标要求大于160 dBc，连接器与腔体采用紧配合的方式连接，保持部件内部干净无污垢，控制焊接质量，用刀片清理干净盖板与腔体接触面的塑粉，保证良好的接触，并且导电条可以用聚四氟乙烯进行固定。

应用Agilent5230A矢量网络分析仪对3 dB电桥的插入损耗和隔离度分别进行了测试，测试结果如图5、图6所示，可见测试结果与仿真结果基本一致，满足了3 dB电桥的设计指标要求。

图5 损耗测试图

图6 隔离度测试图

此外，应用南京汉瑞公司HR08300A功放测试3 dB电桥的功率容量，结果符合设计要求。应用澳华三阶互调仪对3 d B电桥的三阶互调进行了测试，如图7所示，测试结果符合设计要求。

图7 三阶互调测试图

4 结束语

综上所述，本文设计的空气带状线交叉耦合腔体3 dB电桥可以实现器件的输入端与输出端在同一侧面上，是对传统电桥的改进，实际测试结果表明本文设计的同边进出空气带状线交叉耦合腔体3 dB电桥与传统的电桥相比在多个性能上有所提高，满足了工程的实际需求。随着多路系统合路平台的发展，该电桥将有广阔的市场应用前景。

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