一种用于X波段T/R组件的小型化高平坦度耦合器设计

刘建勇+陈兴国++王光池

摘 要： 为满足X波段T/R组件定标和校正的需求，组件内部需集成小型化、高性能的耦合器。微带到带状线多阶小孔耦合器在弱耦合情况下具有宽带平坦的耦合特性、体积小、易于与射频有源电路集成，非常方便在T/R组件的LTCC多层基板上实现。在设计过程中，首先根据多阶小孔耦合的基本理论和公式确定小孔的数量和分布特征，再依据实际布局的限制在电磁场仿真软件HFSS中建立参数化模型，最后通过HFSS的调谐优化确定最优的物理参数。仿真表明，该耦合器尺寸小于[λ04，]带内平坦度优于±0.1 dB。该耦合器完全达到设计要求，可广泛应用于X波段小型化宽带T/R组件中。

关键词： X波段； 小型化耦合器； 小孔耦合； 高平坦度

中图分类号： TN958.92?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）15?0063?03

Design of miniaturization high flatness coupler applied to X?wave?band T/R assembly

LIU Jianyong， CHEN Xingguo， WANG Guangchi

（No. 38 Research Institute of China Electronic Technology Corporation， Hefei 230088， China）

Abstract： To satisfy the requirements of calibration and correction for X?wave?band T/R assembly， in which small?size and high performance coupler should be integrated. In weak coupling condition， the microstrip?to?stripline multi?order hole?coupler has the advantages of flat coupling characteristic， small size and easy to integrate with radio frequency active circuits. This coupler is convenient to realize on LTCC multi?layer basic?plate of T/R assembly. In design process， firstly the number of the holes and their distribution features are determined according to the hole?coupling basic theory and formula. Then in combination with the restriction of actual layout， the parameterized model is established in the electromagnetic field simulation software HFSS. Finally the optimal physical parameter can be acquired by tuning and optimization in HFSS. The simulation results indicate that the coupler′ dimension is less than [λ04， ]and the flatness in band is better than ±0.1 dB. This coupler has reached the design requirements， and can be widely used in X?wave?band miniaturization T/R assembly.

Keywords： X?wave?band； miniaturization coupler； hole?coupling； high flatness

0 引 言

随着相控阵技术在舰载、机载以及星载等平台雷达载荷中的广泛应用，作为相控阵雷达中装机数量最大的核心部件——T/R组件的体积、重量、可靠性等指标越来越受到关注[1]。相控阵天线设计时为避免栅瓣的产生，天线单元间距严格限制在[λ2]以内，这也就限制了T/R组件中心距的大小以保证有源阵面与天线阵面的共口径设计。当雷达工作频段逐渐升高尤其是达到X波段及以上时，对T/R组件结构尺寸的要求越来越苛刻。

为了在线监测T/R组件发射信号强度和接收通道增益的变化及多通道间的不一致性，并完成对回波信号的相对标定工作，必须在T/R组件中增加小型化高性能的耦合器。

为提高组件集成度，设计的X波段T/R组件采用四通道集成形式，原理框图如图1所示。每个通道在环行器与组件天线接口之间加入耦合器，四个通道耦合信号经功分/合成网络后馈入定标/校正通道。

常规的耦合器采用平行耦合微带线的方式来实现[2]，但占用表面器件安装的空间，且不利于与带状线功分/合成器的集成设计。本文则介绍了一种采用微带到带状线多阶小孔耦合的形式实现高性能耦合器的方法。

1 耦合器设计

1.1 多阶小孔耦合原理

自Bethe提出小孔耦合的基本理论后[3]，各国学者都对小孔耦合理论进行了深入研究，在波导耦合等场合中得到了广泛应用。而本文采用在微带与带状线共用的平面上开小圆孔进行耦合的方式，其原理是电磁波利用小孔的衍射特点来实现能量耦合，这是一个复杂的边界条件问题，在数学上严格求解是十分困难的。在实际工程应用时，常采用近似的方法，即当小孔尺寸远小于电磁波波长时，可以把小孔等效为电偶极子和磁偶极子的组合，利用有源传输线方程求解模式电压从而得到耦合小孔的散射参量。

图1 X波段四通道T/R组件原理框图

为了拓展耦合器的带宽，往往采用多孔耦合的办法，并且孔径大小和间距按一定规律变化，以使耦合强度满足某种分布。设计的微带到带状线多阶小孔耦合的模型结构示意图如图2所示。

图2 微带到带状线多阶小孔耦合结构示意图

在弱耦合条件下，该耦合器的前向耦合[D]和后向耦合[C]可根据式（1）～式（4）计算[4?5]。式中参数的含义可参考图2，[w]为带状线的线宽，[wm]为微带线的线宽，[ε′r]为带状线介质的相对介电常数，[ε″r]为微带线介质的相对介电常数，而[ε″reff]则是微带线介质的有效相对介电常数，[Zc]为微带线的特征阻抗，[βgms]和[βgs]是微带线和带状线中的传播常数，[dki]是第[k]个小孔和第[i]个小孔之间的距离，[N]为小孔的数目，[αe]和[αm]分别是电极化率和磁化率。利用这些公式可以指导多阶小孔耦合器的设计。

[D（dB）=20lgZc120λh2bF（m）?i=1Nαeε′rε″reffε′r+ε″reff+αmε′rε″reff?e-j（dNiβgms+dkiβgs）]

[C（dB）=20lgZc120λh2bF（m）?i=1Nαeε′rε″reffε′r+ε″reff-αmε′rε″reff?e-j（βgms+βgs）dki]

[F（m）=8b2-b2b2-∞∞dxdy1-m2cosh2πx+jyb] （3）

[m=sechπw2b] （4）

1.2 耦合器设计

低温共烧陶瓷（LTCC）由于具有低损耗、高集成度以及良好的微波性能，是实现微波组件小型化、高密度组装的理想基板技术，在微波组件中得到广泛应用。本文所涉及到的X波段T/R组件也是采用LTCC作为微波基板，采用牌号为Ferro A6的LTCC材料，其相对介电常数为5.9，单层LTCC烧结后约为0.096 mm。设计的耦合器采用微带为两层LTCC，带状线为上下各三层LTCC，即图2中的[h]为0.192 mm，[b]为0.576 mm。

由于T/R组件从环行器输出口到组件天线接口之间的纵向间距不足2 mm，不能满足耦合器的长度要求，为充分利用横向空间，设计微带线走线形式为双“几”字形，为达到所需的带内平坦度要求，采用五孔耦合且关于中心对称，在HFSS建立的仿真模型如图3所示。该图给出的仿真模型中，带状线的特征阻抗是38 Ω而非常用的50 Ω，这是为了兼顾二阶带状线功分/合成网络可制造性的缘故。

图3 仿真模型图

2 仿真优化

耦合器工作频率范围为8.8～10.4 GHz，设计耦合度为20 dB。经过仿真优化，最终设计参数如下：[w=]0.33 mm，wm=0.29 mm，r1=0.253 mm，r2=0.382 mm，r3=0.276 mm，d1=0.785 mm，d2=0.808 mm，整个耦合器占用的面积仅为1.47 mm×4.10 mm。为了实现良好的驻波匹配，对微带线和带状线在耦合区域的线宽进行了局部补偿。

图4～图7给出了仿真的结果，可见在整个工作频段内四个端口驻波均优于1.05，插入损耗小于0.15 dB，耦合度为20 dB，在1.6 GHz带宽内带内平坦度小于±0.1 dB，定向性大于8.5 dB。该仿真结果符合设计目标，尤其是带内平坦度指标非常好，完全满足工程应用需要，非常适用于宽瞬时带宽信号的应用场合如高分辨SAR成像雷达中的T/R组件。实际制作时，可将隔离口的50 Ω负载采用LTCC内埋电阻方式集成到带状线同层上以节约空间[6]。

图4 各端口电压驻波比仿真结果

图5 直通端口插入损耗仿真结果

3 结 论

小孔耦合在弱耦合情况下，在宽频带范围内具有较平坦的耦合特性[7]、体积小、易于与平面电路集成等特点。本文介绍了一种采用微带到带状线多阶小孔耦合方式设计的耦合器，其采用LTCC基板技术。仿真表明该耦合器具有高平坦度、体积小等突出优点，非常适用于X波段小型化宽带T/R组件。

图6 耦合度仿真结果

图7 定向性仿真结果

参考文献

[1] 王光池，刘建勇，陈兴国.X波段微波垂直互连电路设计[J].硅谷，2014（6）：23?25.

[2] 韩磊，黄庆安，廖小平.X 波段微带线定向耦合器的设计与模拟[J].电子器件，2006（2）：397?400.

[3] BETHE H A. Theory of diffraction by small holes [J]. Physical Review， 1944， 66（3）： 163?182.

[4] RAMBABU K， KALGHATGI A T. Design equations for broad?band planar aperture coupler [J]. IEEE Microwave and Guided Waveletters， 1998， 8（9）： 308?309.

[5] RAMBABU K， BORNEMANN J. Analysis and design of profiled multiaperture stripline?to?microstrip couplers [J]. IEE Proceedings： Microwaves， Antennas and Propagation， 2003， 150（11）： 484?488.

[6] 符鹏.X波段T/R组件中的定向耦合器[J].电子工程师，2007，33（2）：21?24.

[7] 龚海刚，陈随斌.微带传输线间的小孔耦合分析[J].雷达科学与技术，1997（3）：9?15.