2～12 GHz超宽带带状线定向耦合器的设计

徐　洋,彭　龙,左　艳,张　帅

(1.成都信息工程大学 光电技术学院,四川 成都　610225;2.南京邮电大学 光电工程学院,江苏 南京　210003)



2～12 GHz超宽带带状线定向耦合器的设计

徐洋1,彭龙1,左艳2,张帅1

(1.成都信息工程大学 光电技术学院,四川 成都610225;2.南京邮电大学 光电工程学院,江苏 南京210003)

摘要根据带状线理论,设计了一种新型的带状线定向耦合器。通过将耦合带状线分段处理,根据每段带状线的耦合度,合理地设计每段耦合带状线的物理参数,拓宽了耦合器的工作频带。同时通过优化仿真,以补偿耦合器奇模与偶模之间相速度的差异,并抵消不连续性所带来的寄生参数的影响,从而提高定向耦合器的方向性。在设计过程中,借助Ansoft Designer软件进行初步优化仿真,最终电路版图以AutoCad格式导入到HFSS中进行进一步验证。

关键词带状线;耦合器;超宽带

定向耦合器作为一种重要的微波元件在微波电路与微波集成电路中有着广泛的应用[1]。尤其是超宽带定向耦合器已广泛应用于电子干扰及测量系统中。其中,带状线定向耦合器除了具有结构紧凑、小型轻便、便于制造等优点外,还具有频带宽的特点[2-6]。若应用恰当的设计原则,选择准确的设计电路,频宽易达到倍频程[7]。

在传统的带状线定向耦合器设计过程中,奇偶模之间不同的相位速度导致了较低的隔离度[8]。本文通过优化仿真,以补偿奇偶模之间相位速度的差异,并抵消不连续性所带来的寄生参数的影响。从而提高了定向耦合器的方向性。在设计过程中,借助Ansoft Designer、Serenade、AutoCad、HFSS等软件进行协同仿真,设计仿真了工作频带在2～12 GHz的带状线超宽带定向耦合器。

1多节级联耦合器的设计

耦合器的设计指标:工作频率为2～12 GHz;输入输出驻波VSWR<1.5;耦合度为20±1 dB;隔离度>18 dB;方向性>10 dB。

由于使用单节定向耦合器无法在一个相对较宽的频带内获得近乎常量的耦合度,因此将单个多节耦合线连接起来构成多节定向耦合器,每节耦合线的长度为中心频率的1/4波长。通过恰当选择各节耦合线的奇偶模阻抗,便可增加耦合器的带宽。一个多节耦合器可是对称的也可以是非对称的。一个对称耦合器的耦合线节数应该是奇数,而一个非对称耦合器的节数可以是奇数也可以是偶数。

本文设计的耦合器由于工作在2～12 GHz,所以选用4节连续渐变型非对称的结构设计方法,从而可获得更大的带宽,其带宽越宽,求解也就越困难[9]。所以,首先在Ansoft Designer软件中建立耦合器的电路模型,如图1所示。进行优化仿真,得到每段耦合线的耦合度,根据每段耦合线的耦合度然后使用Serenade软件中的Tools工具,可得到对应的物理参数,具体参数如表1所示,其中,ε为相对介电常数;b为介质板厚度;中心频率为7 GHz。

图1　耦合器电路模型

第一节第二节第三节第四节耦合度C/dB37.0227.6221.0216.01线宽W/mm0.80.790.780.75线间距S/mm1.060.640.380.21线长L/mm7.227.227.227.22板材参数Arlon880,ε=2.2,B=1.016mm,Cu厚0.02mm

2仿真设计与分析

由上述设计方法得到超宽带带状线耦合器仿真模型,如图2所示,仿真结果如图3～图5所示。

图2　耦合器仿真模型

图3　耦合器耦合度仿真

图4　耦合器输入输出驻波比仿真

图5　耦合器隔离度仿真

图3为耦合器耦合度的仿真结果,可看到耦合器的耦合度在整个频带内>1 dB,比理论推导值略大。主要原因有:(1)推导过程中存在一定的近似;(2)考虑到实际加工能力,耦合器的物理尺寸只精确到小数点后1位,存在一定的截断误差。图4为耦合器输入输出驻波的仿真结果,在2～12 GHz整个设计频带内满足设计要求。图5为耦合器隔离度的仿真结果,在12 GHz频段附近隔离度约为30 dB,由于隔离度为耦合度与定向性之和。结合图3和图5可看出,此耦合器的方向性在10 dB附近,处于临界值。为达到设计指标,对图2耦合器仿真模型进行优化仿真,将传输线的耦合边缘进行锯齿化处理,以补偿奇偶模相速度的不同。由于将耦合区的直线边界改变成折线边界,使耦合区长度增长,两根线间的分布电容增大,从而使奇模电容增大。偶模电容以及电感则改变较小,可认为不变,由此便可使偶模和奇模相速相等,得到较好的方向性。仿真模型如图6所示,最终优化结果如图7～图9所示。

图6　耦合器优化仿真模型

图7　耦合器耦合度优化仿真

图8　耦合器输入输出驻波优化仿真

图9　耦合器隔离度优化仿真

从图7和图8中可看出,经过优化仿真后,耦合器的耦合度指标变得更好,输入输出驻波变差,但满足设计要求。对比图5与图9可清晰的看出,在整个设计频带内隔离度>35 dB。由以上分析可知,将耦合区的直线边界改变成折线边界,使偶模和奇模相速相等,定向性明显改善,指标满足设计要求。

3结束语

本文采用Ansoft Designer软件进行定向耦合器电路模型的仿真,据此理论仿真值在Serenade软件中计算出设计参数值,然后在AutoCad软件中画出每一段耦合器的尺寸值,最终导入HFSS软件中进行局部与整体仿真,利用多软件协同仿真并结合多节λ/4阻抗变换器的方式设计了工作频带为2～12 GHz的超宽带带状线耦合器,仿真指标满足设计要求。

参考文献

[1]金玲.一种非对称新型微带耦合器的研究[J].微波学报,1997,13(2):167-172,179.

[2]Liao Shrysann,Peng Jentee.Compact planar microstrip branch-line couplers using the quasi-lumped elements approach with nonsymmetrical and symmetrical T-shaped structure[J].IEEE Transactions on Microwave Theory Technolog,2006,54(19):3508-3513.

[3]曹乃胜.用于高功率微波测量的孔耦合定向耦合器研究与设计[M].成都:电子科技大学,2008.

[4]王文祥.微波工程技术[M].2版.北京:国防工业出版社,2014.

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[6]汤世贤.微波测量[M].北京:国防工业出版社,1991.

[7]顾其诤,项家桢,袁孝康.微波集成电路设计[M].北京:人民邮电出版社,1978.

[8]清华大学微带电路编写组.微带电路[M].北京:人民邮电出版社,1976.

[9]张爽,王家礼.超宽带定向耦合器的设计[J].无线电工程,2003,33(12):46-48.

Design of a 2～12 GHz Ultra-Wideband Stripline Coupler

XU Yang1,PENG Long1,ZUO Yan2,ZHANG Shuai1

(1.College of Optoelectronic Technology,Chengdu University of Information Engineering,Chengdu 610225,China;2.College of Optoelectronic Engineering,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210003,China)

AbstractA new stripline directional coupler is designed by putting a coupled stripline segmentation processing with physical parameters for each section of the stripline reasonably designed to broaden the working band of coupler.Simulation optimization is performed to compensate for the coupler phase velocity difference between odd and even dies and to offset the influence of the parasitic parameters of the discontinuity for better directivity of the directional coupler.The software Ansoft Designer is employed for initial simulation optimization,and the resulting circuit layout is input in AutoCad format into the HFSS for further verification.

Keywordsstripline;coupler;ultra-wideband

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.05.005

收稿日期:2015-08-31

基金项目:江苏省普通高校研究生科研创新计划基金资助项目(SJLX-0363)

作者简介:徐洋(1990—),男,硕士研究生。研究方向:光电子器件。

中图分类号TN626

文献标识码A

文章编号1007-7820(2016)05-016-03