2进1出3 dB宽带定向耦合器的设计

汪海英, 江海金

(1.罗伯电子公司 无源研发部，江苏 苏州 2153452；2.江苏哈维尔喜万年照明有限公司 制造部，江苏 盐城 224799)



2进1出3 dB宽带定向耦合器的设计

汪海英1, 江海金2

(1.罗伯电子公司 无源研发部，江苏 苏州 2153452；2.江苏哈维尔喜万年照明有限公司 制造部，江苏 盐城 224799)

基于平行耦合线的理论，研究了2进1出3 dB宽带定向耦合器的设计原理及方法。根据理论计算及电路仿真，采用三节耦合线，结合耦合带状线上下空间结构，进行三维建模仿真，优化低互调大功率负载。通过实物加工和调试，获得了工作带宽内驻波比<1.15、耦合度<3.4 dB、隔离度>30 dB、三阶互调<-160 dBc的结果，能较好地满足实际工程需要。

定向耦合器；耦合带状线；三阶互调;3 dB

3 定向耦合器是通信系统中常用的无源器件，在实现各种功能的微波组件以及整机系统中，都能看到定向耦合器发挥作用[1-4]。它可将一路射频信号分配成幅度相等、相位差90°的两路信号；也可将两路幅度相等、相位差90°的射频信号合为一路，因此3 定向耦合器具有功率合成和功率分配的功能[5-7]。

随着定向耦合器的广泛应用，对其带宽、隔离度和互调提出了更高的要求。为了在较宽的频段内使得耦合系数变化小和隔离度高，耦合器需要采用多节耦合带状线[8]。本文研究了一种由3节耦合带状线组成的2进1出3 定向耦合器，它将两个射频信号合成后馈入天线分布系统，其中一个输出口接大功率低互调负载。根据平行耦合线的理论，采用上下空间的带状线结构，研制高隔离度和低互调的耦合器为移动通信技术的发展具有重大意义。

1 3 dB宽带定向耦合器仿真及设计

定向耦合器是一种具有方向性的功率耦合元件，它是一种四端口元件，通常由称为直通线和耦合线的两段传输线组合而成。单节耦合器的内导体由两个等宽的平行耦合板构成，耦合板长度为中心频率波长的1/4，其原理如图1所示[6,9]。当信号由端口1输入时，一部分信号从端口3输出，一部分信号从端口2耦合而出，端口4为隔离端口。

图1 单节耦合传输线定向耦合器

根据耦合线理论，存在于线中的波可分解为奇次型波和偶次型波。奇次型波依靠耦合带传输，其特性阻抗设为奇模阻抗Zoo；偶次型波依靠耦合带和屏蔽体传输，其特性阻抗设为偶模阻抗Zoe。采用奇偶模分析法来推导定向耦合器的主要参数，定向耦合器输入传输线特性阻抗Z0与耦合线的偶模阻抗Zoe、奇模阻抗Zoo和耦合系数K满足以下关系[9-12]

(1)

(2)

(3)

根据耦合度定义可以推导出耦合度c和耦合系数K之间的关系为[9-12]

K=10-C/20

(4)

由上述公式可知，耦合度越强，偶模阻抗Zoe越大，奇模阻抗Zoo越小；耦合度越弱，Zoe越小，Zoo越大。当耦合度C=3 dB，计算得出耦合系数K=0.707 9。这里Z0=50 Ω，可以计算出单节平行耦合线耦合器的偶模阻抗Zoe=120.902 5 Ω,奇模Zoo=20.677 8 Ω。

由于设计的3 耦合器频率范围是698～2 700 ，故其上下带宽比B和相对带宽W可由式(5)和式(6)求出

(5)

(6)

式中，f1和f2为耦合器上、下限频率；f0为耦合器的中心频率。

为使设计出来的耦合器在要求带宽内有足够的平坦的耦合度和良好的隔离特性，根据B和W的值，查切比雪夫耦合传输线定向耦合器的归一化偶模阻抗数值表可知[7,12-13]，采用三节耦合线来满足带宽内耦合度较平坦和隔离足够高的要求。假设两边对称耦合段阻抗为Z1和Z3，中心耦合段阻抗为Z2，设计的耦合器为50 Ω匹配阻抗,通过查表可得归一化偶模阻抗Z1=Z3=1.207 66，Z2=3.412 42，实际阻抗值可以通过式(7)计算

Zio=Zi×50

(7)

式中，Zio为实际的阻抗值；Zi为归一化的阻抗值。

通过式(3)和式(7)，可计算出Z1oe=Z3oe=1.207 66×50=60.388 Ω；Z1oo=Z3oo=41.399 Ω；Z2oe=3.412 42×50=170.621 Ω；Z2oo=14.652 3 Ω。

将计算好的奇偶模阻抗作为电路仿真的初始值，通过优化设计使电路仿真达到一个良好的仿真曲线，其插入损耗S31和耦合度S21在3±0.3 dB以内，回波损耗S11和隔离度S41均>45 。

图2 插入损耗和耦合度仿真图

图3 回波损耗和隔离度仿真图

定向耦合器采用上下空间的带状线结构，这样的上下耦合结构由于在纵向空间上有重合，通过控制上下两层耦合传输线的间距，易于实现3 dB的强耦合[7]。每节的耦合传输线奇偶模阻抗值分别利用三维电磁仿真软件进行建模仿真计算，得出优化后的每节物理尺寸，然后将3节耦合带状线进行级联，整体优化3 dB定向耦合器。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[14-15]。通过优化仿真，补偿每节不连续性所带来的寄生参数影响，同时补偿奇偶模之间相位速度的差异，提高定向耦合器的隔离度。仿真计算得到的电性能结果如图2和图3所示。从仿真结果可得，在工作频带内耦合器的耦合度S21和插入损耗S31可以保持在3±0.3 dB，回波损耗S11和隔离度S41优于33 dB，满足设计的要求。

2 低互调大功率负载设计

传统设计的负载是耦合器直接连接吸收电阻，这种设计因为电阻的互调比较高，导致整个产品互调值都比较高，无法满足低互调系统的使用，所以利用同轴电缆的损耗衰减信号来满足三阶互调-160 dBc的要求。低互调大功率负载由绕线同轴电缆、吸收电阻、绕线柱和散热片组成。根据定向耦合器的功率要求，选择Habia cable 402同轴电缆，其在3 000 MHz能承受236 W功率。由于吸收电阻的三阶互调约为-120 dBc，参考实验结果，需要28 m长的同轴电缆来改善互调，将同轴电缆缠绕在绕线柱上，电缆线一端连接在定向耦合器的一个端口上，另一端连接吸收电阻。通过热仿真建模，优化散热片结构，在控制负载体积的前提下，使得负载具有较大的接收功率，同时也有良好的互调性能。

根据上述仿真优化后得到的尺寸进行加工生产，注意压紧带状线耦合片，以便耦合间距得以保证。对实物进行调试，测试其电性能，结果如图4～图7所示。实测结果在698～2 700 MHz频带内：端口回波损耗>25 dB，插入损耗和耦合度在3±0.4 dB范围内，端口隔离>30 dB；三阶互调优于160 dBc，每个端口能承受平均功率100 W。

图4 回波损耗曲线图

图5 隔离度曲线图

图6 插入损耗曲线图

图7 耦合度曲线图

3 结束语

利用耦合线理论和技术，成功研制出带宽为698～2 700 MHz，耦合度为3 dB的2进1出定向耦合器，满足工程应用的需求，其高隔离度和低互调对移动通信整机系统性能的提高发挥着重要的作用。

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Design of a Wideband 2in 1out 3 dB Coupler

WANG Haiying1, JIANG Haijin2

(1. Passive R & D Department,RAP Electric Co.,Ltd.,Suzhou 215345,China; 2. Manufacturing Division,Jiangsu havells Sylvania lighting Co.,Ltd.,Yancheng 224799,China)

Based on coupled line theory, a 2in 1out 3 dB Coupler is designed by three section coupled lines. According to theoretical calculation and circuit simulation, the coupler is modeled and simulated with up and down the space structure of coupled striplines. Then low intermodulation high power load is optimized. Finally the coupler is processed by simulation sizes. The experimental results show that the coupler has the coupling performance of less than 3.4 dB、a VSWR of below 1.15、isolation of above 30 dB and the third-order intermodulation of below -160 dBc within the frequency range of 698～2 700 MHz, which satisfied the requirement of practical engineering application.

directional coupler;coupling striplines;third-order intermodulation;3 dB

2016- 10- 24

汪海英(1979-)，女，硕士研究生。研究方向：微波无源器件。江海金(1981-)，男，本科。研究方向：光源器件。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.08.036

TN622

A

1007-7820(2017)08-131-03