宽带带状线定向耦合器的设计分析

胡南

【摘 要】定向耦合器是微波系统中常用的一种微波器件。按照一定的比例对微波信号进行分配，是这一设备在实际应用过程中所发挥的主要作用。本文主要从宽带带状定向耦合器的设计流程入手，对耦合器的设计问题进行了分析。

【关键词】宽带带状定向耦合器；无线电电子学；电磁仿真

0 前言

定向耦合器是应用于微波网络分析仪、信号发生器中的功率装置和自动增益控制系统中的重要设备。它具有着结构紧凑、小型轻便和便于制造的优点。同轴线、矩形波导、圆波导、带状线和微带线是定向耦合器的主要组成部分。宽带带状定向耦合器设计工作的开展，可以为宽带功分器、毫米阻抗变换等方面的研究工作的开展提供一定的技术支持。

1 宽带带状定向耦合器的设计流程

1.1 定向耦合器的设计指标

平行宽边带状耦合线结构是宽带带状线定向耦合器中的常用结构。在这种结构下，导体与介质之间有着较强的介质耦合效应。这一结构的应用，可以让人们研制一些耦合度更强的耦合器设备。从耦合器的实际应用环境来看，这一设备的工作频段在2-6GHz之间；反射系数在-20dB以内，耦合度为3dB；隔离度在-20dB以内；驻波比在1.2以内[1]。

1.2 定向耦合器的设计思路

从耦合器设计指标所反映的信息来看，耦合度为3dB的带状线耦合器可以被看作是具有强耦合度的耦合器。从耦合器的实际设计过程来看，多节1/4波长带状线并不能满足耦合器的设计要求。根据无线电电子学领域的一些学者所获得的研究结果，利用两个单节级联带状线耦合器研制的宽带带状定向耦合器在8-12GHz取得了较为理想的结果。在笔者看来，在宽带带状定向耦合器的建构过程中，人们可以利用两个完全相同的9.34dB带状耦合器级联满足宽带带状线定向耦合器的设计要求。

常见的定向耦合器中包含有4个接口。假设4个接口分别为P1、P2、P3和P4.则在P1接口为输入信号端口的情况下，端口P2可以发挥出直通端口的作用；端口P3和端口P4可以发挥出耦合端口和隔离端口的作用。在实际应用过程中，平行耦合线的长度仅仅为中心频率对应波长的1/4。在此基础上，一些学者研制出了3/4波长耦合线宽边耦合器。衬底型五级平衡耦合带状线研究工作的开展，可以为6dB超宽带耦合器研究工作的开展提供一定的帮助。

根据定向耦合器带内中心频率计算公式、带宽公式和相对带宽公式，带状线定向耦合器两节底板之间的间距（假设间距值为B）和两个导体的水平偏移（假定水平偏移值为W）为绝对带宽，在定向耦合器的带宽B值为3，相对带宽值W为1.043。为了满足宽带带状定向耦合器的设计要求，相关人员还需要对定向耦合器的小型化问题进行关注，并要对理想情况下的纹波和介电常数值进行确定。

ADS中的传输线计算工具是计算线宽和上下导体间距的重要因素。在宽带带状线定向耦合器的设计过程中，上下导体之间的间距值可以被设置为0.254mm。导体与地面之间的介质厚度可以被设置为0.762mm。两个接地板之间的距离可以被设置为1.778mm。

2 定向耦合器的主要技术指标

一般而言，定向耦合器的技术指标包含了耦合度、隔离度、插损和电压驻波比等多种因素。假设耦合器四个端口的输入功率定义为P1、P2、P3和P4，则耦合度可以被看作是输入端与耦合端的功率的比值。二者之间的比值为负数，分贝数越小时，耦合性越强。

根据无线电电子学的相关知识，在定向耦合器的理想工作状态下，设备的隔离端没有功率输出问题。但是在来自设计、加工方面的因素的影响下，耦合器的隔离端经常会出现功率输出问题。因而定向耦合器的方向性就成为了耦合端与隔离端的功率比的反映。定向耦合器的隔离度为输入端与隔离端之间的功率之比。插损可以被看作是输入端与直通端之间的功率的比值。耦合器在一定条件下满足一定技术指标要求的工作频率范围是耦合器的带宽。它主要包含了以下几方面内容：一是，耦合器的绝对带宽；二是，耦合器的相对带宽；三是，耦合器的倍频程和带宽比。

3 定向耦合器的仿真分析

3.1 定向耦合器的仿真设计

在无线电电子学领域，耦合器模型的建构过程需要应用两个完全相同的耦合器级联。为全面满足宽带带状线定向耦合器的设计需求，设计人员在耦合器设计过程中，需要在每个耦合器中使用交错耦合结构。并要让每一层导体呈现出中心对称结构。在全三维电磁仿真软件HFSS应用于宽带带状线定向耦合器设计以后，导体材料需要采用厚度为零的材料，在导体自身材质的影响下，信号在导体中的实际传递过程可以表现出降低实际传输损耗的作用。由于系统中采用的耦合器级联模式为3dB强耦合器級联模式，因而从耦合器建模的实际过程来看，设计人员可以通过利用一个8.34dB耦合器开展镜像处理的方式，实现耦合器系统的级联[2]。

定向耦合器的仿真设计离不开多节耦合方式的作用。为了让定向耦合器更好地达到实验设备的指标要求，设计人员还需要对多个不同变量进行优化。针对耦合器中相邻两节导体之间所表现出来的不连续性，设计人员可以在不同区域添加导体直接，以便对带状线导体不连续性所引起的损耗问题进行控制。

3.2 定向耦合器的仿真结果分析

HFSS建模窗口中的分析求解栏是设置扫描类型，求解频率和步长等内容的重要工具。从仿真结果来看，交错性耦合结构宽带带状定向耦合器中的应用，可以让通带内的损耗得到有效降低，这种设计形式也可以发挥出提升系统隔离度的作用。在这一设计模式下，耦合器直通端口的电磁能量与耦合端口的电磁能量值基本相等，因而耦合器在具体应用环节可以有效发挥出平分功率的作用。

除了电磁能量问题以外，仿真结果的影响因素也包含了以下几方面内容：一是，介质厚度的变化；二是，枝节长度的变化；三是，枝节所在的位置等参量的变化情况。从前文的论述来看，中间介质的厚度是定向耦合器的耦合度的主要影响因素。中间介质厚度较薄的问题也会让设备的隔离度有所下降。从上下两层介质与定向耦合器耦合性与隔离度之间的关系来看，上下两层介质愈薄，耦合器的耦合效果愈松，系统的隔离度也会有所强化。在带宽相同的情况下，系统频率与端口的驻波比之间存在着一种负相关关系，靠近端口处的带状线枝节可以发挥出改善反射系数的作用。为保障宽带带状线定向耦合器的实效性，相关人员在对各种指标进行优化考虑的基础上，需要借助优化相关参数的方式确定各个枝节的尺寸和具体位置。

4 结论

平行宽边带状耦合线结构是宽带带状线定向耦合器中的常用结构。衬底型五级平衡耦合带状线研究工作的开展，可以为6dB超宽带耦合器研究工作的开展提供一定的帮助。定向耦合器的仿真设计离不开多节耦合方式的作用。为了让定向耦合器更好地达到实验的设备及指标，设计人员还需要对多个不同变量进行优化。针对耦合器中相邻两节导体之间所表现出来的不连续性，设计人员可以在不同区域添加导体直接，以便对带状线导体不连续性所引起的损耗问题进行控制。中间介质的厚度是定向耦合器的耦合度的主要影响因素。中间介质厚度较薄的问题也会让设备的隔离度有所下降。为保障宽带带状线定向耦合器的实效性，相关人员需要借助优化相关参数的方式确定各个枝节的尺寸和具体位置。

【参考文献】

[1]蔡德龙，刘成安，蔡钟斌，吕涛.宽带带状线定向耦合器的设计[J].微型机与应用，2016，35（18）：66-68.

[2]徐洋，彭龙，左艳，张帅.2～12GHz超宽带带状线定向耦合器的设计[J].电子科技，2016，29（05）：16-18.endprint