6～18 GHz带状线渐变结构3 dB耦合器的设计

薛 强 谢鸿全 夏祖学 蔡钟斌

(1.西南科技大学理学院 四川绵阳 621010；2.西南科技大学信息工程学院 四川绵阳 621010； 3.四川中久防务科技有限公司 四川绵阳 621010 )

定向耦合器广泛应用于幅度控制系统、平衡放大器、功率分配和合成器等许多微波器件和系统中，在这些微波器件及系统中，耦合器主要起信号监测、信号注入、功率分配、合成等作用[1-3]。特别随着这些器件及系统的宽频带化，对定向耦合器的工作带宽提出了更高的要求。根据不同结构，定向耦合器有微带线耦合器、带状线耦合器、同轴耦合器和波导耦合器等结构，同轴型定向耦合器一般用于大功率电路均衡，波导型定向耦合器一般用于频率高端，微带线和带状线结构定向耦合器和其他结构相比，具有体积小、重量轻、方便与固态电路集成等优点[4-6]。

目前，在1～18 GHz频段以内，常用到的耦合器结构一般是微带线和带状线结构。在传统的微带线和带状线结构中，为扩展定向耦合器的工作带宽，多节耦合线定向耦合器是一直被使用的结构，但多节定向耦合器存在的一个问题就是不同节数相衔接处的不连续所带来的寄生参数会恶化耦合器的性能，特别是在频率大于X波段时，仿真设计的定向耦合器会与理论计算的耦合器在高频处产生很大差别[7-9]。

目前虽然有相关文献对多节定向耦合器进行报道，但受限于高频寄生参数的影响，其工作频率更多是小于X波段，且耦合度为弱耦合度，相对于工作频率到18 GHz且耦合度为3 dB的强耦合度耦合器报道较少[10-15]，本文通过采用添加补偿枝节的渐变结构定向耦合器来改善这一问题，最终设计出一款性能优良的6～18 GHz带状线渐变结构3 dB定向耦合器，该3 dB耦合器具有带内插损小、隔离度高、尺寸小、易与其他器件相连接等特点，在项目中实际应用效果良好。

1 渐变结构定向耦合器的设计

图1所示为连续对称定向耦合器结构，此定向耦合器端口1,2和端口3,4关于纵向对称轴对称，端口1,4和端口2,3关于横向对称轴对称。由于对称性，对称定向耦合器的设计可以等效为阻抗变换器的设计，利用阻抗变换器的设计理论可以得到传输线的偶模阻抗，然后利用偶模阻抗与奇模阻抗的关系，可以得到偶模值相对应的奇模值，从而得到定向耦合器的整个阻抗参数值。

由渐变结构定向耦合器综合过程[9]可以看出只有当定向耦合器的长度是无限长时，所得到的耦合器耦合曲线为理想的等纹波形式，而当定向耦合器长度不为无限长时，由吉布斯现象理论可知，耦合曲线将在端点处出现吉布斯现象，为消除此吉布斯现象，可以加入合适的权重因子，从而使耦合器在一定带宽内实现等纹波形式。

图1 渐变线定向耦合器的电路结构Fig.1 The circuit structure of the gradient line directional coupler

为了求出这一权重因子，Tresselt，DuHamel和Armstrong利用多节定向耦合器设计表格中的数据得到权重因子[9]。这种设计方式依赖于设计表格，只能设计表格中存在的特定节数、特定耦合度的定向耦合器。

另一种获取权重因子的方法是基于金辉最小二乘法方法[11]。如图2所示的门函数，将其在[0,π]范围内级数展开后得到(1)式：

(1)

同样引入权重因子，构造新函数为

(2)

图2 函数值等于耦合曲线的门函数Fig.2 The gate function whose value is equal to the coupling curve

金辉最小二乘法的思想是：如果以式(2)为被优化的目标函数，将权重因子作为优化变量，通过迭代的方法得到合适的权重因子，以寻找一条曲线与式(2)的目标函数曲线相吻合，则可实现最小二乘法对权重因子的获得，此方法将权重因子获取问题转化为利用优化的方法获得目标函数最小值问题[11]。

1.1 带状线渐变3 dB耦合器参数设计

定向耦合器的设计指标：工作频率为6～18 GHz；耦合度为3 dB±1 dB，整个频段内最大插损<1 dB；各端口匹配度>15 dB，隔离度>15 dB，相位不平衡度<10°。

设计渐变结构定向耦合器的关键是获得合适的权重因子，以消除吉布斯现象。查找多节对称定向耦合器的设计表格可以知道，当3节耦合器在工作带宽比为3.182 17时，其耦合纹波小于0.2 dB，对应第一节和第二节的归一化欧模阻抗值为：Z1o=1.086 44，Z2o=1.748 64，所以取渐变线耦合器节数N=3。同时取耦合器耦合度C=-8.34 dB，板材介电常数εr=2.2，中心频率f0=12 GHz。利用金辉最小二乘法理论获得的权重因子为X1=0.923 1，X2=0.366 1,利用查表法反计算获得的权重因子为X1=0.976 4，X2=0.510 3，虽然两种方法获得的权重因子略有别，但都能满足设计要求，由于本文未对最小二乘理论取得的权重因子继续进行取最优值，所以本次设计采用第二种方法得到的权重因子作为后续计算的输入值。将传输线均匀等分为20小份，最终计算获得的传输线阻抗参数、线宽、偏移、CAD纵坐标见表1。

表1 6～18GHz渐变线耦合器设计参数Table 1 Design parameters of 6-18 GHz gradient line coupler

1.2 带状线渐变3 dB定向耦合器枝节补偿

权重因子修正后的定向耦合器，其仿真结果往往并不能取得预期的设计效果，特别是在频率高于X波段时，耦合纹波以及回波损耗与理论具有较大偏差，为此本文采用添加补偿枝节的方式，不断修改补偿枝节长度和数量进行频率高端修正，这种方式不受限于获得权重因子的两种方式，只需要初略的权重因子值即可。

第二节与第一节相邻衔接地方的不连续性对高频时耦合器性能影响更大，为此本文在8个中心枝节上各加入6支补偿枝节，总共加入48只补偿枝节，其中每节枝节的宽度为0.1 mm，每个枝节间隔距离为0.379 mm，以枝节长度为优化变量，利用全波仿真软件HFSS软件进行仿真优化，不同枝节长度下的S21和S41参数如图3所示，不同长度下的S11参数如图4所示。

图3 不同l1下S21, S41参数图Fig.3 Parameter map of S21, S41 in different l1

图4 不同l1下S11参数图Fig.4 Parameter map of S11 in different l1

从图3可以看出，随着补偿枝节的增加，耦合器S21,S41曲线在相互靠近，特别是在高频时耦合器的耦合纹波在逐渐减小，高频特性得到很大改善；从图4可以看出，随着补偿枝节的增加，耦合器S11曲线在频率小于15 GHz时得到改善，但当频率大于15 GHz时S11曲线反而在逐渐恶化，虽然恶化程度很小，因此在选取第1枝节长度时应同时兼顾S21,S41参数和S11参数，补偿枝节长度选取不能太短也不能选取太长。以此选取方法，最终确定1-4号枝节长度为0.7 mm,5-6号枝节长度为0.5 mm，其中以最中心处枝节编号为1，到最两边枝节编号逐渐递增，整个耦合器模型如图5所示。

图5 带状线渐变3 dB定向耦合器HFSS仿真图Fig.5 Simulation structure of the 3 dB stripline directional coupler

2 测试结果

最终带状线渐变结构3 dB定向耦合器实物如图6所示，仿真与实测的S参数比较如图7和图8所示。从图中可以看出设计的带状线渐变3 dB定向耦合器仿真最大插损小于0.3 dB，耦合器纹波小于0.8 dB，4个端口匹配度和隔离度大于20 dB，相位差小于2°，实测中耦合器为3层带状线结构，其中上层和下层为0.787 mm厚的Rogers5880介质板，中层为0.254 mm厚的Rogers5880介质板，3层板之间通过腔体进行直接压接，最终3 dB耦合器实物大小27 mm×23 mm×5 mm，利用矢量网络分析仪Agilent N5245A对加工的带状线渐变3 dB耦合器进行测试，对比仿真曲线，仿真与实测的S参数吻

图6 带状线渐变结构3 dB耦合器实物图Fig.6 Photography of the 3 dB stripline coupler

图7 耦合器仿真及实测直通和耦合度参数比较Fig.7 Comparison of simulated and measured S21, S41 parameters of the coupler

图8 耦合器仿真及实测端口匹配和隔离度参数比较Fig.8 Comparison of simulated and measured S11, S31 parameters of the coupler

合较好，实测数据和仿真数据耦合度曲线基本吻合，而直通曲线小0.4 dB，相应实测插损为0.7 dB，耦合器最大相位差为7°，端口匹配度大于15 dB，端口隔离度大于18 dB。实测插损比理论约大0.4 dB，这与SMA接头焊接处锡的多少以及导带表面粗糙度等因素有关。

本文工作与相关文献比较如表2所示，文献[2-3]和文献[12-13]为耦合度大于10 dB的弱耦合器，文献[10-11]和文献[14-15]以及本文都为工作频率相近，且耦合度为3 dB的强耦合器结构。其中文献[10]只进行了仿真设计并未进行加工测试，其仿真回波损耗和隔离度大于15 dB，而本文仿真回波损耗和隔离度均大于20 dB；文献[11]其实测耦合度为3.7 dB±0.5 dB，回波损耗和隔离度大于10.5 dB，而本文实测耦合度为3.7 dB±0.6 dB，回波损耗和隔离度均大于15 dB，从表2可见，本文所设计的耦合器不论仿真测试还是实物测试，所测的回波损耗和隔离度均优于文献[10-11]；文献[14-15]分别为Pasternack公司和Narda公司研制的3 dB电桥结构，本文与其相比可见，本文耦合器各项指标与文献[15]中指标基本相当，在插损上远优于文献[14]插损值。不同于文献[11]中的带状线接口以及文献[14-15]中的SMA接头，本文所设计的耦合器4个输出端口都采用微带线接口，具有更易与其他器件进行直接相连接的优点。

表2 与其它基于带状线定向耦合器比较Table 2 Comparison between this work and previous work

3 结束语

本文从带状线渐变3 dB耦合器的基本原理出发，利用matlab对耦合器进行初始值综合设计，通过加入补偿枝节以解决高频时耦合器性能下降问题，并利用HFSS进行建模优化，最终实物测试与仿真设计结果基本吻合。该3 dB耦合器具有带内插损小、隔离度高、尺寸小、易与其他器件相连接等特点，在项目中实际应用效果良好。