具有非标准相位差的小型矩形贴片耦合器的设计

王 奇，张文梅

(山西大学 物理电子工程学院，山西 太原 030006)

0 引 言

耦合器可以在其工作频带内提供恒定相位差和相等功率分配，因此在微波和毫米波中有广泛的应用[1]，例如天线馈电网络[2,3]、平衡功率放大器和信号混频器.但是传统的分支线耦合器和环形耦合器尺寸大而且带宽窄，同时耦合器的输出端口只能产生90°和180°相位差，这就极大地限制了耦合器的使用.国内外作者已经提出了一些改进耦合器的方法：文献[4]在传统的分支线耦合器的端口上增加一些开路的短截线，通过适当的选择短截线的长度和宽度，实现了耦合器的多通带；文献[5]通过在分支线耦合器的接地板上蚀刻一些不同的图案，实现了40.3%带宽；文献[6]通过在分支线耦合器和环形耦合器的端口处增加一些阻抗线,实现了耦合器的任意功率分配.由于微带贴片元件结构简单，贴片式混合耦合器最近被用于实现天线阵的宽带巴特勒矩阵[7]；文献[8]通过在贴片外部对称加载短截线，并在耦合端口和矩形贴片之间引入外部阻抗线，实现了平坦的耦合度，并扩大了带宽.贴片耦合器的小型化也是国内外作者一直改进的方向，以便实现更高的集成度；文献[9]已经提出了图案化的接地板结构，这种结构在减小尺寸的情况下不会增加电路的复杂性；文献[10]通过在方形贴片中放置一对交叉槽，使贴片混合耦合器的尺寸显著减小.以上耦合器的相位差大多为90°，在实际中经常需要具有非标准相位差(45°，60°，120°和135°)的耦合器，比如在相控阵中，采用这种耦合器可以避免使用移相器，从而减小系统的体积.

本文提出了一种具有非标准相位差的小型矩形贴片3 dB耦合器.该耦合器结构简单，易于实现.通过在耦合器的端口处增加LC匹配网络使得耦合器实现了非标准的相位差.仿真结果表明，该耦合器在4～5 GHz频带内具有良好的匹配和隔离特性，两个输出端口之间具有非标准相位差，可以通过改变电感实现26°～57°的相位差变化范围.

1 耦合器的结构

耦合器的结构分为3层：最上层是贴片，中间是介质层，最底层为接地板.介质层的相对介电常数为10.8，厚度为0.635 mm，损耗正切角为0.002 3.耦合器贴片的结构如图1 所示，在贴片上蚀刻水平和竖直两组曲折槽，这些曲折槽具有相同的宽度w1，两组曲折槽的中心线都与矩形贴片的对角线重合，并且竖直曲折槽的末端设计成矩形块的形状，这样保证了两个输出端口有相等的幅度.耦合器的4个端口对称分布在贴片4个边的中心，且端口的微带线宽为0.56 mm.在耦合器两个端口和贴片之间对称地加载两组LC匹配网络，每组LC匹配网络由两个电容和一个电感组成，电容的一端加载在耦合器的端口上，另外一端通过金属过孔与接地板相连.图1 中l1=6.6 mm，l2=1.7 mm，l3=0.8 mm，l4=0.55 mm，w1=0.1 mm，w2=0.34 mm，w3=0.8 mm，w4=2 mm，C1=C2=C3=C4=0.3 pF，L1=L2=0.6 nH.该贴片整体的尺寸大小是5.5×8 mm2，相对尺寸为0.22λg×0.32λg.

图1 3 dB耦合器贴片结构Fig.1 3 dB coupler patch structure

2 耦合器参数分析

在设计耦合器的过程中发现，水平槽末端的长度和竖直槽末端的长度(l2)都会影响耦合器的工作频率，不同l2时的结果如图2 所示，其中电容是0.3 pF，电感是0.6 nH.图2 给出了不同l2时的|S11|和|S41|，当槽末端的长度(l2)从0.95 mm，1.35 mm，增加到1.75 mm时，该耦合器的工作频率从5.3 GHz，5.0 GHz，降低到4.5 GHz.|S11|和 |S41| 在工作频率附近均低于-20 dB，并且随着l2的增加进一步下移.由于贴片尺寸的限制，槽末端的长度(l2)最大为1.75 mm，此时耦合器工作在4.5 GHz，耦合器的|S11|最低且具有很好的隔离，并且相对带宽最宽(4.1～5.1 GHz).

图2 不同l2时耦合器的|S11|和|S41|Fig.2 |S11| and |S41| of coupler with different l2

在确定了l2的长度后，改变耦合器竖直槽末端矩形槽的长度w3，可以调节其耦合度和带宽，相关结果如图3 所示.当w3选择0.6 mm时，在4.5 GHz处，|S21|=-3.3 dB，|S31|=-2.9 dB，此时1 dB相对带宽为15%(4.2～4.8 GHz).当w3选择0.8 mm时，在4.5 GHz处，|S21|=-3.1 dB，|S31|=-3 dB，此时1 dB相对带宽为18%(4.2～5.0 GHz).当w3选择1.0 mm 时，相应的结果为-2.8 dB，-3.4 dB，9%(4.3～4.7 GHz).可见，当采用w3=0.8 mm时耦合器带宽最宽，耦合器的|S21|,|S31|最接近.

图3 不同w3时耦合器的|S21|和|S31|Fig.3 |S21| and |S31| of coupler with different w3

3 耦合器的仿真结果

本文设计的耦合器通过改变电感来改变输出端口的相位差.图4(a)和图4(b)给出了耦合器在l2=1.75 mm，l4=0.95 mm，w2=0.34 mm时的S参数(S21和S31，S11和S41)随电感(L1和L2)的变化.当L1=L2=0.2 nH时，耦合器的工作频率为4.3 GHz，|S21|=-3 dB，|S31|=-3 dB，|S11|=-24 dB，|S41|=-27 dB.当L1和L2从0.6 nH增加到1 nH时，耦合器的工作频率为4.5 dB，|S21|和|S31|在4.5 GHz处都接近于-3 dB，|S11|和隔离度|S41|在4.5 GHz 处都低于-25 dB.图4(c)是不同电感下输出端口的相位变化图，当电感为0.2 nH时，相位差为55°，55°±5°相对带宽为17%(3.8～4.6 GHz)，当电感为0.6 nH时，相位差为45°，45°±5°相对带宽为20%(3.9～4.8 GHz)，当电感为1.0 nH时，相位差为35°，35°±5°相对带宽为22%(3.8～4.8 GHz).表1 给出了不同电感下耦合器仿真结果的具体值.

图4 不同电感下耦合器S参数和相位差的变化Fig.4 S11,S21,S31,S41 and phase difference changes withdifferent inductance of coupler

表1 耦合器仿真结果Tab.1 Coupler simulation results

为了更清楚地看出电感变化对耦合器相位差的影响，图5给出了耦合器工作在3个不同频率(4.5 GHz，4.7 GHz，5 GHz)时输出端口相位差随电感变化的曲线.从图5中可以看出，随着电感L1和L2从0.2 nH增大到1 nH，在4.5 GHz时，耦合器输出端口的相位差从35°增大到了55°，在4.7 GHz 时，相位差的范围是32°～57°，在5 GHz时，相位差的范围达到26°～53°，可见该耦合器可以通过改变电感实现小范围内任意的相位差.

表2 是当l2=1.75 mm，w3=0.6 mm，L1=L2=0.6 nH时，本文提出的矩形贴片耦合器与现有的贴片耦合器的仿真结果对比.可以看出，相比文献[7]，[8]和[9]，本文所提出的耦合器具有较小的物理尺寸，虽然相对文献[10]尺寸略微大一些，但是本文提出的耦合器具有非标准的相位差和小范围的可调相位差，并且带宽更宽.

图5 不同频率下输出端口相位差随电感(L1和L2)的变化Fig.5 Changes of phase difference with L1 and L2 at different frequencies

表2 本文提出的耦合器与现有贴片耦合器结果对比Tab.2 Comparison with other patch hybrid couplers

4 结 论

本文提出了一种具有非标准相位差小型矩形贴片耦合器的设计.耦合器主要结构是在矩形贴片上蚀刻水平和竖直两组弯折槽，并且在耦合器的两个端口处增加LC匹配网络.本文所提出的十字槽贴片耦合器的长度约为1/2波长，宽度约为1/3波长，贴片的整体面积相对于短截线矩形贴片耦合器尺寸减小了80%.该耦合器实现了在中心频率处的低回波损耗和良好的隔离，带宽能达到17%以上，通过改变电感实现了耦合器26°～57°的可调相位差范围，且耦合器制作简便，具有很大的实用价值.