大功率带状线三分支电桥设计

李宁

（西安电子工程研究所，陕西 西安710100）

1 概述

3dB 电桥是一种特殊的耦合器，有两个输出端，其耦合输出和直通输出信号相等，为输入端信号一半，即3dB。两端口存在90°相位差，故又称3dB 正交耦合器。3dB 电桥可用于微波电调衰减器、平衡混频器、检波器及调制器等微波元件的设计和系统中，也可以作为功分器使用。本文中电桥的设计指标：通带1.2～1.45GHz，功分比为1：1，通带内三个端口的驻波比要求1.2 以下，通带内直通口和耦合口隔离度要求25dB 以上，通带内直通口和耦合口插损要求在3.4dB 以下，通带内直通口和耦合口相位差要求90°±3°。

2 设计原理

2.1 电路结构选择

电桥、传输线变压器、Wilkinson 功率合成器都可以实现功率合成[1]。电桥依据结构上的区别有分支线电桥、环形电桥等[2]。尽管两分支电桥结构简单、加工方便，但由于单频点四分之一波长分支线的原因，两分支电桥带宽一般很窄，很难满足频带指标。环形电桥虽然比两分支电桥有较优的频带特性但其缺点是两个平分臂不靠在一起，而被隔离臂所分开，具体应用中，两个臂都要接上微波固体器件，往往需要把两臂连接一起来得到平衡输出，或者加一个公用偏压源。此时用环形电桥，结构上就比较困难。克服以上缺点的一个方法是使用多分支线电桥，理论分析表明，即使增加的节数不多，电桥的各指标也可有较大的改善，工作频段有较大的展宽。另外考虑到分支越多电路所占的面积越大，同时也加大了设计和加工的难度，本文选择三分支电桥作为实现方式。

2.2 三分支电桥简述

三分支电桥通过平行传输线中间的三根分支线进行能量耦合。分支线的线长为中心频率对应波长的四分之一，分支线的间隔也为中心频率对应波长的四分之一。结构形式如图1 所示。假设能量从1 口进入，2 口会有直通能量输出，3 口会有耦合能量输出，4 口在理想状态下为隔离态，没有能量输出。若2、3 口输出功率都是1 口输入功率的二分之一，则为3dB 电桥。

2.3 理论分析

按照奇偶模法对三分支电桥进行分析，把三分支电桥分成五各单元，级联5 个单元的矩阵，得出电桥总的奇、偶模矩阵，通过理想的方向性条件、耦合度条件，可以计算出各分支线导纳应满足的条件，当外部分支线的导纳比内部较小时，可以有效拓展带宽如图1。

图1 三分支电桥

3 电路设计与仿真优化

运用ADS 软件提供的S_Params 控件[3]对三分支电桥的散射参量进行优化仿真。同时考虑到电桥在低频段尺寸大的问题，在电桥原理图设计阶段，将部分分支线进行弯折设计，在不影响性能的前提下，减小三分支电桥的版图面积。为方便三分支电桥在实际中的运用，将2、3 端口间距拉大，方便实际运用中连接其他射频器件。电桥原理图如图2 所示。

图2 三分支电桥原理图

在S_Params 控件中设置好微波介质参数、结构参数以及需要优化的变量参数，主要优化变量为三分支线的宽度与长度参数。经多次迭代，得到满足要求的参数变量。主要变量值见表1，仿真结果见图3～图5。

表1 主要优化参数

图3 2、3 端口插入损耗（dB）

图4 1、2、3 端口回波损耗（dB）

图5 2、3 端口隔离度（dB）

4 PCB 版图

根据ADS 自带的layout 控件得到初步PCB 版图，运用protel 对各分支进行精准刻画，同时为压缩实物的大小，对带状线进行弯折设计，带状线周围通过大面积地孔减少外界干扰。绘制的印制板如图6 所示。

图6 电桥印制板图

5 实测结果

运用相对介电常数2.2、厚度60mil 的微波复合介质基片加工三分支电桥实物。使用Agilent 的N5244A 矢网测试三分支电桥的主要性能指标，结果如图7～图9。

图7 2、3 端口插入损耗（dB）

图8 1、2、3 端口驻波

图9 2、3 端口隔离度（dB）

实测指标总结如下：频带覆盖1.2～1.45GHz，频带内1、2、3端口的驻波在1.1 以下，2、3 端口的隔离度在27dB 以上，2、3 端口的插入损耗在3.34dB 以下，2、3 端口的相位差在85°～93°，相位差略超指标要求。

6 结论

本文介绍了三分支电桥的理论分析和设计实现过程，通过ADS 软件进行设计和优化可以使微波电路的设计能做到快速满足性能指标。从测试结果可以看出各项指标的实测结果与设计仿真结果有着较好的吻合，除两输出端口相位差略超指标要求，其他各项性能指标良好。