一种新型宽带耦合器设计

李旭楠，刘泽阳

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

0 引言

耦合器是现代通信、雷达系统等设备中的一种重要部件，在各种射频电路和天线系统中用来实现信号的调制以及对信号进行相位校准和幅度检测等。随着通信等行业的快速发展，各种腔体、微带线、带状线、芯片和低温共烧陶瓷等类型的定向耦合器相继出现，定向耦合器技术也获得了巨大的进步。移动通信要求射频设备朝着小型化、便携化的方向发展，作为微波电路中的重要器件，定向耦合器的小型化是实现射频设备小型化的重要环节，常规方法设计的定向耦合器尺寸已经不满足设备的使用要求。同时，现代电子设备的性能飞速发展，与之相匹配的工作带宽越来越宽，这就要求包括定向耦合器在内的微波器件的工作频带必须覆盖更宽的频段，所以近年来，宽带定向耦合器的研究也是一个热点。

耦合器一般是利用1/4波长的耦合通路来实现其功能[1]，导致定向耦合器只能工作在与耦合线长度相对应的较窄的带宽内。通信系统性能的不断提高对耦合器提出了更高的要求，以往的窄带定向耦合器很难满足新型系统的要求。一种常见的增加带宽的方式是使用多节耦合线[2]，这种方式可以显著增加工作带宽，但大大增加了耦合器的尺寸，无法满足日益小型化的通信设备需求。有文献提出采用LTCC工艺或采用芯片工艺进行耦合器设计[3-4],这些工艺可以显著减小尺寸，但是其通过功率较低，无法应用在大功率设备上。目前的研究热点多集中在能通过大功率的耦合器[5-6]。以前，多数微波设备采用波导定向耦合器，波导结构通过功率大，性能优良。但是由于波导使用金属结构进行设计，其质量和尺寸过大，不适用于移动便携设备，机械加工精度和加工难度也制约着波导定向耦合器的小型化宽带设计。带状线一般由印制板加工，质量轻、加工精度高、可选则材质多、设计方便，同时成本低廉，因此通过大功率的移动便携设备多以带状线结构为主[7]，如何减小带状线耦合器的尺寸是目前一个研究热点。本文提出了一种全新的设计方法，首先用经典的方法设计多级传输线耦合器，再利用渐变结构对其进行改进，设计出新型宽带耦合器工作频带宽而且尺寸显著小。

1 多级定向耦合器原理

定向耦合器是一种重要的四端口微波器件，一般包括输入、输出、耦合和隔离4个端口。由输入端输入的信号可以以较小的插损传输到直通和耦合端口，但是到隔离端口的插损较大。输入端口与耦合端口的能量比值定义为器件的耦合度，输入端口与隔离端口的能量比值为隔离度，耦合端口与隔离端口的能量比值为方向性。定向耦合器经常应用在相控阵列、功率检测电路和功率分配电路中，其作用是在不影响通信的情况下将主路信号耦合一小部分能量到检测电路中进行检测，或者利用定向耦合器4个端口的传输特性，将输入的信号按照需求进行功率分配。耦合器需要1/4波长的长度实现耦合功能[8]，所以单节对称耦合线只能在相应频段达到良好的耦合性能，带宽较窄，很难实现3～9 GHz频段的宽带耦合，而且单级耦合线的平坦度较差，多种限制因素使得其越来越不利于高速发展的工程应用。实际工程中常用来实现宽带耦合且保证良好平坦度的方法是使用多节对称耦合线级联的方式[9]。

多级耦合器利用多个单节的耦合线级联而成，使用多级耦合器可以提高设计的自由度，使带宽增加。多级耦合器一般做成奇数个节，每节耦合器的长度都是1/4波长，通过每节耦合器之间的级联与阻抗匹配实现宽带工作。根据带宽和平坦度等指标可以计算出需要的节数。文献[10]给出了精确计算多节级联耦合器的公式。如果耦合器的节数为N，每节电长度为θ，CN是第N节的耦合系数，则每节的级联关系如图1所示。

图1 多级耦合线级联关系Fig.1 Multilevel coupling line cascade connection

Z0en是第n节耦合线的偶模阻抗，Z0on是第n节耦合线的奇模阻抗，在理想情况下，奇偶模且满足：

Z0enZ0on=1。

(1)

每节电压耦合系数C与奇偶模的关系为：

C=20lg[(Z0en-Z0on)/(Z0en+Z0on)]。

(2)

文献[10]通过计算给出了级联的各节耦合线偶模阻抗与带宽关系的表。通过计算出带宽比B=(f2-f1)/f0≈1，设计平坦度±0.5 dB,耦合度10 dB，根据这3个值可以查表得到归一化偶模阻抗,Z0e1=Z0e3=1.2，Z0e2=1.7。

根据查表得到的偶模阻抗通过式(1)可以计算出奇模阻抗[11]。得到奇偶模阻抗后可以计算出每节的宽度W和2条耦合线交叠部分的宽度Wc[12]：

(3)

(4)

式中，H为2个耦合线之间的高度；C0为奇偶模静态电容；Cf0，Cf，q，a为中间变量。

(5)

式中，εr为传输介质的介电常数。

ρ=Z0e/Z0o,

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

计算结果W≈1.6 mm，Wc≈0.1 mm，耦合器需要三级才能满足要求，即每级长度L=λ/4=12.5 mm，其中λ为中心频点6 GHz处的波长。通过上述经典的计算方法，可以准确地设计出满足带内平坦度和耦合度的三级耦合器，但是耦合器的有效耦合长度为L×3=37.5 mm，尺寸过大。

经过多年的发展，国内外学者对规则形状的耦合器提出了比较完善的设计和计算方法，但是使用上文的常规方法设计耦合器，增加带宽的方法基本集中于增加耦合器的级联级数，这样可以实现宽带特性，但是计算方法复杂，而且单纯增加级数会增加耦合器的阻抗不连续性，使耦合器的带内特性变差，端口驻波难以匹配，同时会增加尺寸，无法满足小型化要求。所以需要在上述设计的基础上进行优化，以满足小型化的目标

2 渐变线改进型多级定向耦合器设计

根据以上方法设计的耦合器可以通过调整耦合线的级数与参数很好地控制插损、带宽和平坦度，但是需要用3节1/4波长的耦线才能达到足够的平坦度和带宽，尺寸较大，这是由于级与级之间的不连续性，导致了阻抗不易匹配[13],随着串联级数的增加，常规级联方式的阻抗匹配难度越来越大，所以需要更多的级与更长的尺寸来改善阻抗匹配，以达到理想的平坦度。Arndt等人以及国内很多设计人员对渐变线进行了研究[14-15]，研究结果表明渐变线可以显著地减小耦合线的尺寸[16]，这是因为渐变线没有级间的阻抗突变，所以采用渐变线可以在一定程度上减少阻抗的不连续[17]，用较小的尺寸就可以实现同样的宽带特性。但是渐变线无法像多级耦合线一样，存在比较成熟的设计方法，通过级数和参数的设计实现对平坦和带宽的精确控制。所以先利用上文的方法设计带宽、平坦度均满足要求的三级耦合器，再加入渐变结构，利用渐变耦合线的阻抗连续、宽带宽、体积小优势，改进上文设计的普通3节耦合线，将耦合线的2个非耦合边的阶梯结构改为连续的渐变结构。通过HFSS仿真优化后设计出一种小型化且平坦度满足要求的耦合器。有效耦合长度小于一节耦合线的长度，带宽可以覆盖3～9 GHz。

耦合器的结构如图2所示。

图2 宽带耦合器结构Fig.2 Broadband coupler structure

耦合器通过带状线结构实现，耦合线与地板间以及2条耦合线之间的材料选用介电常数为2.2的Rogers Duroid 5880板材，厚度h1为0.508 mm，耦合线间距h为0.127 mm，2条耦合线分布在2层，重叠交错耦合，有效耦合长度为12 mm。耦合线的耦合边选用上一节方法设计的三级带状线耦合结构，耦合线的另一边选用渐变结构以减小尺寸同时增加带宽。用HFSS软件对结构仿真优化，仿真结果如图3所示。

图3 宽带耦合器仿真结果Fig.3 Simulation results of broadband coupler

通过仿真结果可以看出，渐变多级耦合结构在3.2～9.7 GHz频带内耦合端口实现了10 dB的耦合度，直通路插损在1 dB以内,隔离端口的隔离度大于20 dB，在减小了耦合器的尺寸同时实现了良好的耦合性能。

根据仿真结果制作了样机并进行测试，样机和测试结果如图4和图5所示。

图4 宽带耦合器样机Fig.4 Prototype of broadband coupler

(a) 直通路插损实测结果

(b) 耦合路实测结果图5 宽带耦合器实测结果Fig.5 Test results of broadband coupler

由5图可以看出，耦合器的直通路的插损小于1 dB，耦合度约为-10 dB，带内波动小于1 dB。对比实测曲线与仿真结果可以看出，二者的直通插损和耦合度基本吻合，差值小于1 dB，差值可能是印制板加工误差、接头连接处阻抗失配等因素引起的，该耦合器已在实际工程中使用。

3 结束语

本文总结了近年来主要宽带和小型化定向耦合器的发展情况，着重研究了多级传输线耦合器和渐变线宽带耦合结构，以经典的多级传输线耦合器为基础设计出传统的多级耦合器，然后利用渐变结构可以减少阻抗失配、增加带宽的特性，在设计出的耦合器中增加渐变结构，并利用HFSS仿真软件对设计的耦合器进行了仿真优化，仿真结果显示新型宽带耦合器带宽可以覆盖3.2～9.7 GHz，同时更加小型化。在仿真的基础上进行了实物加工与测试，测试结果与仿真结果相吻合。本文设计的定向耦合器已经在工程中实际应用，满足了工程的小型化与宽带需求，目前工作性能良好。这表明本文提出的方法简单有效，利用该方法所设计的耦合器尺寸小、带宽宽，可以应用到日益小型化的通信设备中。研究过程中发现，通过改变渐变结构可以在现有基础上进一步减小尺寸，下一步的工作将继续研究小型化的渐变结构。