一种新型滤波器耦合板的设计方法

丁 海

（京信通信技术（广州）有限公司，广东 广州 510663）

1 带状线耦合器

耦合器的方向性要求较高，电磁波奇模和偶模相速度是否相等直接影响方向性[1,2]。带状线上奇模和偶模相速度相等，大多数双定向耦合器是通过带状线之间的耦合来实现，采用偏离耦合线中心频率的下边带耦合特性进行射频信号的耦合取样[3-5]。带状线耦合器的主要形式如图1所示[6,7]。

图1 标准带状线耦合器设计模型

采用微波网络理论分析其S参量为

奇模反射系数为

2 同轴-微带型耦合器

带状线耦合器由于电磁场模式问题，导致互耦情况比较严重，耦合器的方向性一般只能达到20 dB左右。同轴-微带型耦合器采用耦合棒和带线形式实现耦合，可以提升耦合器的方向性。设计一种同轴-微带型耦合器，并通过理论分析与实际案例进行仿真测试验证。同轴-微带耦合器横截面如图2所示。

图2 同轴-微带耦合器横截面

同轴-微带耦合器的耦合模型可以认为是2条传输线之间的耦合，当同轴线（主线）上有交变电流流过时，由于同轴线与微带耦合线（副线）相互靠近，便会有能量通过电场（以耦合电容表示）和磁场（以耦合电感表示）从同轴线耦合到微带线中，这样就可以对其各项指标进行数值化模拟。平行耦合线定向耦合器模型如图3所示。

图3 平行耦合线定向耦合器

设有2对平行耦合线1-4与2-3，当主线1-4中有行波自1口向4口输入时，主线上流有电流I1，则在辅线2-3中由于互感作用，在d-z段产生感应电动势UL，即

式中：Lm为互分布电感。

UL在辅线2、辅线3所接负载上引起感应电流IL2与IL3，两者的方向彼此相反（以从上到下为正方向），即

由于互电容的作用，在d-z段产生位移电流IC，即

式中：Cm为互分布电容。

式中：L为耦合线中考虑到另一根线的影响时的单线分布电感。

电容耦合系数为

式中：C为耦合线中考虑到另一根线的影响时的单线分布电容。

对均匀介质下横电磁波（Transverse Electromagnetic Wave，TEM），当主线1-4与辅线2-3的特性阻抗均为RZ'0

时，KL=KC=K，即

对于任意长度的耦合线段来说，只要2口接了一个负载阻抗Z'0，则2口是耦合口、3口是隔离口，可以得到无穷大的方向性。

3 仿真分析

采用同轴-微带结构，使用位于印制线路板（Printed Circuit Board，PCB）底层的2条微带线来分别耦合前向功率和反向功率，这2条微带线与同轴棒平行且在同一条直线上。按照目前使用的同轴腔直径10 mm、主同轴棒直径4.4 mm计算，特性阻抗为50 Ω。为了减少耦合槽的宽度，又使耦合量满足指标要求，耦合线宽度定为2.2 mm、离地0.5 mm，计算其特性阻抗在50～73 Ω。

在保证耦合输出端口特性阻抗为50 Ω的前提下，隔离端微带线设计成高阻线，并通过仿真来确定其线宽。隔离端微带线按1.2 mm设计，离地宽度0.5 mm，方向性超过30 dB。对于耦合度为30 dB以上的弱耦合，仿真中方向性超过30 dB，与实际情况差异较大，因此超过30 dB方向性的产品，其方向性一般仿真接近30 dB即可。高阻线需要做开窗设计，同时该高阻线后端接地部分也需要做开窗处理，以便调试。轴-微带线耦合器模型如图4所示。

图4 同轴-微带线耦合器模型

2个隔离端口与2个耦合端口位于PCB的顶层，其中同轴线两端的端口分别是前向耦合口和反向耦合口，中间的端口为隔离口，与耦合线通过孔连接起来。

4 测试验证

根据上述分析，实际仿真加工的电路板如图5所示。

图5 仿真耦合板

电路板安装后的前向耦合测试结果如图6所示。由图6～图9可以看出，该耦合器在通带内的波动为0.2 dB左右，前向方向性为30 dB左右，反向方向性为39 dB左右，达到设计的预期要求。

图6 前向耦合测试结果

图7 前向隔离测试结果

图8 反向耦合测试结果

图9 反向隔离测试结果

5 结 论

通过仿真设计，同轴-微带式耦合器的结构形式简单，仅需耦合电路板、匹配电阻等部件即可实现，性能指标较优良，产品一致性较好，定型后可以做到免调试，可广泛用于腔体式无源器件设计。