摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)定向耦合器在帶寬,、耦合度和電路集成方面的不足,，采用平行耦合微帶線與缺陷地結(jié)構(gòu)（DGS）相結(jié)合的方法，設(shè)計(jì)了一款C-Ku 波段的超寬帶定向耦合器,，在一個(gè)倍頻程的寬頻段范圍內(nèi)達(dá)到了3dB 左右的強(qiáng)耦合效果,。使用電磁仿真軟件HFSS 對(duì)電路進(jìn)行仿真和優(yōu)化，仿真與優(yōu)化結(jié)果表明,，在7.5GHz-13.5GHz 頻率范圍內(nèi),，耦合度為3.3dB±0.2dB，回波損耗大于17dB,，隔離度大于17dB,；在6GHz-14.5GHz 頻率范圍內(nèi)，耦合度為3.3dB±0.6dB,，回波損耗大于15dB,，隔離度大于15dB。

1 引言

定向耦合器是微波電路中必不可少的器件,，廣泛用于平衡放大器,、調(diào)制器、移相器等設(shè)計(jì)中,。傳統(tǒng)的分支線耦合器由于需要有四分之一波長(zhǎng)傳輸線結(jié)構(gòu),，故帶寬被限制在10%~20%[1]。耦合線耦合器一般適用于弱耦合情況,，因?yàn)閺?qiáng)耦合需要微帶線靠得很近,，難于加工。利用寬邊耦合方式設(shè)計(jì)的帶狀線耦合器可以實(shí)現(xiàn)超寬帶和強(qiáng)耦合,，但帶狀線在與其他微波器件集成時(shí)存在困難[2],。Lange 耦合器可以比較容易達(dá)到3dB 的耦合度，且有一個(gè)倍頻程或更寬的帶寬,，但因?yàn)閹Ь€寬度窄,，且需要跨線,，工藝要求高，在較高的微波頻段用微帶線實(shí)現(xiàn)難度大[3],。

利用小孔耦合設(shè)計(jì)的微帶線耦合器,，采用多層層的小孔耦合，這種3dB 定向耦合器具有良好的回波損耗和隔離度,，但因各端口位于不同平面,，在一定條件下限制了其應(yīng)用范圍[4-7]。通過(guò)在平行耦合微帶線的地平面上開(kāi)矩形窗,，矩形窗內(nèi)部引入兩條微帶線,，與上表面的微帶線通過(guò)金屬化通孔互連，可以有效增強(qiáng)耦合[8],。這種結(jié)構(gòu)降低了對(duì)加工工藝的要求,，而且容易與其他器件集成。

本文結(jié)合平行耦合微帶線和缺陷地結(jié)構(gòu)（DGS）,，設(shè)計(jì)了一款工作在C-Ku 波段的超寬帶3dB 定向耦合器,，電路可以采用傳統(tǒng)的印制電路板（PCB）工藝加工。所涉及的電路結(jié)構(gòu)如圖1 所示,。電路尺寸僅為18mm×10mm,；耦合器各端口位于同一平面，便于與其他微波器件集成,。通過(guò)電磁仿真軟件HFSS 對(duì)耦合器結(jié)構(gòu)做了仿真與優(yōu)化,，結(jié)果達(dá)到了很好的性能要求。

圖1 C-Ku 波段超寬帶3dB 定向耦合器結(jié)構(gòu)圖

2 耦合器電路設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)選用Rogers 公司的RO4003 作為介質(zhì)基板,，相對(duì)介電常數(shù)為3.55,，損耗因子為0.0027，基板厚度為0.508mm,，覆銅厚度為0.018mm,。耦合器頂層電路如圖2（a）所示，與傳統(tǒng)微帶耦合線結(jié)構(gòu)相同,；在微帶耦合線的底層開(kāi)長(zhǎng)為L(zhǎng)g,、寬為Wg的矩形窗，如圖2（b）所示,。矩形窗中間采用交叉指型的電路結(jié)構(gòu),，通過(guò)半徑為R 的金屬化通孔與頂層耦合微帶線相連，微帶線之間縫隙寬度為S1,。對(duì)于傳統(tǒng)耦合微帶線耦合器,，電壓耦合系數(shù)C與偶模特征阻抗Z0e 和奇模特征阻抗Z0o 存在如下關(guān)系：

可見(jiàn)偶模和奇模特征阻抗相差越大，耦合越強(qiáng)[1],。與傳統(tǒng)耦合線耦合器相比,，本設(shè)計(jì)在偶模和奇模激勵(lì)下都引入了頂層與底層微帶線間的電容,，但在奇模激勵(lì)時(shí)還存在底層微帶縫隙間的耦合電容,，因縫隙狹窄且較長(zhǎng),，此電容對(duì)電路影響不可忽略。由偶模特征阻抗和奇模特征阻抗與電容的關(guān)系,，偶模和奇模特征阻抗同時(shí)減小,，但奇模特征阻抗減小更多些，導(dǎo)致耦合度的增加,。另外,，因交叉指型結(jié)構(gòu)與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，使得耦合器具有很寬的工作頻帶,。

通過(guò)HFSS 建模,，對(duì)應(yīng)于圖2 中耦合器電路的關(guān)鍵尺寸如下： L_sub=18mm ，W_sub=10mm ,，L1=8.4mm ,， S1=0.15mm ， Wz0=1.2mm ,，Lc=1.55mm,，Lg=6.7mm，Wg=2.75mm,，R=0.2mm,。

（a）頂層電路（b）底層電路

圖2 耦合器頂層電路和底層電路

圖3 S21 隨Lg 的變化情況

只需調(diào)整少量的參數(shù)即可達(dá)到設(shè)計(jì)要求。調(diào)整L1長(zhǎng)度可以對(duì)工作頻率進(jìn)行微調(diào),。調(diào)整微帶線間距S1和電路底層開(kāi)窗的長(zhǎng)度Lg 可以改變微帶線間的耦合度,。圖3 給出了耦合度與對(duì)其影響較大的Lg 之間的關(guān)系：當(dāng)Lg 分別取3.9mm、4.7mm,、5.5mm,、6.3mm和7.1mm 時(shí)，S21 典型值分別為-4.5dB,、-4.0dB,、-3.5dB、-3.3dB 和-3.3dB,?？梢?jiàn)隨著Lg 的增加，耦合度相應(yīng)增大,，最后基本穩(wěn)定在-3.3dB 附近,。考慮到電路存在介質(zhì)損耗,、輻射損耗和導(dǎo)體損耗,，確定3dB 定向耦合器的Lg 取值為6.7mm,。按照同樣方法對(duì)電路中的其他參數(shù)優(yōu)化。

3 耦合器仿真結(jié)果

通過(guò)優(yōu)化,，最終得到耦合器的S 參數(shù)幅度和相位仿真結(jié)果如圖4,、圖5 所示。由圖4 可見(jiàn),，在7.5GHz-13.5GHz 頻率范圍內(nèi),，耦合度為3.3dB±0.2dB，回波損耗大于17dB,，隔離度大于17dB,；在6GHz-14.5GHz 頻率范圍內(nèi)，耦合度為3.3dB±0.6dB,，回波損耗大于15dB,，隔離度大于15dB。由圖5 可見(jiàn),，在6GHz-14.5GHz 頻率范圍內(nèi),，端口2和端口3 之間的相位差delta_angle 始終維持在89deg-90deg 之間。因此,，在C-Ku 波段,，耦合器的各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了比較理想的結(jié)果。若適當(dāng)降低對(duì)上述指標(biāo)要求,，則可以對(duì)耦合器參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,，使工作帶寬進(jìn)一步擴(kuò)大。

圖4 耦合器S 參數(shù)幅度仿真結(jié)果

圖5 耦合器S 參數(shù)相位仿真結(jié)果

4 結(jié)論

本文采用平行耦合微帶線與缺陷地結(jié)構(gòu)相結(jié)合的方法,，利用電磁仿真軟件HFSS 仿真和設(shè)計(jì)了一款工作在C-Ku 波段的超寬帶3dB 定向耦合器,。在7.5GHz-13.5GHz 頻率范圍內(nèi)，耦合度為3.3dB±0.2dB,，回波損耗和隔離度均大于17dB,；在6GHz-14.5GHz 頻率范圍內(nèi)，耦合度為3.3dB±0.6dB,，回波損耗和隔離度均大于15dB,。耦合端和直通端的相位差為89deg-90deg。因耦合器體積小,，頻帶寬,，采用位于同一平面的微帶端口，便于與微波器件集成,，具有很好的實(shí)用性,。