0 引言

耦合器是现代微波工程测试技术中广泛用到的无源器件。其主要作用是将微波信号进行某个方向的功率耦合，将耦合后的功率信号进行检测，调节等处理。定向耦合器因其体积小、损耗低、可靠性高备受青睐。随着微波工程技术的发展，各种形式的耦合器得到了研究与应用。文献[1]提出了一个应用于8~12G的E面波导3dB耦合器的改进型结构。文献[2]报道了基于波导的Q波段3dB环形电桥的设计，证明了这种环形电桥在该频段良好的电磁性能。文献[3]提出了一种应用于2~20GHz的新拓扑超宽带20dB的定向耦合器，在通带内取得满意的效果。

以上所列文献对耦合器的研究也存在一些不足，就是其相对带宽较窄，在实际应用上具有一定的局限性。当带宽较宽时，又难以实现强耦合^[3]。由于波导本身截止频率的约束，对于宽带跨波段耦合器的研究则无法再使用波导的形式来实现。相对于常用的微带线，采用带状线形式的传输线具有更高的功率容量和更低的辐射损耗。利用带状线3dB耦合器作为功分/合成网络可以研制更大功率的固态功放^[4]。

1 耦合器的基本结构

    常见的耦合器基本结构如下，其耦合原理在一些文献中有详细的阐述^[5]。当P1为输入信号端口时，P2端口则为直通端口，P3端口为耦合端口，P4端口为隔离端口。其中，平行耦合线的长度等于中心频率对应波长的四分之一。

图1 平行线耦合器结构示意图

以上结构的耦合器具有结构简单、尺寸小、制造方便等优点得到了较为广泛的应用。由于采用这种单节耦合线，使得该定向耦合器也存在一些不足，即无法达到足够的带宽。为了达到这一要求，采用多节四分之一平行耦合线是一种较为有效的方法。文献[6]提出的的四分之三波长耦合线宽边耦合器就是对该方法的成功实践。文献[7]采用衬底型五级平行耦合带状线实现了6dB超宽带耦合器的研究。可见通过多节四分之一波长平行耦合线研制的的耦合器可以显著的扩展带宽的功能。

平行宽边带状耦合线结构如图2所示：导体平行置于间距为B的两接地板之间，中间填充有介电常数为的介质，导体间距为S，两导体水平偏移为W0，由于导体之间、导体与介质之间有着较强的介质耦合，故利用该结构可以研制强耦合度的耦合器。

图2 平行宽边带状耦合线结构示意图

2 设计流程

2.1 设计指标

根据项目要求，所要设计的耦合器指标如表1所示：

表1 设计指标

2.2 设计思路 

根据设计指标，所设计的3dB带状线耦合器属于强耦合度的耦合器。采用多节四分之一波长带状线即使两带状线完全重叠也难以达到3dB耦合度的要求。文献[8]通过两个单节级联带状线耦合器的研制的3dB耦合器在8~12GHz取得了令人满意的效果。因此考虑使用完全相同的两个8.34dB的带状线耦合器级联来达到设计要求。

首先根据设计指标，可知其带内中心频率  为4GHz，由带宽公式  和相对带宽公式（其中BW为绝对带宽）确定该耦合器的带宽以及相对带宽W=1.043 55，在满足设计要求的情况下，应当考虑小型化问题，级尽可能地使得节数n更小。通过查询切比雪夫耦合传输线定向耦合器归一偶模阻抗数值表，得到的数据如表2所示^[9]：

表2 设计数据

其中，δ是理想情况下的纹波，单位是dB。由于所设计的是多节对称耦合型耦合器，且

                               (1)

故，以此计算得到奇偶模阻抗值如表3所示：

表3 奇偶模阻抗值

拟选取TACONIC公司的介电常数ε=2.65的PCB板材，利用ADS中的传输线计算工具可以计算线宽W、上下导体的间距S设置为0.254mm，导体与地之间的介质厚度设置为0.762mm，两接地板之间的距离B设置为1.778mm。经过多次迭代运算，可以得到单个带状线耦合器的导体宽度W与两层导体的位移S如表4所示。

              表4 带状线理论计算数据           (mm)

3 建模与仿真 

根据以上相关数据，可以完整地建立耦合器的模型。考虑到使用两个完全相同的耦合器级联，故每个耦合器两导体使用交错耦合结构，每层导体呈中心对称结构，如下图所示：

图3 交错型带状线耦合器示意图

利用全三维电磁仿真软件HFSS，建立了如图3所示的对称型多节带状线耦合器模型，由于导体的很薄，信号在导体上的实际传输损耗非常小，故导体采用理想导体（即厚度为零）。由于考虑到使用两个交错带状线耦合器级联实现3dB强耦合，故建模的时候，利用一个8.34dB耦合器通过镜像、合并即可实现。

由于采用多节耦合，要达到所设计的指标，需要将多个变量进行优化以寻求最佳效果。而且每相邻两节导体之间的不连续性比较明显，通过在不同地方添加导体枝节的方法，可以显著改善带状线导体的不连续性引起的损耗，优化反射系数。整个3dB带状线耦合器模型如下：

图4 交错型级联带状线耦合器HFSS仿真模型

4 结果与讨论

在HFSS建模窗口中的分析求解栏中设置好扫描类型、求解频率及步长，对所建立的3dB耦合器模型进行仿真，仿真结果如图5~图8所示。

图5 传输损耗

图6 反射系数与隔离度

图7 直通与耦合系数

图8 端口驻波比

    通过以上仿真结果可以看出，采用交错型耦合结构设计的带状线耦合器在通带内具有较低的损耗和较高的隔离度，耦合器的直通端口与耦合端口的电磁能量近乎均等，使得耦合器能实现良好的3dB功率平分。

    在仿真优化的过程中发现，介质厚度的变化、枝节长度宽度的变化以及枝节所在的位置等参量都与仿真结果息息相关。中间介质的厚度越薄，耦合越紧，但隔离度变差；上下两层介质越薄，耦合越松，隔离度变好；同一带宽条件下，频率越高，其端口驻波比变差；而且靠近端口处的带状线枝节可以显著地改善反射系数。各枝节的尺寸与具体位置是通过综合考虑各种指标通过优化相关参数来确定。

5 结论

     本文以多节对称型耦合传输线耦合器设计思路，通过查表法设计了一款频段位于2~6G的3dB交错级联带状线耦合器。利用HFSS对所设计的耦合器模型进行了仿真，仿真结果表明，增加导体枝节后，在2~6GHz频段内，所设计的耦合器的传输系数、反射系数和隔离度较大的改善，其指标都满足预期指标要求，也易实现小型化。利用该方法可以设计这类带宽更宽的耦合器。

参考文献

[1]李军，方建洪，冯皓.E面波导3dB耦合器的设计[J].真空电子技术.2011.2.40~42.

[2]谢晓峰，沈川，肖仕伟.Q波段波导环形电桥的设计与实现[J].微波学报.2012.S2.270~273.

[3]Miazga, P. "A new method of synthesis of multiple-decade band directional couplers", Microwave Radar and Wireless Communications (MIKON), 2012 19th International Conference on, On page(s): 201-203 Volume:1, 21-23 May 2012

[4]谢小强，林为干，徐锐敏.一种新型的毫米波功率合成电路[J].红外与毫米波学报.2006.25(1):25~28.

[5]张文波.3dB定向耦合器及其在调频广播中的应用[J].现代电子技术.2012.35(11):105~107.　

[6]张媛.带状线宽频带90°电桥的设计[J].遥测遥控.2004. 25(5):48~51.

[7]姬五胜，彭清斌，张需溥等.衬底型五级超宽带带状线耦合器的设计[J].兰州理工大学学报. 2009.35(6):101~104.

[8]倪春，张庆华，吴先良等.3dB 带状线电桥的研究与设计[J].现代电子技术.2010.(4):193~195.

[9]甘本祓，吴万春.现代微波滤波器的结构与设计 下册[M].科学出版社1986:187.

                 （收稿日期：2016.5.21）

作者简介：

蔡德龙（1991-）,通信作者，男, 硕士，主要研究方向：微波毫米波技术与功放组件，E-mail：275703863@qq.com。

刘成安(1965-)，男，工学硕士，副教授，硕士生导师，研究方向：无线网络通信。

蔡钟斌(1977-) ，男，工学硕士，高级工程师，目前从事微波电路收发系统设计。

吕涛（1979-），男，工学博士，讲师，主要从事无线传感器与高频电源研究。