基于小型化微带双分支定向耦合器的设计方案.pdf

基于小型化微带双分支定向耦合器的设计方 案 该方案应用 HFSS软件对结构进行了优化仿真设计，并制作和测量了一款工作在 L波段用于 海事卫星通信的微带耦合器样件。该耦合器样件比传统双分支定向耦合器面积缩小了 51%，实测结果与仿真结果吻合较好，验证了方案的可行性。 0 引言 近年来，通信技术取得了长足快速的发展，微波通信设备也随之发展起来。如今通信 设备趋于小型化、便携化，这对通信设备中无源器件的尺寸缩小提出更高的要求。 定向耦合器具有简单的结构以及良好的方向性，在微波通信中得到了较为广泛的应 用。定向耦合器的种类从结构上分有微带型、波导型和同轴型等；从耦合方式上有分支线 耦合、微带平行耦合线耦合、小孔耦合等。传统微带形式的定向耦合器无法克服所占面积 较大的缺点，因此限制了其在便携微波设备上的应用。目前，定向耦合器的小型化已经成 为了一个热门的课题。 通过补偿电容，提高了耦合器的方向性并减小了尺寸；2通过引入多个开路枝节，实 现了微带混合环的小型化；3采用了T型等效的方法实现了小型化；4采用了主线、副线以 及耦合线的鱼骨形等效实现了小型化，避免了T型等效的中心重叠问题。但3-4仅仅是理 论上的仿真，并没有考虑到实际微波器件的耦合效应。 本文基于前人的研究成果，提出了一种小型化的微带双分支定向耦合器的设计方案， 有效地解决了 T型等效的中心重合问题以及主线、副线以及耦合线的鱼骨形等效的耦合失 真严重的问题。利用 HFSS软件进行仿真优化设计，并做出了实物进行测试。 1 定向耦合器的小型化设计 传统微带双分支定向耦合器的结构示意图如图1所示，分支线长度及其间距均为 1 4 中心相波长。其输入、输出端口的特性阻抗为Z0 ，AB段与DC段的特性阻抗为 2 Z0 ，AD 段与BC 段的特性阻抗为Z0 。由于1已经给出了详尽的原理解释以及设计公式，本文将不 再赘述。 然而，传统的微带双分支定向耦合器尺寸较大，本文通过传输线的对称等效，设计了 一种小型化的微带双分支定向耦合器。传统微带双分支定向耦合器分支线的等效电路示意 图如图2 所示。 由等效前后 A 矩阵相等，已知θ1 = 90° ，可得： 将四段分支线进行T型等效后发现，定向耦合器中心部分发生重叠，这会产生严重的 耦合现象，影响定向耦合器的性能。在考虑定向耦合器的耦合效应的前提下，对分支线 AB 及 DC段的T 型等效进行进一步等效，其等效示意图如图2（c）所示。 同理，由 A 矩阵相等得到： 2 仿真及实验结果 根据上述分析和计算，设计了一款应用于海事卫星通信的小型化微带双分支定向耦合 器。中心频率为 f 0=1.6 GHz，频率范围为1.5~1.7 GHz，输入/输出端口阻抗Z0=50 Ω。 选用F4B 系列微波介质材料板，相对介电常数为εr=2.65，损耗角正切tan δ=0.002，厚 度 h=2 mm.利用HFSS 仿真软件进行大量的仿真优化，得到最佳的电路尺寸。最终加工实物 如图3所示。 使用 AV36580A 矢量网络分析仪对加工的定向耦合器进行了实际测量。图 4给出了各 端口S参数 HFSS 仿真和实测结果的对比。由图4可知，在1.5~1.7 GHz工作带宽内 S11 《 -15 dB，中心频率1.6 GHz 处 S11《-20 dB，各输入端口实现了良好的匹配。隔离口 S41《-20 dB 实现了良好的隔离。直通端与耦合端的功分效果良好，在所要求的频带范围 内功分比最大相差 0.5 dB.测试结果与仿真结果有着较好的一致性。测试结果与仿真结果 的偏差可能来自于实际