Ka波段3dB定向耦合器的設(shè)計(jì)與仿真

摘要：定向耦合器廣泛地用在現(xiàn)代微波系統(tǒng)中，文中介紹了兩種應(yīng)用在平衡式放大器中的3dB定向耦合器。首先對(duì)微帶分支線耦合器與波導(dǎo)耦合器進(jìn)行了理論分析，然后利用電磁仿真軟件HFSS，對(duì)兩種耦合器進(jìn)行了建模仿真、仿真結(jié)果驗(yàn)證了這兩種定向耦合器的可實(shí)現(xiàn)性，最后比較了兩種耦合器的性能，并且總結(jié)了各自的特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：Ka波段；定向耦合器；分支線耦合器；波導(dǎo)耦合器

1 引言
    在微波通信系統(tǒng)中定向耦合器是一種用途廣泛的微波器件，比如可以用在在信號(hào)發(fā)生器中的功率臨視裝置，以及接收機(jī)中的混頻器。另外，自動(dòng)增益控制、平衡式放大器、反射計(jì)以及調(diào)相器和微波阻抗電橋等測(cè)量?jī)x器也要用到定向耦合器。構(gòu)成定向耦合器的結(jié)構(gòu)有波導(dǎo)、微帶線、帶狀線、同軸線等。因此，定向耦合器的種類很多，但是不同種類的定向耦合器差異很大。
    平衡式放大器的穩(wěn)定性很好，輸入輸出駐波也很低，而且由于良好的低噪聲特性，平衡結(jié)構(gòu)的放大器在微波波段的低噪聲放大器中被普遍采用。因此對(duì)于平衡式放大器中定向耦合器的研究就具有很高的現(xiàn)實(shí)意義。
    本文對(duì)微帶分支線耦合器和波導(dǎo)E面耦合器做了理論分析，然后利用電磁仿真軟件進(jìn)行了建模仿真，通過對(duì)仿真結(jié)果做了比較，最后得出結(jié)論。

2 耦合器的分析與設(shè)計(jì)
    (1)主要設(shè)計(jì)指標(biāo)
    工作頻帶：29GHz～31GHz
    同波損耗：≤-20dB
    輸出端口幅度不平衡度：≤1 dB
    輸出端口隔離度：≤-20dB
    (2)分支線耦合器的分析與仿真
    如圖1所示，分支線定向耦合器有主線、副線和兩條分支線組成，其中分支線的長(zhǎng)度和間距均為中心頻率工作波長(zhǎng)的。設(shè)主線入口線1的特性阻抗為Z1=Z0，主線出口線2的特性阻抗Z2=Z0k(k為阻抗變換比)，副線隔離端4的特性阻抗為Z4=Z0，副線耦合端3的特性阻抗為Z3=Z0k，平行連接線的特性阻抗為ZOP，兩個(gè)分支線特性阻抗分別為Zt1和Zt2。

    假設(shè)輸入電壓信號(hào)從端口1經(jīng)A點(diǎn)輸入，則達(dá)到D點(diǎn)的信號(hào)有兩路，一路是由分支線直達(dá)，其波行程為λg／4，另一路由A→B→C→D，波行程為3λg／4；故兩條路徑到達(dá)的波行程差為λg／2，相應(yīng)的相位差為π，即相位相反。因此若選擇合適的特性阻抗，使達(dá)到的兩路信號(hào)振幅相等，則端口4處的兩路信號(hào)相互抵消，從而實(shí)現(xiàn)隔離。同樣由A→C的兩路信號(hào)為相同信號(hào)，故在端口3有耦合輸出信號(hào)，即端口3為耦合端。耦合端輸出信號(hào)的大小同樣取決于各線的特性阻抗。
    下面給出微帶雙分支定向耦合器的設(shè)計(jì)公式。設(shè)耦合段3的反射波電壓為，則該耦合器的耦合度為
   
    可見，只要給出要求的耦合度C及阻抗變換比k，即可由式(1)算得|U3r|，再由式(2)～(4)算得各線特性阻抗，從而可設(shè)計(jì)出相應(yīng)的定向耦合器。對(duì)于耦合度為3dB、阻抗變換比k=1的特殊定向耦合器，稱為3dB定向耦合器。此時(shí)
   
    通過以上理論分析在HFSS中建模并優(yōu)化后的3dB分支線電橋模型如圖2所示。微帶分支線耦合器的結(jié)果如圖3所示。模型選用的介質(zhì)基片為RD5880，介電常數(shù)為2．2，厚度為0．127 mm，經(jīng)計(jì)算，50 Ω微帶線寬度為0．37 mm，本文設(shè)計(jì)的耦合器的中心頻率為30GHz，分支線和輸入輸出微帶線采用特性阻抗為50 Ω的微帶，則主線的特性阻抗約為35 Ω，寬度約為0．62 mm。29GHz～31GHz之間，輸入端口反射系數(shù)小于-23 dB，兩個(gè)輸出端口的幅度不平衡度小于0．7dB，相位差為90°，達(dá)到了很好的性能。

    (3)波導(dǎo)E面定向耦合器的分析與仿真
    波導(dǎo)定向耦合器的工作原理與前而分析的微帶3dB分支線耦合器類似。其通過在兩個(gè)波導(dǎo)公共壁上開小孔或縫來耦合，一個(gè)小孔或縫能用由電和磁偶極矩組成的等效源替代。這個(gè)法向的電偶極矩和軸向的磁偶極矩在耦合波導(dǎo)中輻射有偶對(duì)稱性質(zhì)，而橫向磁偶極矩的輻射有奇對(duì)稱性質(zhì)。所以通過調(diào)整這兩個(gè)等效源的相對(duì)振幅就能抵消在隔離端口方向上的輻射，而增強(qiáng)耦合端口方向上的輻射。
    下面大致介紹下多孔定向耦合器的原理。
    多孔定向耦合器如圖4所示，N+1個(gè)耦合孔陣列的間距為d。設(shè)入社波振幅為A，對(duì)于小孔耦合的情況，近似認(rèn)為入社波在每個(gè)孔處的振幅均相同，只是附加相位發(fā)生改變。令表示第n孔的正向電壓耦合系數(shù)，為第n孔的反向電壓耦合系數(shù)。多孔耦合器的耦合度C和方向性D表示為：
   
    式(7)中，第一項(xiàng)是隨頻率變化較慢的函數(shù)，代表單個(gè)小孔的方向性，而第二項(xiàng)是由于在求和中相位相消，所以是頻率的敏感函數(shù)。我們能夠選擇合適的對(duì)方向性綜合出所希望的頻率響應(yīng)，而耦合度應(yīng)該是相對(duì)不隨頻率變化的Bn。常用的綜合目標(biāo)函數(shù)可以是二項(xiàng)式響應(yīng)、巴特沃茲響應(yīng)和切比雪夫響應(yīng)等。實(shí)際工作中，Bn的大小需要通過調(diào)整波導(dǎo)開孔的大小、位置和形狀等來滿足。

    波導(dǎo)E面定向耦合器在波導(dǎo)寬邊上開孔。為實(shí)現(xiàn)3dB的耦合量，需要采用矩形孔，且孔的長(zhǎng)度正好等于波導(dǎo)寬邊，通過調(diào)整孔的寬度和距離來滿足正相波在耦合端口疊加到3dB，而反向波在吸收端口疊加減弱。這種結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)E面耦合器又稱為E面分支波導(dǎo)定向耦合器如圖5所示。

    本文設(shè)計(jì)了一個(gè)五級(jí)分支波導(dǎo)耦合器，在HFSS中建立的模型如圖6所示，仿真結(jié)果顯示，在圖7中，在26 GHz～34 GHz頻段內(nèi)，回波損耗低于-19dB，兩路輸出的幅度相差只有0．3dB，具有寬帶緊耦合的特性。圖8為2、3端口相位隨頻率變化的曲線，從圖中可以看出2、3端口的相位差為90°，與理論推導(dǎo)一致。圖9為3端口與2端口傳輸系數(shù)隨頻率變化的曲線，從圖中可以看出，在整個(gè)頻段內(nèi)S32<-20 dB，兩端口輸出隔離效果很好。圖為4端口與1端口傳輸系數(shù)隨頻率的變化曲線，在整個(gè)頻段內(nèi)，S41<-20 dB。

3 仿真結(jié)果分析
    從仿真結(jié)果可以很明顯的看出分支線定向耦合器的帶寬有限，只有2GHz～3CHz左右。從理上分于析，由于對(duì)λg／4微帶線寬的敏感，微帶分支線耦合器一般只能做到100％～20％，若要求頻帶更寬，可采用多節(jié)分支耦合器。但隨著級(jí)數(shù)的增多，耦合器的某些支節(jié)線會(huì)很細(xì)，由于工藝的限制，導(dǎo)致無法加工。
    相比于微帶分支線耦合器，波導(dǎo)耦合器的帶寬要比微帶分支線耦合器寬的多。本文仿真的波導(dǎo)耦合器在Ka波段展現(xiàn)出了良好的性能，不僅帶寬很寬，而且損耗很低?？梢詰?yīng)用在對(duì)于損耗要求很低的場(chǎng)合，例如低噪聲放大器的無源電路設(shè)計(jì)中。但是波導(dǎo)耦合器的尺寸相比之下要比微帶分支線耦合器大的多，在某些對(duì)電路尺寸要求很高的場(chǎng)合，微帶分支線耦合器反而更適用。

4 結(jié)束語
    本文根據(jù)耦合器原理，設(shè)計(jì)仿真出了一種微帶分支線耦合器以及波導(dǎo)E面耦合器。在Ka頻段內(nèi)，兩種耦合器都展現(xiàn)出了良好的性能。其中微帶分支線耦合器在29GHz～31GHz之間，輸入端口反射系數(shù)小于-23dB，兩個(gè)輸出端口的幅度不平衡度小于0．7dB；波導(dǎo)E面耦合器在26GHz～34GHz頻段內(nèi)，回波損耗低于-19dB，兩路輸出的幅度相差只有0．3dB。仿真結(jié)果表明，這兩種耦合器可以被廣泛的用在平衡式放大器以及其他微波通信系統(tǒng)中。