基于小型化微帶雙分支定向耦合器的設計方案

該方案應用HFSS軟件對結構進行了優(yōu)化仿真設計，并制作和測量了一款工作在L波段用于海事衛(wèi)星通信的微帶耦合器樣件。該耦合器樣件比傳統雙分支定向耦合器面積縮小了51%,實測結果與仿真結果吻合較好，驗證了方案的可行性。

0 引言

近年來，通信技術取得了長足快速的發(fā)展，微波通信設備也隨之發(fā)展起來。如今通信設備趨于小型化、便攜化，這對通信設備中無源器件的尺寸縮小提出更高的要求。

定向耦合器具有簡單的結構以及良好的方向性，在微波通信中得到了較為廣泛的應用。定向耦合器的種類從結構上分有微帶型、波導型和同軸型等;從耦合方式上有分支線耦合、微帶平行耦合線耦合、小孔耦合等。傳統微帶形式的定向耦合器無法克服所占面積較大的缺點，因此限制了其在便攜微波設備上的應用。目前，定向耦合器的小型化已經成為了一個熱門的課題。

1通過補償電容，提高了耦合器的方向性并減小了尺寸;2通過引入多個開路枝節(jié)，實現了微帶混合環(huán)的小型化;3采用了T型等效的方法實現了小型化;4采用了主線、副線以及耦合線的魚骨形等效實現了小型化，避免了T型等效的中心重疊問題。但3-4僅僅是理論上的仿真，并沒有考慮到實際微波器件的耦合效應。

本文基于前人的研究成果，提出了一種小型化的微帶雙分支定向耦合器的設計方案，有效地解決了T型等效的中心重合問題以及主線、副線以及耦合線的魚骨形等效的耦合失真嚴重的問題。利用HFSS軟件進行仿真優(yōu)化設計，并做出了實物進行測試。

1 定向耦合器的小型化設計

傳統微帶雙分支定向耦合器的結構示意圖如圖1所示，分支線長度及其間距均為1 4 中心相波長。其輸入、輸出端口的特性阻抗為Z0 ,AB段與DC段的特性阻抗為2 Z0 ,AD 段與BC 段的特性阻抗為Z0 .由于1已經給出了詳盡的原理解釋以及設計公式，本文將不再贅述。

然而，傳統的微帶雙分支定向耦合器尺寸較大，本文通過傳輸線的對稱等效，設計了一種小型化的微帶雙分支定向耦合器。傳統微帶雙分支定向耦合器分支線的等效電路示意圖如圖2所示。

由等效前后A 矩陣相等，已知θ1 = 90° ,可得：

將四段分支線進行T型等效后發(fā)現，定向耦合器中心部分發(fā)生重疊，這會產生嚴重的耦合現象，影響定向耦合器的性能。在考慮定向耦合器的耦合效應的前提下，對分支線AB及DC段的T型等效進行進一步等效，其等效示意圖如圖2(c)所示。

同理，由A 矩陣相等得到：

2 仿真及實驗結果

根據上述分析和計算，設計了一款應用于海事衛(wèi)星通信的小型化微帶雙分支定向耦合器。中心頻率為f 0=1.6 GHz,頻率范圍為1.5~1.7 GHz,輸入/輸出端口阻抗Z0=50 Ω。選用F4B 系列微波介質材料板，相對介電常數為εr=2.65,損耗角正切tan δ=0.002,厚度h=2 mm.利用HFSS仿真軟件進行大量的仿真優(yōu)化，得到最佳的電路尺寸。最終加工實物如圖3所示。

使用AV36580A 矢量網絡分析儀對加工的定向耦合器進行了實際測量。圖4給出了各端口S參數HFSS仿真和實測結果的對比。由圖4可知，在1.5~1.7 GHz工作帶寬內S11 < -15 dB,中心頻率1.6 GHz 處S11<-20 dB,各輸入端口實現了良好的匹配。隔離口S41<-20 dB實現了良好的隔離。直通端與耦合端的功分效果良好，在所要求的頻帶范圍內功分比最大相差0.5 dB.測試結果與仿真結果有著較好的一致性。測試結果與仿真結果的偏差可能來自于實際材料的誤差以及雕刻機加工精度的限制。

3 結論

本文提出了一款小型化的微帶雙分支定向耦合器的設計方案。該方案基于傳統微帶雙分支定向耦合器的原理，對分支微帶線的結構進行等效，等效后的雙分支定向耦合器較傳統的雙分支定向耦合器面積縮小了51%,實現了微帶雙分支定向耦合器的小型化，最終加工了實物，給出了測試結果。實測結果表明該微帶雙分支定向耦合器在整個設計頻帶內具有良好的匹配、功分以及隔離的性能。該定向耦合器已成功應用于海事衛(wèi)星通信天線饋電系統。