小型化超宽带3 dB定向耦合器设计.pdf

2024 年 2 月第 1 期 现代导航 45 小型化超宽带 3 dB 定向耦合器设计 王 敏1，史庭磊2，王 拓1（1 中国电子科技集团公司第二十研究所，西安 710068；2 西安电子科技大学，西安 710071）摘 要：设计并实现了一个小型化超宽带 3 dB 定向耦合器，采用对称多节耦合带状线的形式，由一个十七阶耦合器和一个五阶耦合器交叉串联构成，并通过采用弯折线，缩减了整体尺寸，可实现 13:1 倍频程的工作带宽。测试结果表明，在 0.22.65 GHz 频率范围内，电压驻波比小于1.35，隔离度小于-17 dB，带内波动为-3.40.6 dB，能够实现 90相移。关键词：超宽带；带状线；交叉串联 中图分类号：TN822 文献标志码：A 文章编号：1674-7976-(2024)-01-045-04 Design of Miniaturized Ultra-Wideband 3 dB Directional Coupler WANG Min,SHI Tinglei,WANG Tuo Abstract:A miniaturized ultra-wideband 3 dB directional coupler working in 0.22.65 GHz is presented,which adopts symmetrical multi-section coupling strip line.The coupler is composed of a seventeen-section coupler and a five-section coupler in cross series.By using meander lines,it achieves a compact size with 13:1 bandwidth.The measured results show that the Voltage Standing Wave Ratio(VSWR)is less than 1.35 within the bandwidth covering 0.22.65 GHz,the isolation is less than-17 dB,the in-band ripple is within-3.40.6 dB,and 90phase shift can be achieved.Key words:Ultra-Wideband Directional;Stripline;Cross Series 0 引言 3 dB 带状线定向耦合器利用紧耦合方式，可以在很宽频带范围内实现 90相移和良好的阻抗匹配特性，这使得它被广泛应用在各种微波系统中。譬如，可以结合双线极化宽带天线，形成双圆极化信号；也可以作为关键移相器件应用在宽带多波束合成网络中。在设计方面，国内外专家学者都对此展开了相关研究，主要设计方法可总结为两种，一种方法是采用一个多级耦合器来实现。在文献1中，采用 收稿日期：2023-09-19。王敏（1988.05），山西静乐人，硕士，高级工程师，主要研究方向为天线与微波设计。了三阶耦合带状线，可在 0.692.7 GHz 频带内得到较好的结果。在文献2中，研究了在超宽带定向耦合器不连续处使用支节进行补偿的方法，实现了9:1 倍频的定向耦合器。在文献3中，给出了宽边耦合带状线耦合器的综合方法，同时研究了带状线厚度和侧向屏蔽的影响。在文献4中，设计了三阶耦合线宽带定向耦合器，提出了一种电容补偿方法，可实现 4:1 倍频程的 3 dB 定向耦合器。另一种方法是使用多个耦合器交叉串联实现超宽带特性5，在文献6中，将不同阶数的耦合器进行交叉串联，实现了 5:1 倍频程的 3 dB 定向耦合器。在文献7中，则用两个相同的三阶耦合器交叉串联，实现了两倍频的工作带宽。文献8将两个阶数相同的耦合器交叉级联，通过提高阶数实现了能够覆盖0.518 GHz 的超宽带 3 dB 定向耦合器。46 现代导航 2024 年 本文将两个不同阶数的耦合器交叉级联，设计出了一种工作在 0.22.65 GHz 的超宽带 3 dB 定向耦合器，同时采用弯折的交错耦合带状线实现其中阶数较多的耦合器，使 3 dB 耦合器满足了小型化要求，本设计耦合器的电尺寸约为 0.11min，而上述宽带耦合器中尺寸最小的约为 0.2min，小型化效果明显。该耦合器在频带内驻波比小于 1.35，隔离度小于-17 dB，带内波动小于 0.6 dB，相移为 912.5。1 工作原理 定向耦合器是一个四端口网络，由两条平行传输线构成，包括输入端口、直通端口、隔离端口以及耦合端口，其中直通端口和耦合端口存在 90的相位差。宽带 3 dB 定向耦合器通常采用交错耦合带状线进行设计，交错耦合带状线是两条带线上下交错排列，如图 1 所示，其耦合度介于侧边耦合和宽边耦合之间。在文献6中提出了交错耦合带状线的公式，其中强耦合条件为 00.3510.7wswws （1）弱耦合条件为 00.35120.851wsws （2）图 1 交错耦合带状线结构示意图 3 dB 交错耦合带状线耦合器的设计可以从电路仿真入手，根据工作频带范围为 0.22.65 GHz 以及带内电压驻波比小于 1.2，通过综合可以估算出耦合器阶数并进行交叉级联。然后，在 Microwave Office 软件中进行电路建模，并对各阶奇偶模阻抗进行优化。本文中的 3 dB 耦合器采用三层介质板层叠形成，三层介质板均为 Rogers 5880，介电常数为2.2，中间层介质板厚度为 0.127 mm，上下两层介质板厚度均为 1.5 mm，其中交错耦合带状线印制在中间层介质板的上下表面。通过综合，耦合器阶数分别为十七阶和五阶，其中十七阶耦合器各阶奇偶模阻抗如表 1 所示。表 1 十七阶耦合器各阶奇偶模阻抗 偶模 阻抗/奇模 阻抗/Ze1 162.9 Zo1 15.3 Ze2 159.9 Zo2 15.6 Ze3 119.5 Zo3 20.9 Ze4 96.1 Zo4 26.0 Ze5 94.4 Zo5 26.5 Ze6 71.1 Zo6 35.2 Ze7 75.0 Zo7 33.3 Ze8 61.1 Zo8 40.9 Ze9 62.9 Zo9 39.7 2 仿真设计 根据优化后的各阶奇偶模阻抗以及介质板参数，可进一步得到各阶交错耦合线的物理结构尺寸，并在商业三维电磁仿真软件 Ansys HFSS 中建模。为了进一步减小 3 dB 耦合器的外型尺寸，对十七阶耦合器的交错耦合线进行了弯折处理，实现了小型化，最终外型尺寸约为 171.1 mm60.4 mm。同时，在不同阶连接处加载了开路枝节，以减小结构不连续带来的影响，最终结构如图 2 所示。（a）俯视图 （b）侧视图 下金属盖板 第 1 期 3 dB 定看出，在 0.电压驻波比端口 4 隔离端口 1 输入901。从倍频的超宽1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 1.0 电压驻波比 0-10-20-30-40-50-60 隔离度/dB 0-1-2-3-4-5-6 耦合度/dB 端口1端口3（c）图 2 耦合器定向耦合器的22.65 GHz比小于 1.35，离度小于-17 d入、端口 3 输从上述结果可宽带工作范围（a）宽带耦合（b）（c）端口 30.5 1.0 0.5 1.00.5 1.0 王端口2端口4端口定义图 器模型及端口定的仿真结果如的频率范围端口 1 和端dB，传输系数输出与端口 4看出，该耦合围，并具有较合器四个端口驻波端口隔离度 3 和端口 4 耦合度 1.5 2频率/GHz 0 1.5 频率/GHz 1.5 2频率/GHz 王敏等：小型化 定定义 如图 3 所示，可内，四个端口口 2、端口数为-3.20.54 输出的相移合器实现了较好的指标性波比 度.0 2.5 2.0 2.5 2.0 2.5 化超宽带 3 dB可以口的3 和dB，移为13:1性能。3 耦合间三口采定向工作口 2相移合良真时该了超定向耦合器设实物测试对耦合器进合器实物如图三层介质板，采用 SMA 连采用 AV36向耦合器进行作频率范围内2 隔离度小于移为 912.5良好，实测传时介质材料损3 dB 定向耦超宽带工作特图 401009692888480相位差/()0.1.51.41.31.21.11.0驻波比 设计（d）相位图 3 耦合器试 进行加工和测图 4 所示，利并用螺丝进连接器，并固672B 矢量网络行了测试，测内电压驻波比于-17 dB，传5。电压驻传输系数略差损耗角正切过耦合器仍在紧特性。4 超宽带 3 dB（a）端口 10.5 1.0 频率.5 1.0 频率位差 器仿真结果 测试。该 3 dB利用上下金属进行紧固，输定在上下金络分析仪对测试结果如图比小于 1.4，端传输系数为-3驻波比仿真和差于仿真结果过于理想导致紧凑外型尺寸B 耦合器实物 驻波比 1.5 2.0 率/GHz 1.5 2.0 率/GHz 47 超宽带定向属盖板压紧中输入和输出端属盖板上。3 dB 超宽带图 5 所示。在端口 1 和端3.40.6 dB，和实测结果吻果，是由于仿致。尽管如此寸情况下实现 2.5 2.5 端带在端吻仿此，现 48 4 结语 本文设的耦合器相外型尺寸，约为-3.40 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 1.0 驻波比 0-10-20-30-40-50 隔离度/dB 0-1-2-3-4-5-6 耦合度/dB（b）端（c）（d）端口 3图 5 耦设计了一种超相比，在实现其实测电压0.6 dB，同时0.5 1.0 0.5 1.0 0.5 1.0 端口 2 驻波比 端口隔离度 3 和端口 4 耦合度耦合器测试结果超宽带 3 dB 耦超宽带的前提压驻波比小于时能够实现 9 1.5 2频率/GHz 1.5 频率/GHz 1.5 频率/GHz 度 果 耦合器，与已报提下具有紧凑1.4、带内波90相移，变2.0 2.5 2.0 2.5 2.0 2.5现代导航 报道凑的波动变化仅在耦合耦合参考12345678在2.5内。合器的设计提合器可应用于考文献：董文庆.宽带都：电子科技S.M.MoKhosravani-MTest of a CouplerC.2Engineering，I.Schmale.SThick Striplin2006 Europea21-24.S.GruszczynBroadband Symmetrical Stripline TechConference，J.P.SheltonWide-band EqFixed Phase Theory and Te周萌.带状线电子科技大学蔡德龙，刘成波带状线定向145-148.M.Anselmi，Realization ofGHzC.2014Rome，2014：。本文为超宽提供一种思路于各种微波系带耦合线定向耦技大学，2014.ousavi，S.Moghaddam，etBroadband H2015 23rd IranTehran，2015Synthesis of Hines Including Nan Microwave Cnski，K.WinczLow-loss 3 dB DirectihnologyC.20Yokohama，20，J.A.Moskqual-ripple TEShiftersJ.IEEechn，1966，1线定向耦合器的学，2009.成安，蔡钟斌，向耦合器设计M.Pingue，Af 3 dB Hybrid 4 44th Europe：464-467.宽带、小型化路，所设计的系统中。耦合器的综合与A.Mirtahert al.Design，FHigh Directivitnian Conference5：168-170.igh-power BroNarrow LateralConference,Maza，K.SachseCoupled-line onal Coupler 010 Asia-Pacif010：1228-123ko.Synthesis aEM DirectionalEE Transaction14（10）：462-的分析与设计D等.基于奇偶J.测控技术A.Manna，et Stripline Coupan Microwave2024 年化 3 dB 定向超宽带 3 dB与设计D.成ri，M.A.Fabrication andty Directionale on Electricaladside-coupledl ShieldingC.anchester，2006e.Design of aMultisectionin Suspendedfic Microwave31.and Design ofl Couplers andns on Microw.-473.D.西安：西安偶模分析法的微，2017（2）：al.Design andpler in 0.5-18.0 Conference，B成.d l l d.6：a n d e f d.安微 d 0