微带分支线定向耦合器的小型化

陈 佳，张绍洲

（1.新疆大学 电气工程学院，新疆 乌鲁木齐 830047；2.宁波大红鹰学院 机电学院，浙江 宁波315175）

定向耦合器在微波技术中有着广泛的应用，如用来检测功率、频率和频谱；把功率进行分配和合成；构成雷达天线的收发开关；是平衡混频器和测量电桥中重要组成部分；还可以利用定向耦合器来测量反射系数和功率等。目前迅速发展的通讯领域中，平面结构的定向耦合器得到了越来越广泛的应用如用于军事通信[1]、雷达系统[2]、移动通信的微波系统中的传输、测试、定位等领域，并广泛应用在室内覆盖、WLAN、小区覆盖等系统中。

但是传统的定向耦合器占电路面积太多，在迅速发展的微波集成电路（MIC）和单片微波集成电路（MMIC）中，微带元器件是微波系统中的核心器件扮演着不可或缺的角色，因此定向耦合器的性能成为制约系统性能和技术水平的关键。而通信系统的设备尺寸实现小型化，相应也要求应用其中的微波器件实现小型化。这些都使得研究定向耦合器的宽带小型化具有重要的现实意义，因此降低成本，提高性能和集成度使微带元器件的小型化理论成为发展的趋势。

文中主要采用传输线等效的方法将四分之一波长传输线等效为在中间加接终端开路短截线将其转化成T型微带线，使其小型化。但是终端开路短截线与主线的连接处很宽而且主线和副线的终端开路的微带线之间距离很近，对于传输信号会相互耦合，影响定向耦合器特性产生影响，因此对终端开路线进行进一步的等效。设计得到的3 dB定向耦合器的参数满足要求，为其在通信系统中的应用奠定了基础。

1 等 效

1.1 传输线缩短

将电长度为的传输线等效[3]为T型传输线：

图1 传输线等效T型图Fig.1 Equivalent T-shaped transmission line of traditional line

此时两等效电路的参数应相等：

微带分支线定向耦合器的主线和缩短后的T型微带线的特性应该相同，因此它们的A参数应该相等，利用这一原理可以得到4个关于A、B、C、D的等式，选用对称结构且，等式最后整理如下：

图2 等效T型缩小化微带分支线定向耦合器Fig.2 Miniaturized microstrip branch-line coupler by T-shaped transmission line

由以上公式，对于Z0=50 Ω的四分之一波长微带线所取各 值 为 ：M=2，K=4.3， 求 得 Z1=Z3=100 Ω，θ1=θ3=26.59°，Z2=23.21 Ω，θ2=27.77°。

对于Z0=50Ω的四分之一波长微带线所取各值为：M=2.2，K=3.3，求得 Z1=Z3=77.2 Ω，θ1=θ3=24.38°，Z2=23.21 Ω，θ2=27.77°。

通过理论计算及ADS中参数计算可得到缩小化的微带分支线定向耦合器，缩小后的定向耦合器面积约为传统定向耦合器面积的55%。

1.2 对终端开路传输线等效

一条微带线经过等效[4]后在中间加接终端开路短截线可以使原来的微带线缩短，但终端开路短截线与主线的连接处很宽，而且中间部分还可能会相互交叠，这就对定向耦合器的参数产生影响，所以将终端开路线做成十字型微带线如图3所示。

图3 对称型T型结构到十字型结构微带线的示意图Fig.3 Symmetric T-structure to the cross-shaped structure diagram of the microstrip line

对于终端开路的短截线其等效电路图3所示的A参数为：

将微带终端开路短截线用鱼骨型微带线代替，鱼骨型微带线的等效电路图4所示的A参数为：

图4 鱼骨型微带线的等效电路Fig.4 Equivalent circuit of the fish-bone microstrip line

由两者的A参数相等可以得到：

然而对于T型结构中短截线的Z2，θ2的等效电感值和电容值也可以用式（8）和式（9）计算得到。

其中为微带线的特性阻抗，ω=2πf，θ2为微带线的电长度。

利用求得的 L 和 C 的值可以确定 L1，L3…L2n+1和 C2，C4…C2n的值。从而确定鱼骨型结构中每条微带线的尺寸，在文中n=1，鱼骨型就变成十字型。

1）Z0=50 Ω的四分之一波长微带线小型化的参数：

2）Z0=50Ω的四分之一波长微带线小型化的参数：

2 十字型微带线小型化3 dB分支线定向耦合器和ADS仿真

利用上面的Z0=50 Ω和Z0=50Ω的四分之一波长线的各项参数进行微带线长宽的计算，得出十字型微带分支线定向耦合器的结构及其各项尺寸如上图5和表1所示。

用ADS软件对上面的电路图进行S参数仿真，仿真的S参数如下图6所示。仿真后与标准3 dB分支线定向耦合器的S参量进行特性比较，可以看出十字型微带分支定向耦合器的S参量特性曲线基本满足要求，在中心频率处，直通端口和耦合端口的相位差也满足要求。但在高于1.5 GHz处S参数特性曲线产生畸变，除S11外S21、S31、S41均出现不同程度的衰减。这可能是由于微带线不连续性、不均匀性或者各微带之间的相互干扰造成的[5-7]。在具体制作电路过程中，可以做些相应的处理来避免这种情况，此小型化方案在理论上时可行的。

图5 十字型微带分支线定向耦合器版图Fig.5 Layout of cross-shaped microstrip branch-line coupler

表1 十字型微带分支线定向耦合器微带线参数尺寸Tab.1 Sizeofcross-shapedm icrostripbranch linem icrostrip coupler

图6 十字型微带定向耦合器的S参数频率特性曲线Fig.6 S-parameter curve of cross-shaped microstrip coupler

3 结 论

文中主要通过将微带线接终端开路线使定向耦合器的四分之一波长的微带线缩短，为防止出现终端开路线离得过近而出现相互间的电磁耦合影响同时进一步缩短耦合器面积，又用等效方法将终端开路线等效成十字型的微带线，最终得到的十字型双分支微带定向耦合器约为传统定向双分支定向耦合器面积的36%，实现了小型化。

[1]田佳峻，姚勇，赵新辉，等.自由空间光通信的抗干扰接收系统[J].红外与激光工程，2009，38（1）:96-100.TIAN Jia-jun， YAO Yong， ZHAO Xin-hui.Anti-jamming receiver system of free space optical communication[J].Ifrared and Laser Engineeering，2009，38（1）：96-100.

[2]朱畅，冯起，袁乃昌.新型定向耦合器在DIFM中的应用[J].现代雷达，2006，28（2）:60-63.ZHU Chang， FENG Qi， YUAN Nai-chang.A novel directional coupler and its application to DIFM receiver[J].Modern Radar，2006，28（2）：60-63.

[3]Liao S S,Sun P T,Chin N C.A novel compact-size branchline coupler[J].IEEE Trans.Microw.Theory Tech，2005，15（9）：588-590.

[4]Liao S S,Peng J T.Compact planar micro-strip branch-line couplers using the quasi-lumped elements approach with nonsymmetrical and symmetrical T-Shaped structure[J].IEEE Trans.Microw.Theory Tech，2006，54（9）：3508-3513.

[5]清华大学“微带电路”编写组.微带电路[M].北京：人民邮电出版社，1976.

[6]王新稳，李萍.微波技术与天线[M].北京：电子工业出版社，2006.

[7]Liao S S,Peng J T,Gun C Y,A super compact planar microstripline rat-race coupler[J].Microw.Opt.Technol.Lett，2005，47（3）:302-304.