S频段宽带3dB定向耦合器的设计

西安交通大学城市学院 韩星星

S频段宽带3dB定向耦合器的设计

西安交通大学城市学院 韩星星

介绍了用宽边耦合来实现的2～3GHz、耦合度为3dB的宽带带状线定向耦合器，提出一种改进的宽带3dB电桥的设计方案，这种电桥具有体积小，差损低，稳定性好以及易于生产、调试的优点。利用HFSS软件进行优化设计，最终实测结果和仿真结果基本吻合，验证了研究结果的一致性。

3dB电桥；奇偶模分析法；小型化

1.引言

定向耦合器是微波系统中应用广泛的一种微波器件，它的功能是将微波信号按一定的比例进行功率分配。在实现各种功能的微波组件以及整机中，都能看到定向耦合器发挥作用[1]。3dB电桥是通信系统中常用的无源器件，尤其是在射频、微波电路与系统中应用广泛，本文描述的2-3GHz宽带3dB电桥是S频段馈源系统的重要组成部分，为了其使用在馈源中节省空间，有利于和其他器件连接，达到馈源系统小型化、紧凑型的目的，应使电桥体积小、稳定性好，并易于生产、调试。

2.基本原理

定向耦合器的主要技术指标有耦合度、定向度、隔离度、输入驻波比和工作带宽[2]。

微波电路理论中通常采用奇偶模分析法来推导定向耦合器的主要参数，定向耦合器输入传输线特性阻抗Z0与耦合线的偶模阻抗Zoe、奇模阻抗Zoo满足如下关系[3]：

根据耦合度定义可以推导出耦合度C和耦合系数k之间的关系为：

3.设计方法

3.1 宽边耦合带状线的分析

已知奇偶模阻抗Z0e和Zoe，填充介质的相对介质re以及上下接地板间距b的条件下：

3.2 计算W和S

采用上述奇偶模分析方法可以设计3dB定向耦合器。由于在耦合较强时，选择窄边耦合时微带线间距很细，工艺上很难保证其精度，所以选取宽边耦合的带状线的结构。

工作波段为S波段（2-3GHz），中心频率 f0= 2 .5GHz ，输入输出传输线特性阻抗 ，耦合系数 。(2)式计算出耦合系数为0.7079，由(1)式可求出奇偶模的特性阻抗分别为 z0o=z0=20.6778 z0e= 1 20.9025。选取上下介质板的间距为b=9.5mm，根据(3)-(4)式，再使用Ansoft公司的HFSS 11进行优化，得到W=1.6mm，S=0.4mm，耦合区的长度L为中心频率的四分之一波长，即L=20.7mm。

4.设计结果

根据上述计算数据，利用HFSS 11进行仿真分析，其模型如图1所示，设计的3dB电桥的基本指标为：频率2-3GHz，反射损耗<-27.9dB，隔离度>27.8dB，相位差（耦合口超前直通口） ，耦合度2.7-3.4dB。

5.改进的3dB电桥的设计

5.1 优化设计

上述图1中的3dB电桥虽然也能满足指标要求，但4个出口不在同一平面上，体积较大，作为前馈系统的重要组成部分，难以满足馈源系统小型化设计的要求，因此缩小3dB电桥的体积对整个前馈系统的小型化、紧凑型设计意义重大；另一方面，耦合棒中间的介质片不容易填充，容易引起两个耦合棒的松动，不易定位，影响耦合器的特性。因此，我们重新设计出了一种耦合片式的3dB定向耦合器，其模型如图2所示。这种电桥4个出口在同一平面上，体积小，差损低，稳定性好，并且具有易于生产、调试的优点。

5.2 设计结果

根据同样的设计方法得到设计的3dB电桥的基本指标为：频率2-3GHz，反射损耗<-23.1dB，隔离度>23.5dB，相位差（耦合口超前直通口） ，耦合度2.87-3.21dB。

5.3 实验结果

改进的3dB电桥采用平行耦合带状线结构，接口均为SMA-K。耦合片之间的介质片为聚四氟乙烯材料，介质片厚度过大（耦合缝隙大），耦合量变小，反之，耦合量变大。按设计要求介质片厚度为0.39毫米，实际加工精度可达到0.35-0.4毫米，实际调试中的厚度可以在这个范围内选取。电桥测试利用Agilent E8363C矢量网络分析仪，测试结果各项技术指标记录为：频率2-3GHz，反射损耗<-25.9dB，隔离度>29.0dB，相位差（耦合口超前直通口） ，耦合度2.87-3.10dB，可以看出最终测试的各项指标都达到了设计的要求。

图1 3dB耦合器的HFSS仿真模型

图2 改进3dB耦合器的HFSS仿真模型

6.结论

本文介绍了带状线定向耦合器的设计方法，使用耦合带状线的方法设计出带宽为2-3GHz，耦合度为3dB的定向耦合器，指标性能优异。并改进了电桥的结构，具有体积小，差损低，易于生产、调试等优点，根据仿真结果制作了实物，实物测试结果与仿真结果基本一致，达到了设计指标的要求。

[1]徐嗣范.微波元件原理与设计[M].北京:人民邮电出版社,1982:168-171.

[2]顾继慧.微波技术(第1版)[M].北京:科学出版社,2004.

[3]清华大学编写组.微带电路[M].北京:人民邮电出版社,1975.

韩星星（1983—），女，山西吕梁人，硕士，现供职于西安交通大学城市学院物理教学实验中心，研究方向：电磁场与微波、无线电物理。