一种弱耦合非对称渐变线定向耦合器的快速设计

雷争军，刘 恒，张 斌

（兰州军区 68129部队，甘肃 兰州 730060）

一种弱耦合非对称渐变线定向耦合器的快速设计

雷争军，刘 恒，张 斌

（兰州军区 68129部队，甘肃 兰州 730060）

给出了一种快速设计任意弱耦合非对称渐变线定向耦合器的方法，以线性渐变为基础，通过仿真优化获取最优渐变，摆脱了传统方法中的复杂运算。为改善定向耦合器在频率高端的定向性，在结构上引入了锯齿加载。设计了一个带宽为0.5GHz到20GHz，耦合度为-25dB的定向耦合器，利用三维电磁仿真软件HFSS进行了结果验证。

弱耦合；定向耦合器；渐变线；HFSS

定向耦合器作为一种具有方向性的功率分配器件，在微波通信领域得到广泛应用。随着通信网络的不断升级换代，在民用通信领域工作频率向更低频覆盖，在军用通信领域工作频率向更高频扩充，这都对定向耦合器的带宽提出了更高要求。传统阶梯型定向耦合器的综合能满足基本的中等带宽设计需要，但由于节间过渡不连续性的存在，导致其在频率高端的响应变得不再精确可控，且节数增加会导致器件的设计长度增加，这与微波器件的小型化要求是相背离的，故在超宽带设计中，传统阶梯型定向耦合器综合变得不再适用。针对这一问题，引入了渐变线定向耦合器的设计综合方法[1]，F.Arndt在文献中给出了非对称切比雪夫高通定向耦合器在耦合度分别为-3.01 dB，-6.02 dB，-8.34 dB，-10 dB 和-20 dB 不同波纹下的耦合系数列表，并论证了对耦合线长度进行40等分，取41个样点，基本能够实现对渐变线耦合器的性能模拟[2]。在指标确定的情况下，非对称切比雪夫高通定向耦合器可实现最小尺寸，但理论推导较为复杂，且目前所给列表不太完全。同时频率高端定向性能的恶化依然存在，为设计综合增加了不确定性，故其定向性能的改进性研究变的较为迫切。

1 原理分析

定向耦合器一般分为同向定向耦合器与反向定向耦合器，其特点分别是：同向定向耦合器：S11=S14=0 （1）

1.1 设计初值的获取

耦合波纹为

其中，k（0）和k（1）分别为定向耦合器的始端和末端电压耦合系数，而A为末端和始端两者电压耦合系数的比，可表示为 A=k（1）/k（0）。

1.2 耦合渐变线长度

式中λc为最地工作频率对应的波导波长，而β2和h2可分别由下式确定

关于渐变线的长度的选取，可由以下公式得到：

式中C1和C2分别为最大和最小电压耦合的平方

其中S13m为平均电压耦合，δ为电压纹波比。

1.3 获取各节的偶模阻抗初值和各节的初始电长度

若已知耦合度 Cav±ΔC/2，则有 Cmax=C+ΔC/2，故可获取平均耦合和耦合波纹的数值表示为

又有电长度 θ=βl=2πl/λ，且有（5）式，则可求得耦合线的总的电长度。借助（3）式和（4）式，可求得始端和终端电压耦合系数

又有电压耦合系数和偶模阻抗之间的变换关系获取始端和终端的偶模阻抗，其中Zo为耦合线的特性阻抗

假定耦合线偶模阻抗40等分且耦合线的偶模阻抗呈线性变化，则有各节的偶模阻抗值为

1.4 优化获取各节最佳偶模阻抗

L.Young在文献中给出了定向耦合器和阶梯阻抗滤波器的等效分析方法[3]，故我们可以在AWR中建立如图1所示的电路模型来简化分析，模型中 Zoe（1）和 ΔZoe（i）为独立变量，而 Zoe（i）为非独立变量，可表述成（11）式的形式。 以 Zoe（1）和ΔZoe（i）为优化变量，以反射系数为优化目标进行优化，可快速获取一组ΔZoe（i）的值，待优化完成，求出各节的偶模阻抗值。在优化过程中，可适当调节每一节的电长度，以期望得到最小尺寸。

图1 定向耦合器的等效电路图Fig.1 Equivalent circuit diagram of the directional coupler

借助奇偶模阻抗和特性阻抗之间的关系Z00=Z20/Zoe，获取奇模阻抗的值，进而选定耦合结构，综合出各节的物理尺寸并拟合出渐变线的函数曲线，最终在HFSS中建模优化，完成初始设计。

2 仿真与测试结果

设计了一个工作在 0.5～20 GHz，Cav=－25 dB，ΔC=0.2 dB的弱定向耦合器。由设计指标并结合节1.2，可获取每一节的电长度为3.113°，最初的偶模阻抗值为55.98 Ω，节间阻抗差值为0.147 8 Ω。然后把该初值代入如图1所示的电路模型，以反射系数（等效于耦合器的耦合系数）为优化目标，进行优化，可获取一组最优值，每一节的偶模阻抗值Zoe=[55.821 55.562 55.299 55.051 54.798 54.560 54.332 54.110 53.892 53.684 53.478 53.285 53.098 52.910 52.744 52.568 52.412 52.250 52.097 51.956 51.819 51.686 51.562 51.438 51.329 51.212 51.116 51.012 50.922 50.833 50.744 50.670 50.593 50.530 50.460 50.398 50.347 50.291 50.241 50.200 50.138]，每一节的电长度EL=2.85。

在结构的实现上，我们可采用耦合带状线，因为要实现的耦合强度比较小，故我们可采用窄边耦合[4]。令εr=2.65，b=3.048 mm，t=0.02 mm，则 L=119.63 mm，进一步可求解得出每一节耦合带状线的宽度和间距分别为

借组MATLAB软件进行曲线拟合，获取耦合渐变线的描绘函数，描绘曲线如图2所示。

图2 函数曲线图Fig.2 Function graph

把上述函数导入HFSS进行三维建模仿真，仿真结果如图3所示。

图3 仿真结果Fig.3 Simulation results

隔离度和驻波随着频率升高逐渐开始恶化，为了改善这两个指标，工程上通常的做法是引入加载枝节或引入锯齿[5-6]，此处我们采用第二种方法。通常锯齿加载在强耦合的一端，会对指标有比较大的扰动，在设计中通过优化齿的位置、个数、深度和齿间距，可以找出一组最优值。优化后的仿真模型和仿真曲线如图4和图5所示。

图4 优化仿真模型Fig.4 Optimize simulation model

图5 优化仿真曲线Fig.5 Optimize simulation curve

3 结 论

文中给出了一种快速设计弱耦合渐变线定向耦合器的方法，并结合一个具体的示例论证了这种方法的切实可行性。为了改善频率高端的定向性，文中采用锯齿加载结构来补偿电路性能，通过加载前后的数据对比，可以发现改善明显，进而为未来定向耦合器定向性能的改善指明了方向。

[1]Arndt F.High-pass transmission-line directional coupler[J].Micro-wave Theory Tech，1968，16（3）:310－311.

[2]Arndt F.Tables for asymmetric Chebyshev high-pass TEM-mode directional couplers[J].IEEE Trans.MTT，1970，18（9）:633－638.

[3]Young L.The analyticalequivalence ofTEM-mode directional couplers and transmission line stepped impedance filtem[J].Proc.Instlt.Elect.Eng.，1963，110（2）:275－281.

[4]Cohn S B.Shielded Coupled-Strip transmission line[J].Microwave Theory Tech，1955，3（8）:29－38.

[5]李勇，王江涛.S波段小型Lange耦合器的应用设计[J].微波学报，2011，27（5）：60－63.

LI Yong，WANG Jiang-tao.Applied design of miniature lange couplers in S band[J].Journal of Microwaves，2011，27（5）：60－63.

[6]禇庆昕，孙晶菁，林峰.新型宽频率比双频分支线耦合器的设计[J].华南理工大学学报：自然科学版，2011，39（7）：21－25.

CHU Qing-xin，SUN Jing-jing，LIN Feng.Design of novel dual-band branch-line coupler with wide-range frequency ratio[J].Journal of South China University of Technology:Natural Science Edition，2011，39（7）：21－25.

Rapid design of a weakly coupled asymmetric gradient line directional coupler

LEI Zheng-jun，LIU Heng， ZHANG Bin
（68129 Unit， Lanzhou Military Area， Lanzhou 730060， China）

A rapid design any weak coupling asymmetric gradient line directional coupler method， based on a linear gradient，the optimal gradient obtained by simulation and optimization，to get rid of the traditional method of complex computing.Directivity in the frequency of the high-end，in order to improve the directional coupler structure introduces a sawtooth load.Design a bandwidth of 0.5GHz to 20 GHz， the degree of coupling of-25 dB directional coupler， the results demonstrate the use of three-dimensional electromagnetic simulation software HFSS.

weak coupling； directional coupler； gradient line； HFSS

TN802

A

1674－6236（2013）08-0161-03

2012-11-15稿件编号201211122

雷争军（1971—），男，陕西富平人，高级工程师。研究方向：雷达新技术和装备保障资源建设。