简易高定向耦合器

万继伟

(南京电子技术研究所， 南京210039)

0 引言

随着军事雷达技术的发展，对雷达性能的监测要求越来越高。只有对雷达性能形成有效的监测，才能对雷达的状态进行干预，从而保证雷达工作在最佳状态。

现代的相控阵雷达大多采用带线体制的耦合器来实现，因为这种耦合器从理论上来说传输标准TEM波，其定向性可以得到有效保证［1-2］。但实际工程中由于印制板色散等原因，不可避免地会出现定向性的下降。在一些特定场合由于工程原因，也有采用微带线体制来制作耦合器，由于微带线传输的是准TEM波，所以其定向性在理论上就不好。为了解决定向性不好的问题，通常有一些解决办法［3-4］。但这些设计方法无不对加工精度要求较高。即使带线的耦合器借鉴这些办法，也不符合批生产要求。随着现代雷达规模的越来越大，其耦合器的使用规模也越来越大，一个大型雷达的耦合器数量可以达到数千只，要想保证这么多耦合器大量生产，而且全部达到高定向性，其生产难度和调试难度可想而知［5］。

本文针对S波段雷达中需要使用的耦合器，提出了一种较为简易的方法来提高带线耦合器的定向性，使得带线耦合器既满足工程需要，又能很好地满足大量生产要求。结合少量的调试即可保证耦合器的大批量生产成功率。其设计方法可以运用到其他频段以及微带体制的耦合器中。

1 带线耦合器定向性

由于带线内传输的为标准TEM波，所以，经过奇偶模理论分析可以得知该耦合器是存在较好的定向性。但常规耦合器的定向性在实际仿真时只能达到20 dB左右，如图1所示。实际工程中存在加工误差、印制板的不均匀性等各种因素，实际加工的耦合器定向性通常在17 dB～18 dB，大量生产定向性甚至只能达到15 dB。如果需要达到理想的20 dB，则对印制板及壳体的加工、印制板均匀性等需要提出较高的要求，而这会大大增加其加工成本。要提高定向性，也可借鉴微带传输提高定向性的方法，在耦合段增加耦合电容，但这些方法无不增加了生产难度。而本文通过增加其耦合段补偿电容的办法提高其定向性，最大的优势在于几乎不增加任何加工难度，其工程性更好。

图1 常规耦合器与定向性仿真图

2 增加耦合器定向性

增加耦合器的定向性是采用增加耦合段电容的方法来实现的。由于借鉴了微带耦合器的设计方法，其理论依据见文献［1］，这里就不再赘述。为了减少加工难度，增加耦合段电容是用两段终端开路传输线来实现的，如图2所示，该耦合器设计中心频率为3 GHz，耦合度为20 dB。通过这两段终端开路传输线的长度及宽度来调节耦合器的性能。耦合段的线宽也可稍做调整。

图2 增加终端开路传输线的耦合器与其定向性仿真图

图3为改进前后定向性的对比图，通过该图可以看出其定向性在较宽的带宽内均有5 dB以上的改善。

图3 改进前后的定向性对比

定向性即使有所下降，也能满足其定向性为20 dB的要求，大大降低了工程制作难度。而实测数据也很好地证明了该方法是切实可行的。加工出来的耦合器95%以上可以满足20 dB定向性要求，另有5%稍做调试也可以满足该项指标。

3 改进后耦合器的缺点及定向性其他因素

这种定向性的改进也是有代价的，由于增加了两段开路传输线，其耦合段的驻波带宽相比于原来的耦合器较窄。图4为两种耦合器的耦合端驻波对比图，虽然定向性得到了较大程度地提高，但驻波的带宽变得较窄。

从图4中可以看出由于耦合端驻波带宽相比于原有的耦合器较窄，整个耦合器的带宽也会受到影响，如果匹配得当时，该耦合器的带宽可以达到33%左右(耦合端驻波1.2)。而这种性能已经能够满足大部分系统的需求。

图4 改进前后的耦合端驻波对比

除了耦合器本身设计及加工外，隔离端的负载性能也对定向性的性能有较大影响，该批量的耦合器隔离端的负载在整个带宽内的驻波小于1.1，有效地保证了定向性的实现。

4 结束语

随着系统的不断进步，对耦合器的定向性指标要求越来越高。本文提供了一种较为简易的方法来提高耦合器的定向性。由于只是在耦合器的耦合端增加两段开路传输线，所以这种方法易于加工，成品率高。实际的工程制作批量一次合格率达到了95%以上，证明了该项措施的有效性。

［1］ 刘志红，李 兵.大功率微带定向耦合器的设计［J］.现代雷达，2012，34(4):67-70.Liu Zhihong，Li Bing.Design of high power microstrip directional coupler［J］.Modern Radar，2012，34(4):67-70.

［2］ 蔡 钧，唐 艳.基于遗传算法非对称多级分支定向耦合器设计［J］.现代雷达，2007，29(7):65-67，71.Cai Jun，Tang Yan.Design of unsymmetrical multi-section branch-line hybrid based on improved genetic algorithm［J］.Modern Radar，2007，29(7):65-67，71.

［3］ 凌天庆，张德斌.一种高定向性宽频带微带定向耦合器的研究［J］.微波学报，2001，17(4):85-91.Ling Tianqing，Zhang debin.Study on a kind of high-directivity and broadband microwave directional coupler［J］.Journal of Microwaves，2001，17(4):85-91.

［4］ 金 铃.一种非对称新型微带耦合器的研究［J］.微波学报，1997，13(2):167-172，179.Jin Ling.Study on a new unsymmetric microstrip coupler［J］.Journal of Microwaves，1997，13(2):167-172，179.

［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，1979.Tsing Hua University Microstrip Circuit Compile Group.Microstrip circuit［M］.Beijing:Post＆ Telecom Press，1979.