Lange耦合器仿真

北京理工大学信息与电子学院 王润泽 陈清儒

Lange耦合器仿真

北京理工大学信息与电子学院 王润泽 陈清儒

定向耦合器是微波系统中应用广泛的一种微波器件，它的本质是将微波信号按一定的比例进行功率分配。定向耦合器在微波波段有着广泛的应用，其主要用途有用来监视功率、频率和频谱，把功率进行分配和合成，构成平衡混频器和测量电桥，利用定向耦合器来测量反射功率系数和功率。本文首先介绍了基本的定向耦合器的概念和原理，然后利用 ADS 电路仿真软件，设计了一种微带型 Lange 定向耦合器，并对初次仿真的结果进行了优化，达到最好的阻抗匹配，得到了满足指标要求的结果。最后，画出了该 Lange 定向耦合器电路的版图。

微带；ADS；定向耦合器；阻抗匹配

0 引言

近年来，随着信息技术的不断发展，宽带定向耦合器作为一个重要的微波电路已深入研究，并广泛应用于功分器，波束形成网络，微波混频器等子系统。为了方便携带和移动，小型化的无线电设备是未来的发展趋势，而移动通信所要使用的频段处于微波范围，因此要实现微波电路的更高频率化、小型化和固体化，不仅在实用方面，而且在学术方面都是有很重要的研究价值[1]。

本文涉及到的耦合器其实和功分器在其本质上都是用来分配信号的，功分器是平均分配功率（也就是说每个输出口的功率都是相等的），而耦合器则是不均匀的分配功率，耦合器分为输入端、耦合端、直通端、以及隔离端。耦合端功率相比较直通端小。耦合度表示的是耦合端口相对于直通端口的衰减数值。功分器比较适合并联，可以连接天线的数量多，但就是信号损耗比较大。耦合器相对适合串联，虽然可以连接天线的数量少。但是线路可以走的很长，而且损耗比较小。因此研究耦合器是很有意义的[2]。

定向耦合器通常是有两种形式实现的，分别是 Lange耦合器和带线耦合器。而带线耦合器虽然对电路制作工艺的要求相对较低，但是存在结构复杂、体积大以及集成比较困难等缺点。Lange耦合器确是具有结构紧凑，便于集成的优点，不过一般使用的是陶瓷基板，对电路制作的要求较高，加工所需工艺和成本却限制了它的应用。

传统的定向耦合器虽然具有可以设计成任意功率分配比例的优点，但是体积大，对微波集成化方向的发展是不利的，因此寻找功能独特和性能更好的小型定向耦合器，一直都是人们要研究的课题之一。而微带型定向耦合器则是由于具有结构紧凑、制作简单以及便于和其他电路集成等的优点，目前已经引起了人们研究的极大兴趣，未来的耦合器必然会向着集成化和小型化方向发展。

同时，用微带线设计的微波元器件，是可以直接做在电路板上，不仅具有所占空间小，而且具有易于和其它电路元件连接的特点。因为微带线具有上述特点，所以用它来做微波电路。这将有助于提高微波集成电路的集成度[3]。

1 耦合器结构设计

Lange耦合器（Lange-coupler）：在一个薄介质基片上，把两根传输线放置在足够近的位置使得一条线上的功率可以耦合到另一条线上的元件[4]。

1.1 定向耦合器的技术基础

定向耦合器属于无缘微波器件，通常为四端口器件，分别为输入端口、直通端口、耦合端口和隔离端口。定向耦合器可以设计为任意功率分配比，被广泛应用于功率分配和功率合成。

普通的平行耦合微带线定向耦合器一般用于较弱的耦合情况，而Lange耦合器可以用于偶和较强的情况，通常设计为3dB耦合。Lange耦合器不仅能有效地克服了普通耦合线耦合器耦合时过于松散的缺点，并且具有一个倍频程或更宽的带宽[5]。

1.2 Lange耦合器基本工作原理

图1 Lange耦合器基本工作原理

Lange耦合器的结构如图1所示。端口1的输入功率一部分直接传送给直通端口2，另外一部分耦合到耦合端口3，在理想的定向耦合器中，没有功率传送到隔离端口4。Lange耦合器的直通端口2与耦合端口3之间有90°的相位差，可见Lange耦合器是正交耦合器。图中，Z0为输入输出微带线的特性阻抗；W为微带线的宽度，S为微带线之间的间距；λ/4为工作带宽中心频点处的四分之一波长。这种结构因为在很宽 的频率范围内补偿了奇模、偶模相速不相等，所以提高了耦合器性能，可以达到1～1.5 个倍频程。[6]

1.3 耦合器结构设计

使用εr= 9.6氧化铝基板制作3dB lange耦合器时有经验公式适用于微带线：

其中，W是微带线宽；S为微带线之间的间距；H为微带线羁绊的厚度；λ/4为工作带宽中心频点处的四分之一波长。

频带范围：0～20GHZ；中心频点：12GHz；已知H=15.0mil，由公式推导可得W=1.6505mil，S=1.065mil。中心频点为f0=12GHz，所以L=100mil。

2 耦合器仿真结果及分析

在ads2008中建立仿真模型图1：

图2 耦合器结构

耦合器初步仿真结果如下：

图3 S参数仿真结果

图4 输入驻波比swr仿真结果

图5 Ratio的相位参数

图6 定向度

指标规定：

在8～16GHz的倍频程内的输入驻波比：ρ＜1.2；在中心频点处的磨损和耦合度:2.9dB＜IL=C＜3.1dB；在8～16GHz的倍频程内的定向度：D＞17dB在8～16GHz的倍频程内的隔离度：I＞20dB；耦合度C=-20lgS31；隔离度I=-20lgS41；定向度D=-20lg(S41/S31)；插入损耗IL=-20lgS21；驻波比可以看出由经验公式得出的参数并没有达标。

利用软件控件进行优化：

Ads2008自带的控件VAR，通过在optim器件中设置要更改的参数，在goal器件中设置理想设计指标，软件会自行通过累试的方法进行参数优化。

图7 参数优化元件参数

优化后的耦合器参数：

图8 优化后的S参数

图9 优化后的swr

图10 优化后的定向度

图11 lange耦合器版图

3 结论

本文设计了一种微带型lange耦合器。通过计算机累试，满足了设计的需要。耦合器的ads2008软件仿真结果完全符合设计题目要求，即频带范围：0～20GHZ；中心频点：12GHz；在8～16GHz的倍频程内的输入驻波比：ρ＜1.2；在中心频点处的磨损和耦合度:2.9dB＜IL=C＜3.1dB；在8～16GHz的倍频程内的定向度：D＞17dB；在8～16GHz的倍频程内的隔离度：I＞20dB。基本达到了设计的目标。

[1]Design of Ultra-Wideband Directional Coupler Utilizing Continuous Zigzag Capacitive Compensation[J]．Progress In Electromagnetics Research Letters,Vol．2015,54：67-70．

[2]Design of Cmos Quadrature Vco Using Onchip Trance-Directional Couplers[J]．Progress In Electromagnetics Research,Vol．2010,106．

[3]吴丹丹．微带型Lange定向耦合器的仿真设计[J]．陕西理工学院,2016．

[4]CHIUJC,LINJM,HOUNG M P,etalA PCB-compatible 3 dB coupler using microstrip-to-CPW Via-Hole transitions[J]．IEEE Microware and Wireless Components Letters,2006,16(6)：369-371．

[5]徐兴福．DS2008射频电路设计与仿真实例[M]．电子工业出版社,2009：322．

[6]张静,刘芫健．一种新型的正交多层Lange耦合器的仿真与研究[J]．微型机与应用,Microcomputer & Its Applications,2016(08)．

Lange Coupler Simulation

Wang Ruzne Chen Qingru
（School of Information and Electronics，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China）

Directional coupler is a kind of microwave devices are widely used in microwave system，it is the essence of the microwave signal power distribution according to a certain proportion of the directional coupler.Directional couplers are widely applied in microwave band，its main purpose is to monitor the power，frequency and spectrum，the power distribution and synthesis，a balanced mixer and a bridge，to measure the power reflection coefficient and power by using a directional coupler.The result is optimized after the initial simulation until it meets the design target.Finally，the layout of the power divider is pictured with ADS.

microstrip；Advanced Design System；Directional coupler；Impedance matching