一种宽带小型化双定向耦合器设计*

王 杨，郭庆功，徐军剑

0 引 言

双定向耦合器是一种可同时监测信号的输出功率和负载反射功率的元件。作为一种双向性的功率耦合元件，双定向耦合器的应用十分广泛，是许多微波电路的重要组成部分。随着短波、超短波通信设备的宽频带、小型化趋势不断向前发展，对定向耦合器的宽频带和小型化要求越来越高，使其成为该方向的研究热点。鉴于平面电路便于加工、集成等特点，常采用微带线或带状线设计定向耦合器。但是，在超短波频段，基于传统的1/4波长结构的微带分支线、耦合微带线定向耦合器结构本身尺寸较大。若要增加带宽尺寸，势必会增加小型化设计难度。不同结构的定向耦合器，小型化设计方法多种多样。文献[1]给出了一种分形Koch曲线的设计方法，在不改变微带线特性阻抗的前提下，减小微带线的长度，进而减小电路所占面积；文献[2]提出使用弯曲耦合线的方法来减小耦合器尺寸；文献[3]提出利用折叠耦合线来减小尺寸，但折线间直角连接会导致连接处不连续，进而引起反射；文献[4]用对称或非对称T型传输线结构代替传统λ/4传输线，达到了小型化耦合器的目的；文献[5]采用对称差分结构代替传统的λ/4微带线，减小了分支线定向耦合器所占面积；文献[6]采用耦合传输线加载集总参数元件的方法，实现了定向耦合器的小型化设计；文献[7]采用耦合带状线加载衰减网络和弯曲耦合线的方法，实现了小型化设计。然而，文献[1-3]采用小型化方法，当尺寸要求过小时，在超短波频段容易造成传输线重叠和引起相互耦合；文献[4-5]采用的方法，无法在超短波频段实现如此宽的带宽；而文献[6-7]采用的小型化方法既可以满足宽带要求，又可以兼顾小型化设计。因此，这里选择采用耦合传输线加载集总参数元件的方法进行设计。

相比于同频段文献[7]的设计，本文采用耦合微带线加载均衡网络，并将中心频率设置在工作频带外，进一步缩小了尺寸，插损更小，方向性更好，耦合度不平坦度更优，适用性更强，且结构更简单，成本更低。

1 理论分析

对于如图1所示的耦合传输线双定向耦合器，当④、⑤端口之间通过腔体隔离时，可看做是2个反向定向耦合器的级联。因此，可利用定向耦合器理论来分析、设计该双定向耦合器。正向传输时，①端口为输入端，②端口为直通端，③、⑤端口为耦合端，④、⑥端口为隔离端；反向传输时，②端口为输入端，①端口为直通端，④、⑥端口为耦合端，③、⑤端口为隔离端。

对于图2所示的定向耦合器，其S参数矩阵[S4]如式（1）所示。由于理想情况下定向耦合器①、②、③端口匹配、④端口隔离，则必须满足S11=S22=S33=S44=S14=0。

图2 定向耦合器

根据奇偶模分析法[8]，由S11=(S11e+S11o)/2=0，可得特征阻抗与奇偶模阻抗之间的关系，即Zc2=ZceZco及耦合系数表达式，如式（4）所示。当θ=π/2时，此时电压耦合系数为k0如式（5）所示。

将k0代入式（4），可得任意电长度平行耦合线的电压耦合系数k，如式（6）所示。因此，可得任意电长度平行耦合线的耦合度c，如式（7）所示。由式（6）可知，当电长度θ=π/2时，耦合度存在理论上的最大值。越偏离中心频率，耦合度越弱[9]。弱耦合情况下，中心频率处耦合度最大，越偏离中心频率，耦合度越弱，将中心频率取在设计频段外的高频一侧。这样所需的耦合线的长度将成倍缩小，再通过在耦合端口增加均衡网络，将工作频带内耦合度衰减到所需设计值，即可实现定向耦合器的宽带、小型化设计。均衡网络的主要作用是进行具有频率选择特性的幅度衰减，实质是提供一个与定向耦合器耦合端输出的幅频特性相反的网络，用于补偿输出功率不平坦特性。

2 双定向耦合器设计

由表1可知，该双定向耦合器属于弱耦合强度，可采用图1所示结构，设计成2个单定向耦合器的级联。具体地，选用F4B-2基片，材料属性如表2所示。

表1 宽带定向耦合器设计指标

表2 F4B2介质板的属性

根据前述理论，对于弱耦合情况，只要将工作频段置于中心频率的左侧，即可满足频带内耦合度呈现一定的线性变化，同时可使中心频率处对应的λ/4传输线长度成比例缩小。为满足小型化设计要求，取单个定向耦合器的中心频率为4.69 GHz，则耦合线长度为λg/4≈10.01 mm。

对于均衡网络的设计，由于RL并联电路具有低通特性，且其传输特性曲线斜率主要受电阻影响，可以作为均衡网络的设计基础。但是，R对均衡曲线的斜率调整不够精细，故用π型衰减网络代替电阻R，并在π型衰减网络的下端增加一个用于选频的LC网络，进一步改善均衡曲线的线性均衡区域。由于均衡网络难以做到低频段零衰减，为保证加载均衡网络后，低频段的耦合度满足设计要求，取耦合度为8.7 dB作为设计初始值。由电长度与频率之间的关系，可得耦合度c与频率的关系曲线，如图3所示。

图3 耦合度c与频率f之间的关系曲线

利用ADS软件确定耦合线线宽w=4.39 mm和线间距s=0.15 mm，由式（5）和Zc2=ZceZco，可得奇模和偶模阻抗分别为Zce=73.63Ω，Zco=33.95Ω，据此建立如图1所示结构的HFSS仿真模型，并在双定向耦合器的③、⑥端口增加均衡网络，均衡网络电路和耦合微带线结构的HFSS、ADS联合仿真（如图4所示），均衡网络的频率特性曲线如图5所示。

图4 均衡网络电路和耦合微带线仿真设计

图5 均衡网络频率特性曲线

由表1可知，该双定向耦合器的方向性要求较高，而耦合微带线定向耦合器由于奇偶模相速度不相等的问题，导致定向性不高。根据奇偶模相速度与有效介电常数、微带线等效宽度之间的关系，通过调整主、副线间的线宽比例，可有效改善方向性[10]。经过优化后，仿真结果分别如图6、图7、图8和图9所示。

图6 驻波系数仿真测试对比

图7 耦合度仿真测试对比

图8 插损仿真测试对比

图9 方向性仿真测试对比

该双定向耦合器耦合度为50 dB，属于弱耦合，所以能量主要集中在主线中。计算它的功率容量，重点考虑主线功率容量即可。微带线能够承受的最大功率受限于由导体损耗和介质损耗引起的热效应和介质击穿效应。微带线上主要存在两种损耗，即由导体电导率有限引起的导体损耗αc和由介质不理想引入的介质损耗αd。导体损耗和介质损耗引起的电路温升限制了微带电路中的平均功率，而导体和接地板之间的介质击穿，则限制了微带电路中可能传送的最大峰值功率。对给定材料属性和尺寸的微带线，能传输的最大平均功率，可根据式（8）计算，能够承受的峰值功率可根据式（9）计算，其中Tmax表示基片正常工作能够承受的最高温度，Tamb表示工作区环境温度，V0表示不产生介质击穿的最高峰值电压。详细计算过程参见文献[11-12]，该双定向耦合器的平均功率容量曲线如图10所示，对应的峰值功率是4.4 kW，均满足设计要求。

图10 平均功率容量曲线

经加工、调试后，最终尺寸为53.5 mm×40.6 mm×15 mm，使用TD3618C型矢量网络分析仪对其进行测试，耦合度、方向性、驻波系数、传输损耗测试结果如图6～图9所示，均符合设计要求。

3 结 语

本文利用奇偶模分析和端口网络分析，提出了一种弱耦合强度定向耦合器的宽带、小型化设计方法，并根据耦合微带线奇偶模相速度与等效宽度间的关系，提出了一种能够有效改善方向性的设计方法，具有一定的借鉴意义。现对文献[7]和国际知名厂商werlatone及IPP公司各一款频段相近的定向耦合器的相关技术指标进行对比，结果如表3所示。由表3可知，本文设计的双定向耦合器尺寸、平均功率容量、方向性都达到了werlatone与IPP的同等水平，且驻波系数、插损、耦合度指标更优；相比于文献[7]设计的贴片式定向耦合器，除尺寸和驻波系数外，其他指标均优于其设计，实现了小型化、宽带设计；若按照本文的设计方法，设计单定向耦合器，其尺寸亦比文献[7]设计的尺寸更小。

表3 名称产品性能对比

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