宽带微带正交耦合器设计

高 凯，孙如英，韩荣苍

（临沂大学 物理与电子工程学院，山东 临沂 276000）

1 正交耦合器设计概述

近年来宽带通信技术由于具有传输速率高、容量大、硬件成本低等突出优势，受到广泛关注。宽带/多波段电子信息系统必须具备相应的宽带/多波段射频前端设备，例如放大器、耦合器、滤波器、天线等。特别是在接收或发射圆极化波的无线电子系统射频前端中，正交耦合器是必不可少的元件之一[1-2]。所以，这类器件广泛应用于卫星导航、电子对抗、射频识别和无线通信系统[3]。由于PCB工艺是低廉且成熟的加工工艺，所以传统的微波平面正交耦合器一般都采用微带线或带状线设计。

经典的正交耦合器一般由功率分配器和90°移相器级联，或采用分支线定向耦合器和环形器实现。它们都需要具备两方面的性能，一方面要有等功率分配功能，另一方面要具有90°移相功能。然而，其经典的结构设计只有10%～20%的工作带宽[4]，不能满足宽带通信系统的指标要求。本文设计了一副带宽达50%的微带宽带正交耦合器，在宽带圆极化平面天线中有广泛的应用前景[5]。

2 微带正交耦合器结构

本文设计的宽带微带正交耦合器等效电路图如图1所示，它由威尔金森功率分配器和一个宽带90°移相器[5]级联而成。威尔金森功率分配器实现等功率分配的同时，完成了输入端口和输出端口之间的阻抗变换。输入信号经Port 1分两条支路传输，它们分别通过1/4波长的微带线连接宽带90°移相器的两个输入端口。威尔金森功率分配器两个输出端口具有较高的隔离度，能保证两路正交隔离信号的传输。另一方面，两路信号的90°相位差需要在宽频带上持续保持，所以该宽带正交耦合器的关键部分是90°移相器。

宽带90°移相器的结构如图1右半部分所示。移相器有两条支路，一支路为信号参考线，采用中心频率特性阻抗为Z4的微带线；另一支路由两对分别开路和短路的电长度为电长度为半波长的微带线和1/8波长的微带线组成，设计时分别采用中心频率特性阻抗为Z3和Z2的微带线。该移相器的4个输入输出端口阻抗均相等，设为Z0。

图1 宽带正交耦合器等效电路

由于该正交耦合器的90°移相器的输入端口连接威尔金森功率分配器的两个输出端口，且传输线Z3的电长度比Z4短1/4波长，所以port2和port3的输出信号的幅度是相等的，并且相差90°相位。

3 仿真结果

设图1所示耦合器中心频率为6.0 GHz，设计采用微波介质基板RT/duroid 6002，厚度为0.508 mm，相对介电常数2.98，损耗角正切为0.001。3个输入输出端口阻抗均设为Z0=50 Ω。结合宽带90°移相器的电参数[6]，可得该宽带正交耦合器的具体电参数：波导波长λ=3 0.9 2 m m，和Z4=Z0=50 Ω。相应的微带线长宽尺寸如表1所示。

表1 宽带正交耦合器的设计参数

通过使用ANSYS HFSS 17.0软件仿真可得宽带正交耦合器的幅频响应和相频响应。耦合器的传输系数和反射系数响应曲线如图2所示。图中，传输系数S12和S13表明耦合器的两输出端口在4～8 GHz内均能实现稳定的–3 dB功率输出，具有良好的功率分配性能；以输入端口反射系数S11＜–10 dB计算标准，其工作带宽大于66%；而以反射系数S11，S22和S33均小于–15 dB为计算标准，其工作带宽也有50%，可见输入和输出端口间阻抗匹配性能良好。耦合器的移相特性响应曲线如图3所示，Port 2和端Port 3之间的相位差在4～8 GHz范围内均能实现90°左右的相移；以3°为最大相移偏差计算，其工作带宽超过50%。综合考虑功率分配带宽和90°移相带宽以及阻抗匹配带宽的要求，在50%的频带上，该正交耦合器至少都具有良好的等功率分配和90°移相和阻抗匹配特性。本文提出的耦合器结构，和传统的正交耦合器相比，带宽提高100%以上。

4 结语

本文设计了一款高性能微带线型宽频带微带正交耦合器，其工作带宽达到50%（S11 ≤–15 dB）。该宽带正交耦合器由一个威尔金森功分器和一个宽带移相器级联构成。由于宽带移相器的良好性能，该结构不仅能实现宽带等功率分配和宽带阻抗匹配，还能实现宽带90°移相功能。与传统的正交耦合器相比，带宽提高100%以上。所以，该正交耦合器必在宽带通信系统领域具有广泛的应用前景。

图2 宽带正交耦合器的传输系数和反射系数曲线

图3 宽带正交耦合器的移相特性响应曲线

[参考文献]

[1]HAN R C，ZHONG S.Broadband circularly- polarised chifre-shaped monopole antenna with asymmetric feed [J].Electronics Letters，2016（4）：256-258.

[2]钟顺时.微带天线理论与应用[M].西安：西安电子科技大学出版社，1991.

[3]WANG J H.Antennas for global navigation satellite system（GNSS）[J].IEEE Proceedings，2012（7）：2349-2355.

[4]POZAR D M.Microwave Engineering[M].4th edition.New Jersey：John Wiley & Sons，Hoboken，2012.

[5]韩荣苍. 宽带圆极化与双极化介质谐振器天线[D].上海：上海大学，2009.

[6]SAI H Y，KIM F M，WING S C.A bandwidth improved circular polarized slot antenna using a slot composed of multiple circular sectors[J].IEEE Trans. Antennas Propagat，2011（8）：3065-3070.