一种20 dB宽带非对称耦合器的设计与仿真*

罗 兵，张永亮

（广东机电职业技术学院 电子与通信学院，广东 广州 510515）

0 引 言

耦合器一直是无线通信系统中非常重要的组成部分，耦合器式一种能从无线信号主干通道中提取出一小部分信号的射频器件，常用于对规定流向微波信号进行取样，例如：在微波信号发生器中用于功率监视和功率增益控制等[1-4]，在接收机中用于抗干扰性测量或杂散测量。因此，耦合器一直是无线通信系统领域的研究热点[1-7]。一般来说，耦合器的设计均是根据参数指标，进行理论计算，得到实际耦合器的设计参数，但这种方法工作量大，精度不高，理论计算较复杂，且性能较差，鲜有能调节参数指标的带状线宽带耦合器。事实上，对于耦合器的设计，射频/微波模拟软件是一个必要的、评估耦合器性能的工具。美国安捷伦（Agilent）公司的大型EDA软件Advanced Design System（ADS）就是其中的佼佼者，也是各大学和研究所在微波电路和通信系统仿真方面使用最多的软件之一[1-2]。本文针对传统理论计算设计繁琐的方式，使用ADS软件快速准确的设计一种可调式带状线宽带耦合器，节省了时间，节约了设计成本，降低了通信系统更新换代的成本，推动了通信系统的升级和换代。针对一般耦合器方向性较差的问题，提出一种可调谐式的设计方法，利用这种方法，极大地提高了耦合器的方向性等参数指标，将此种耦合器用于通信系统，能提高通信系统的检测准确度，从而提高通信质量，改善通信效果。

1 非对称宽带耦合器的设计原理

微带线是一根信号线，由支在介质基片上的单一导体带构成的微波传输线，基片的另一面制作有接地金属平板，如图1所示，微带线的一面置于绝缘介质上，另外一面置于空气中，图1（a）是微带线的结构，图1（b）是微带线的场结构，微带线所传输的波为准TEM波。如果线的厚度、宽度以及与地平面之间的距离是可控制的，则它的特性阻抗也是可以控制的。而带状线是一条置于两层导电平面之间的电介质中间的信号线，如图2所示，图2（a）是带状线的结构，图2（b）是带状线的场结构，带状线传输的是TEM波。如果带状线的厚度和宽度、介质的介电常数以及两层导电平面间的距离是可控的，那么线的特性阻抗也是可控的。一般来说，带状线两边都有地平面，因此阻抗比微带线会更易控制，同时屏蔽较好，且微带线不利于实现较好的方向性和较高的带宽。

图1 微带线及其场结构

图2 带状线结构

对于微带线，其特性阻抗可以表示为[5]：

其中，d表示微带线到底层地平面之间的距离，W表示微带线的宽度，εe为微带线的有效介电常数，是把两种介质对微带线特性阻抗的贡献等效为一种假想的均匀介质，εe表示为：

式（3）中的εr为绝缘介质层介质的介电常数。

对于带状线，特性阻抗可以表示为：

其中，εr为介质的介电常数，b为上、下两层地平面之间介质层的厚度，We为带状线的有效宽度，We与实际带状线宽度W、上下两层地平面之间介质层的厚度b的关系为：

由于微带线的上下层介质（一层为空气，一层为绝缘介质层）不一样，由图1和式（1）、式（2）、式（3）可看出，微带线的特征阻抗较难控制。而由图2和式（4）、式（5）、式（6）可看出，由于带状线的上下层介质相同，特征阻抗更容易控制，因此，选择带状线的方式设计非对称宽带耦合器。另一方面，因为微带线的上层是空气，而带状线的上下层均为介质，微带线中信号传输比带状线中的信号传输要快（对于耦合器来说，传输速度不是主要关注的指标），微带线比带状线也更易于加工和调谐，因此，要对带状线结构设计留有可调谐窗口，便于对带状线进行调谐。

在确定了选择带状线的设计结构后，根据特征阻抗与奇、偶模阻抗的关系，通过选择合适的奇模阻抗（Z0o）和偶模阻抗（Z0e），根据单节耦合器（如图3所示）的结构，奇模阻抗和偶模阻抗与回波损耗（S11）、插入损耗（S21）、耦合损耗（S31）、隔离度（S41）的关系如下：

图3 单节耦合器结构

而特征阻抗（Z0）与其奇模阻抗（Z0o）、偶模阻抗（Z0e） 的关系为：

因此，利用式（1）～式（11），可以准确的计算出相应的耦合器结构尺寸。

2 20 dB非对称宽带耦合器的设计与仿真

利用非对称宽带耦合器的设计原理，耦合器阶数越多，带宽越宽，但仿真和调试越难。为了达到耦合器的设计带宽，采用4阶非对称结构的形式，设计和仿真了一种宽带耦合器，其指标为：

（1）带宽频率为：350～2 700 MHz；

（2）带内插入损耗：≤0.15 dB；

（3）方向性：≥25 dB；

（4）隔离度：≥55 dB；

（5）回波损耗：≥25 dB；

（6）输入输出阻抗：50 Ω。

在ADS（Advanced Design System）软件中建立非对称宽带耦合器的模型，从左到右耦合间距逐渐变宽，并利用了枝节加载的方式，如图4所示，在ADS软件中进行电磁仿真，最终仿真的各端口回波损耗（S11、S22、S33、S44）＞26 dB、0.05 dB ＜插入损耗（S21）＜0.146 dB、19.338 dB＜耦合损耗（S31）＜20.596 dB、48.819 dB＜隔离度（S41）＜65.976 dB，分别如图5、图6、图7、图8所示。

图4 4阶非对称结构宽带耦合器电磁仿真模型

图5 仿真的宽带耦合器各端口回波损耗

图6 仿真的宽带耦合器插入损耗（S21）

图7 仿真的宽带耦合器耦合损耗（S31）

图8 仿真的宽带耦合器隔离度（S41）

3 宽带耦合器的仿真与实际指标对比

由于加工误差，宽带耦合器在制作过程中会存在与仿真尺寸的差异，因此，为了确保产品的合格率，设计了一种可以通过适当修补铜皮的方式来进行宽带耦合器的调谐，如图9所示。对实际制作的非对称宽带耦合器进行了测试，将实际制作的非对称宽带耦合器与ADS电磁仿真结果对比，最终实物测试与仿真结果指标吻合，如图10，图11，图12，图13所示，因此，完全可以根据仿真的结果制作宽带耦合器，降低设计成本。

图9 非对称宽带耦合器的带线

图10 实测与仿真的回波损耗对比（S11）

图11 实测与仿真的插入损耗对比（S21）

图12 实测与仿真的耦合损耗对比（S31）

图13 实测与仿真的隔离损耗对比（S41）

4 结 语

宽带耦合器的设计是无线通信领域一直比较热门的研究技术，采用理论设计方法已经显得耗时、费力、工作量大、精度不高，因此本文使用经典的微波射频仿真软件ADS（Advanced Design System）进行宽带耦合器的设计与仿真工作，能快速的实现宽带耦合器的设计。本文采用带状线方式实现宽带耦合器，利用了带状线阻抗较易控制的优点，克服带状线不方便进行调谐的缺点，设计了一种非对称宽带耦合器，带宽较宽（覆盖2G、3G、4G等频段），具有优良的回波损耗（S11＜-25.5 dB），较稳定的耦合度（-20.59 dB＜S31＜-19.45 dB），较高的隔离度（S41＜-55.9 dB），直通端具有较小的带内波动（-0.15 dB＜S12＜-0.05 dB），并且在一定范围内可调谐，功率容限高，体积小，用于通信系统，可以降低设计成本。