Ka波段3dB定向耦合器的設計與仿真

摘要：定向耦合器廣泛地用在現(xiàn)代微波系統(tǒng)中，文中介紹了兩種應用在平衡式放大器中的3dB定向耦合器。首先對微帶分支線耦合器與波導耦合器進行了理論分析，然后利用電磁仿真軟件HFSS，對兩種耦合器進行了建模仿真、仿真結果驗證了這兩種定向耦合器的可實現(xiàn)性，最后比較了兩種耦合器的性能，并且總結了各自的特點。
關鍵詞：Ka波段；定向耦合器；分支線耦合器；波導耦合器

1 引言
    在微波通信系統(tǒng)中定向耦合器是一種用途廣泛的微波器件，比如可以用在在信號發(fā)生器中的功率臨視裝置，以及接收機中的混頻器。另外，自動增益控制、平衡式放大器、反射計以及調相器和微波阻抗電橋等測量儀器也要用到定向耦合器。構成定向耦合器的結構有波導、微帶線、帶狀線、同軸線等。因此，定向耦合器的種類很多，但是不同種類的定向耦合器差異很大。
    平衡式放大器的穩(wěn)定性很好，輸入輸出駐波也很低，而且由于良好的低噪聲特性，平衡結構的放大器在微波波段的低噪聲放大器中被普遍采用。因此對于平衡式放大器中定向耦合器的研究就具有很高的現(xiàn)實意義。
    本文對微帶分支線耦合器和波導E面耦合器做了理論分析，然后利用電磁仿真軟件進行了建模仿真，通過對仿真結果做了比較，最后得出結論。

2 耦合器的分析與設計
    (1)主要設計指標
    工作頻帶：29GHz～31GHz
    同波損耗：≤-20dB
    輸出端口幅度不平衡度：≤1 dB
    輸出端口隔離度：≤-20dB
    (2)分支線耦合器的分析與仿真
    如圖1所示，分支線定向耦合器有主線、副線和兩條分支線組成，其中分支線的長度和間距均為中心頻率工作波長的。設主線入口線1的特性阻抗為Z1=Z0，主線出口線2的特性阻抗Z2=Z0k(k為阻抗變換比)，副線隔離端4的特性阻抗為Z4=Z0，副線耦合端3的特性阻抗為Z3=Z0k，平行連接線的特性阻抗為ZOP，兩個分支線特性阻抗分別為Zt1和Zt2。

    假設輸入電壓信號從端口1經A點輸入，則達到D點的信號有兩路，一路是由分支線直達，其波行程為λg／4，另一路由A→B→C→D，波行程為3λg／4；故兩條路徑到達的波行程差為λg／2，相應的相位差為π，即相位相反。因此若選擇合適的特性阻抗，使達到的兩路信號振幅相等，則端口4處的兩路信號相互抵消，從而實現(xiàn)隔離。同樣由A→C的兩路信號為相同信號，故在端口3有耦合輸出信號，即端口3為耦合端。耦合端輸出信號的大小同樣取決于各線的特性阻抗。
    下面給出微帶雙分支定向耦合器的設計公式。設耦合段3的反射波電壓為，則該耦合器的耦合度為
   
    可見，只要給出要求的耦合度C及阻抗變換比k，即可由式(1)算得|U3r|，再由式(2)～(4)算得各線特性阻抗，從而可設計出相應的定向耦合器。對于耦合度為3dB、阻抗變換比k=1的特殊定向耦合器，稱為3dB定向耦合器。此時
   
    通過以上理論分析在HFSS中建模并優(yōu)化后的3dB分支線電橋模型如圖2所示。微帶分支線耦合器的結果如圖3所示。模型選用的介質基片為RD5880，介電常數(shù)為2．2，厚度為0．127 mm，經計算，50 Ω微帶線寬度為0．37 mm，本文設計的耦合器的中心頻率為30GHz，分支線和輸入輸出微帶線采用特性阻抗為50 Ω的微帶，則主線的特性阻抗約為35 Ω，寬度約為0．62 mm。29GHz～31GHz之間，輸入端口反射系數(shù)小于-23 dB，兩個輸出端口的幅度不平衡度小于0．7dB，相位差為90°，達到了很好的性能。

    (3)波導E面定向耦合器的分析與仿真
    波導定向耦合器的工作原理與前而分析的微帶3dB分支線耦合器類似。其通過在兩個波導公共壁上開小孔或縫來耦合，一個小孔或縫能用由電和磁偶極矩組成的等效源替代。這個法向的電偶極矩和軸向的磁偶極矩在耦合波導中輻射有偶對稱性質，而橫向磁偶極矩的輻射有奇對稱性質。所以通過調整這兩個等效源的相對振幅就能抵消在隔離端口方向上的輻射，而增強耦合端口方向上的輻射。
    下面大致介紹下多孔定向耦合器的原理。
    多孔定向耦合器如圖4所示，N+1個耦合孔陣列的間距為d。設入社波振幅為A，對于小孔耦合的情況，近似認為入社波在每個孔處的振幅均相同，只是附加相位發(fā)生改變。令表示第n孔的正向電壓耦合系數(shù)，為第n孔的反向電壓耦合系數(shù)。多孔耦合器的耦合度C和方向性D表示為：
   
    式(7)中，第一項是隨頻率變化較慢的函數(shù)，代表單個小孔的方向性，而第二項是由于在求和中相位相消，所以是頻率的敏感函數(shù)。我們能夠選擇合適的對方向性綜合出所希望的頻率響應，而耦合度應該是相對不隨頻率變化的Bn。常用的綜合目標函數(shù)可以是二項式響應、巴特沃茲響應和切比雪夫響應等。實際工作中，Bn的大小需要通過調整波導開孔的大小、位置和形狀等來滿足。

    波導E面定向耦合器在波導寬邊上開孔。為實現(xiàn)3dB的耦合量，需要采用矩形孔，且孔的長度正好等于波導寬邊，通過調整孔的寬度和距離來滿足正相波在耦合端口疊加到3dB，而反向波在吸收端口疊加減弱。這種結構的波導E面耦合器又稱為E面分支波導定向耦合器如圖5所示。

    本文設計了一個五級分支波導耦合器，在HFSS中建立的模型如圖6所示，仿真結果顯示，在圖7中，在26 GHz～34 GHz頻段內，回波損耗低于-19dB，兩路輸出的幅度相差只有0．3dB，具有寬帶緊耦合的特性。圖8為2、3端口相位隨頻率變化的曲線，從圖中可以看出2、3端口的相位差為90°，與理論推導一致。圖9為3端口與2端口傳輸系數(shù)隨頻率變化的曲線，從圖中可以看出，在整個頻段內S32<-20 dB，兩端口輸出隔離效果很好。圖為4端口與1端口傳輸系數(shù)隨頻率的變化曲線，在整個頻段內，S41<-20 dB。

3 仿真結果分析
    從仿真結果可以很明顯的看出分支線定向耦合器的帶寬有限，只有2GHz～3CHz左右。從理上分于析，由于對λg／4微帶線寬的敏感，微帶分支線耦合器一般只能做到100％～20％，若要求頻帶更寬，可采用多節(jié)分支耦合器。但隨著級數(shù)的增多，耦合器的某些支節(jié)線會很細，由于工藝的限制，導致無法加工。
    相比于微帶分支線耦合器，波導耦合器的帶寬要比微帶分支線耦合器寬的多。本文仿真的波導耦合器在Ka波段展現(xiàn)出了良好的性能，不僅帶寬很寬，而且損耗很低?？梢詰迷趯τ趽p耗要求很低的場合，例如低噪聲放大器的無源電路設計中。但是波導耦合器的尺寸相比之下要比微帶分支線耦合器大的多，在某些對電路尺寸要求很高的場合，微帶分支線耦合器反而更適用。

4 結束語
    本文根據(jù)耦合器原理，設計仿真出了一種微帶分支線耦合器以及波導E面耦合器。在Ka頻段內，兩種耦合器都展現(xiàn)出了良好的性能。其中微帶分支線耦合器在29GHz～31GHz之間，輸入端口反射系數(shù)小于-23dB，兩個輸出端口的幅度不平衡度小于0．7dB；波導E面耦合器在26GHz～34GHz頻段內，回波損耗低于-19dB，兩路輸出的幅度相差只有0．3dB。仿真結果表明，這兩種耦合器可以被廣泛的用在平衡式放大器以及其他微波通信系統(tǒng)中。