基于小型化微带双分支定向耦合器的设计方案

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该方案应用HFSS软件对结构进行了优化仿真设计，并制作和测量了一款工作在L波段用于海事卫星通信的微带耦合器样件。该耦合器样件比传统双分支定向耦合器面积缩小了51%，实测结果与仿真结果吻合较好，验证了方案的可行性。
         
        0 引言
        近年来，通信技术取得了长足快速的发展，微波通信设备也随之发展起来。如今通信设备趋于小型化、便携化，这对通信设备中无源器件的尺寸缩小提出更高的要求。
         
        定向耦合器具有简单的结构以及良好的方向性，在微波通信中得到了较为广泛的应用。定向耦合器的种类从结构上分有微带型、波导型和同轴型等；从耦合方式上 有分支线耦合、微带平行耦合线耦合、小孔耦合等。传统微带形式的定向耦合器无法克服所占面积较大的缺点，因此限制了其在便携微波设备上的应用。目前，定向 耦合器的小型化已经成为了一个热门的课题。
         
        通过补偿电容，提高了耦合器的方向性并减小了尺寸；2通过引入多个开路枝节，实现了微带混合 环的小型化；3采用了T型等效的方法实现了小型化；4采用了主线、副线以及耦合线的鱼骨形等效实现了小型化，避免了T型等效的中心重叠问题。但3-4仅仅 是理论上的仿真，并没有考虑到实际微波器件的耦合效应。
         
        本文基于前人的研究成果，提出了一种小型化的微带双分支定向耦合器的设计方案，有效地解决了T型等效的中心重合问题以及主线、副线以及耦合线的鱼骨形等效的耦合失真严重的问题。利用HFSS软件进行仿真优化设计，并做出了实物进行测试。
         
        1 定向耦合器的小型化设计
        传统微带双分支定向耦合器的结构示意图如图1所示，分支线长度及其间距均为1 4 中心相波长。其输入、输出端口的特性阻抗为Z0 ，AB段与DC段的特性阻抗为2 Z0 ，AD 段与BC 段的特性阻抗为Z0 。由于1已经给出了详尽的原理解释以及设计公式，本文将不再赘述。

       

        　　传统微带双分支定向耦合器结构示意图

         
        然而，传统的微带双分支定向耦合器尺寸较大，本文通过传输线的对称等效，设计了一种小型化的微带双分支定向耦合器。传统微带双分支定向耦合器分支线的等效电路示意图如图2所示。

       

        　　分支线的等效电路示意图

         
        由等效前后A 矩阵相等，已知θ1 = 90° ，可得：
       
         
        将四段分支线进行T型等效后发现，定向耦合器中心部分发生重叠，这会产生严重的耦合现象，影响定向耦合器的性能。在考虑定向耦合器的耦合效应的前提下，对分支线AB及DC段的T型等效进行进一步等效，其等效示意图如图2（c）所示。
        　　
        同理，由A 矩阵相等得到：
        　
        　　
        2 仿真及实验结果
        根据上述分析和计算，设计了一款应用于海事卫星通信的小型化微带双分支定向耦合器。中心频率为f 0=1.6 GHz，频率范围为1.5~1.7 GHz，输入/输出端口阻抗Z0=50 Ω。选用F4B 系列微波介质材料板，相对介电常数为εr=2.65，损耗角正切tan δ=0.002，厚度h=2 mm.利用HFSS仿真软件进行大量的仿真优化，得到最佳的电路尺寸。最终加工实物如图3所示。

       

        　　小型化微带双分支定向耦合器加工实物

         
        使用AV36580A 矢量网络分析仪对加工的定向耦合器进行了实际测量。图4给出了各端口S参数HFSS仿真和实测结果的对比。由图4可知，在1.5~1.7 GHz工作带宽内S11 《 -15 dB，中心频率1.6 GHz 处S11《-20 dB，各输入端口实现了良好的匹配。隔离口S41《-20 dB实现了良好的隔离。直通端与耦合端的功分效果良好，在所要求的频带范围内功分比最大相差0.5 dB.测试结果与仿真结果有着较好的一致性。测试结果与仿真结果的偏差可能来自于实际材料的误差以及雕刻机加工精度的限制。

       

        　　HFSS仿真和实测结果S参数对比图

         
        3 结论
        本文提出了一款小型化的微带双分支定向耦合器的设计方案。该方案基于传统微带双分支定向耦合器的原理，对分支微带线的结构进行等效，等效后的双分支定向 耦合器较传统的双分支定向耦合器面积缩小了51%，实现了微带双分支定向耦合器的小型化，最终加工了实物，给出了测试结果。实测结果表明该微带双分支定向 耦合器在整个设计频带内具有良好的匹配、功分以及隔离的性能。该定向耦合器已成功应用于海事卫星通信天线馈电系统。