基于SIR结构的双频宽带耦合器

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                1  引言

                        定向耦合器的功能是把输入的电磁能量按照一定的比例从不同的端口输出，具有功率分配功能。在微波技术中，定向耦合器用来监视功率、频率和频谱；把功率进行分配和合成；构成天线的收发开关、平衡混频器和测量电桥。由于定向耦合器在信号处理系统、通信等领域起着举足轻重的作用，所以寻找性能更好、功能独特的定向耦合器，一直是人们很感兴趣的一个领域。耦合器设计的要求主要包括四个端口的S参数和相位稳定，并且要求耦合器小型化以及制造成本低。
                         
       

                随着通信技术的发展，越来越多通信系统要求耦合器工作在双频或多频段，例5.2-5.8GHz的无线局域网(WLAN)窄带系统频段；900MHz 和1.8GHz的GSM系统。近年来，很多人提出了双频耦合器的设计方法和结构，比如，采用π型或T型代替四分之一波长传输线的耦合器；在耦合器的端口处加入开路枝节或短路枝节；改变耦合器上四分之一波长的分支传输线的参数。然而，这些双频耦合器的设计往往尺寸较大，并且只单独讨论了WLAN频段内或GSM频段内的窄带特性，而很少提及覆盖着两频段的宽带耦合特性，不能满足此时多频、宽带的通信系统需要。

       

                 

                        基于以上的研究背景，本文提出了一种工作在双频带系统、分支线采用SIR结构的宽带耦合器。这种耦合器的特点是引用四根 的分支线，并在这些分支传输线上采取SIR结构。
                         
                        通过改变SIR结构上传输线的阻抗，该耦合器可以在工作的双频段（高低频段）上灵活控制谐振点的位置和带宽，以使散射参数符合指标。采用Zeland IE3D对SIR结构中的传输线各个参数进行研究，仿真结果显示，通过改变在耦合器分支线中SIR结构的阻抗，可以控制谐振点的位置，以满足所需的带宽。所设计实现的双频耦合器工作在1.8GHz-2.45GHz频段和5.2-5.8GHz频段，带宽分别是36%和22%，覆盖了WLAN系统的频段和GSM系统的频率。
                         
                        2  耦合器结构和设计

                        该耦合器的结构如图1所示。为了实现耦合器扩展工作带宽，我们在双频段内各自引入较多的谐振点，耦合器采用4段平行的传输线组成，长度约等于中心频率处的二分一波长。而L1和L4的长度约为中心频率处的四分一波长。通过奇偶模法分析该耦合器的A矩阵，从而初步得出耦合器各分支线的阻抗。
                         
                        同时我们在L3处引用了SIR结构，如图2所示。通过调节SIR的W3和W1，可以改变耦合器特性。图3和图4给出了采用Zeland IE3D的仿真结果。我们采用了相对介电常数为εr=2.55，厚度h = 0.8 mm的介质基片，此时 。
                         
                        可以看出，随着W6增大，在高频段中的三个谐振点逐渐地往外扩，带宽相应地增加，而低频段处的三个谐振点逐渐地集中，带宽相应地变窄；当W5减小时，高频段中的带宽逐渐增加，而低频段的带宽变化不明显。从图中曲线可以看出，我们可以调节L5和L6的阻抗比，从而在两段频段处找出最优的S参数。
                         
       

               

       

                图1  耦合器电路结构

       

               

       

                图2  引用SIR结构的耦合器

       

               

       

                图3  W5对耦合器回波损耗的影响

       

               

       

                图4  W6对耦合器回波损耗的影响

                3  仿真与测量结果

                        耦合器的设计模型如图5所示，该耦合器在介电常数为2.55，厚度为0.8mm的微带基片上设计并加工。图6是耦合器的实物照片。
                         
                        图7至和图10为耦合器仿真和测量的S参数振幅曲线图。图11为输出端口间相位差的仿真图和测量图。表一给出了耦合器在1.8GHz、2.45GHz、5.2GHz、5.8GHz频点上四个端口的插入损耗和回波损耗、以及相位差。结果显示，耦合器在两个频段内具有较宽的通带，覆盖了低频段处1.8GHz -2.6 GHz和高频段处的5GHz-6GHz，实现了功率平分，且相位差为90度。在低频段处1.8GHz -2.6 GHz处输出端口2超前于端口3；而在高频段处的5GHz-6GHz处，端口2落后于端口3。
                         
                        对比仿真结果和实测结果发现：在低频部分，两者吻合地比较好，在高频5.2/5.8GHz频段出现了稍微的偏差，分析原因在于介质板在高频时，其介电常数出现了偏差，并且加工的精度也带来了偏差。从整体上来看，两者的一致性还是很好的，说明了仿真的可行性。
       
       

               

       

                图5  结构示意图

       

               

       

                图6  实物照片

       

               

       

                图7  S11的仿真和测量结果（振幅）

       

               

       

                图8  S41的仿真和测量结果（振幅）

                 
       

               

       

                图9  S31的仿真和测量结果（振幅）

       

               

       

                图10  S21的仿真和测量结果（振幅）

       

               

       

                图11  输出端口的相位差