小型化超宽带3 dB定向耦合器设计.pdf
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1、 2024 年 2 月第 1 期 现代导航 45 小型化超宽带 3 dB 定向耦合器设计 王 敏1,史庭磊2,王 拓1(1 中国电子科技集团公司第二十研究所,西安 710068;2 西安电子科技大学,西安 710071)摘 要:设计并实现了一个小型化超宽带 3 dB 定向耦合器,采用对称多节耦合带状线的形式,由一个十七阶耦合器和一个五阶耦合器交叉串联构成,并通过采用弯折线,缩减了整体尺寸,可实现 13:1 倍频程的工作带宽。测试结果表明,在 0.22.65 GHz 频率范围内,电压驻波比小于1.35,隔离度小于-17 dB,带内波动为-3.40.6 dB,能够实现 90相移。关键词:超宽带;带
2、状线;交叉串联 中图分类号:TN822 文献标志码:A 文章编号:1674-7976-(2024)-01-045-04 Design of Miniaturized Ultra-Wideband 3 dB Directional Coupler WANG Min,SHI Tinglei,WANG Tuo Abstract:A miniaturized ultra-wideband 3 dB directional coupler working in 0.22.65 GHz is presented,which adopts symmetrical multi-section coupling
3、 strip line.The coupler is composed of a seventeen-section coupler and a five-section coupler in cross series.By using meander lines,it achieves a compact size with 13:1 bandwidth.The measured results show that the Voltage Standing Wave Ratio(VSWR)is less than 1.35 within the bandwidth covering 0.22
4、.65 GHz,the isolation is less than-17 dB,the in-band ripple is within-3.40.6 dB,and 90phase shift can be achieved.Key words:Ultra-Wideband Directional;Stripline;Cross Series 0 引言 3 dB 带状线定向耦合器利用紧耦合方式,可以在很宽频带范围内实现 90相移和良好的阻抗匹配特性,这使得它被广泛应用在各种微波系统中。譬如,可以结合双线极化宽带天线,形成双圆极化信号;也可以作为关键移相器件应用在宽带多波束合成网络中。在设计方
5、面,国内外专家学者都对此展开了相关研究,主要设计方法可总结为两种,一种方法是采用一个多级耦合器来实现。在文献1中,采用 收稿日期:2023-09-19。王敏(1988.05),山西静乐人,硕士,高级工程师,主要研究方向为天线与微波设计。了三阶耦合带状线,可在 0.692.7 GHz 频带内得到较好的结果。在文献2中,研究了在超宽带定向耦合器不连续处使用支节进行补偿的方法,实现了9:1 倍频的定向耦合器。在文献3中,给出了宽边耦合带状线耦合器的综合方法,同时研究了带状线厚度和侧向屏蔽的影响。在文献4中,设计了三阶耦合线宽带定向耦合器,提出了一种电容补偿方法,可实现 4:1 倍频程的 3 dB 定
6、向耦合器。另一种方法是使用多个耦合器交叉串联实现超宽带特性5,在文献6中,将不同阶数的耦合器进行交叉串联,实现了 5:1 倍频程的 3 dB 定向耦合器。在文献7中,则用两个相同的三阶耦合器交叉串联,实现了两倍频的工作带宽。文献8将两个阶数相同的耦合器交叉级联,通过提高阶数实现了能够覆盖0.518 GHz 的超宽带 3 dB 定向耦合器。46 现代导航 2024 年 本文将两个不同阶数的耦合器交叉级联,设计出了一种工作在 0.22.65 GHz 的超宽带 3 dB 定向耦合器,同时采用弯折的交错耦合带状线实现其中阶数较多的耦合器,使 3 dB 耦合器满足了小型化要求,本设计耦合器的电尺寸约为
7、0.11min,而上述宽带耦合器中尺寸最小的约为 0.2min,小型化效果明显。该耦合器在频带内驻波比小于 1.35,隔离度小于-17 dB,带内波动小于 0.6 dB,相移为 912.5。1 工作原理 定向耦合器是一个四端口网络,由两条平行传输线构成,包括输入端口、直通端口、隔离端口以及耦合端口,其中直通端口和耦合端口存在 90的相位差。宽带 3 dB 定向耦合器通常采用交错耦合带状线进行设计,交错耦合带状线是两条带线上下交错排列,如图 1 所示,其耦合度介于侧边耦合和宽边耦合之间。在文献6中提出了交错耦合带状线的公式,其中强耦合条件为 00.3510.7wswws (1)弱耦合条件为 00
8、.35120.851wsws (2)图 1 交错耦合带状线结构示意图 3 dB 交错耦合带状线耦合器的设计可以从电路仿真入手,根据工作频带范围为 0.22.65 GHz 以及带内电压驻波比小于 1.2,通过综合可以估算出耦合器阶数并进行交叉级联。然后,在 Microwave Office 软件中进行电路建模,并对各阶奇偶模阻抗进行优化。本文中的 3 dB 耦合器采用三层介质板层叠形成,三层介质板均为 Rogers 5880,介电常数为2.2,中间层介质板厚度为 0.127 mm,上下两层介质板厚度均为 1.5 mm,其中交错耦合带状线印制在中间层介质板的上下表面。通过综合,耦合器阶数分别为十七
9、阶和五阶,其中十七阶耦合器各阶奇偶模阻抗如表 1 所示。表 1 十七阶耦合器各阶奇偶模阻抗 偶模 阻抗/奇模 阻抗/Ze1 162.9 Zo1 15.3 Ze2 159.9 Zo2 15.6 Ze3 119.5 Zo3 20.9 Ze4 96.1 Zo4 26.0 Ze5 94.4 Zo5 26.5 Ze6 71.1 Zo6 35.2 Ze7 75.0 Zo7 33.3 Ze8 61.1 Zo8 40.9 Ze9 62.9 Zo9 39.7 2 仿真设计 根据优化后的各阶奇偶模阻抗以及介质板参数,可进一步得到各阶交错耦合线的物理结构尺寸,并在商业三维电磁仿真软件 Ansys HFSS 中建模。
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