該方案應(yīng)用HFSS軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化仿真設(shè)計(jì)，并制作和測量了一款工作在L波段用于海事衛(wèi)星通信的微帶耦合器樣件。該耦合器樣件比傳統(tǒng)雙分支定向耦合器面積縮小了51%，實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好，驗(yàn)證了方案的可行性。
0 引言
近年來，通信技術(shù)取得了長足快速的發(fā)展，微波通信設(shè)備也隨之發(fā)展起來。如今通信設(shè)備趨于小型化、便攜化，這對通信設(shè)備中無源器件的尺寸縮小提出更高的要求。
定向耦合器具有簡單的結(jié)構(gòu)以及良好的方向性，在微波通信中得到了較為廣泛的應(yīng)用。定向耦合器的種類從結(jié)構(gòu)上分有微帶型、波導(dǎo)型和同軸型等；從耦合方式上有分支線耦合、微帶平行耦合線耦合、小孔耦合等。傳統(tǒng)微帶形式的定向耦合器無法克服所占面積較大的缺點(diǎn)，因此限制了其在便攜微波設(shè)備上的應(yīng)用。目前，定向耦合器的小型化已經(jīng)成為了一個熱門的課題。
通過補(bǔ)償電容，提高了耦合器的方向性并減小了尺寸；2通過引入多個開路枝節(jié)，實(shí)現(xiàn)了微帶混合環(huán)的小型化；3采用了T型等效的方法實(shí)現(xiàn)了小型化；4采用了主線、副線以及耦合線的魚骨形等效實(shí)現(xiàn)了小型化，避免了T型等效的中心重疊問題。但3-4僅僅是理論上的仿真，并沒有考慮到實(shí)際微波器件的耦合效應(yīng)。
本文基于前人的研究成果，提出了一種小型化的微帶雙分支定向耦合器的設(shè)計(jì)方案，有效地解決了T型等效的中心重合問題以及主線、副線以及耦合線的魚骨形等效的耦合失真嚴(yán)重的問題。利用HFSS軟件進(jìn)行仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)，并做出了實(shí)物進(jìn)行測試。
1 定向耦合器的小型化設(shè)計(jì)
傳統(tǒng)微帶雙分支定向耦合器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，分支線長度及其間距均為1 4 中心相波長。其輸入、輸出端口的特性阻抗為Z0 ，AB段與DC段的特性阻抗為2 Z0 ，AD 段與BC 段的特性阻抗為Z0 。由于1已經(jīng)給出了詳盡的原理解釋以及設(shè)計(jì)公式，本文將不再贅述。
傳統(tǒng)微帶雙分支定向耦合器結(jié)構(gòu)示意圖
然而，傳統(tǒng)的微帶雙分支定向耦合器尺寸較大，本文通過傳輸線的對稱等效，設(shè)計(jì)了一種小型化的微帶雙分支定向耦合器。傳統(tǒng)微帶雙分支定向耦合器分支線的等效電路示意圖如圖2所示。
分支線的等效電路示意圖
由等效前后A 矩陣相等，已知θ1 = 90° ，可得：
將四段分支線進(jìn)行T型等效后發(fā)現(xiàn)，定向耦合器中心部分發(fā)生重疊，這會產(chǎn)生嚴(yán)重的耦合現(xiàn)象，影響定向耦合器的性能。在考慮定向耦合器的耦合效應(yīng)的前提下，對分支線AB及DC段的T型等效進(jìn)行進(jìn)一步等效，其等效示意圖如圖2（c）所示。
同理，由A 矩陣相等得到：
2 仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果
根據(jù)上述分析和計(jì)算，設(shè)計(jì)了一款應(yīng)用于海事衛(wèi)星通信的小型化微帶雙分支定向耦合器。中心頻率為f 0=1.6 GHz，頻率范圍為1.5~1.7 GHz，輸入/輸出端口阻抗Z0=50 Ω。選用F4B 系列微波介質(zhì)材料板，相對介電常數(shù)為εr=2.65，損耗角正切tan δ=0.002，厚度h=2 mm.利用HFSS仿真軟件進(jìn)行大量的仿真優(yōu)化，得到最佳的電路尺寸。最終加工實(shí)物如圖3所示。
小型化微帶雙分支定向耦合器加工實(shí)物
使用AV36580A 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對加工的定向耦合器進(jìn)行了實(shí)際測量。圖4給出了各端口S參數(shù)HFSS仿真和實(shí)測結(jié)果的對比。由圖4可知，在1.5~1.7 GHz工作帶寬內(nèi)S11 《 -15 dB，中心頻率1.6 GHz 處S11《-20 dB，各輸入端口實(shí)現(xiàn)了良好的匹配。隔離口S41《-20 dB實(shí)現(xiàn)了良好的隔離。直通端與耦合端的功分效果良好，在所要求的頻帶范圍內(nèi)功分比最大相差0.5 dB.測試結(jié)果與仿真結(jié)果有著較好的一致性。測試結(jié)果與仿真結(jié)果的偏差可能來自于實(shí)際材料的誤差以及雕刻機(jī)加工精度的限制。
HFSS仿真和實(shí)測結(jié)果S參數(shù)對比圖
3 結(jié)論
本文提出了一款小型化的微帶雙分支定向耦合器的設(shè)計(jì)方案。該方案基于傳統(tǒng)微帶雙分支定向耦合器的原理，對分支微帶線的結(jié)構(gòu)進(jìn)行等效，等效后的雙分支定向耦合器較傳統(tǒng)的雙分支定向耦合器面積縮小了51%，實(shí)現(xiàn)了微帶雙分支定向耦合器的小型化，最終加工了實(shí)物，給出了測試結(jié)果。實(shí)測結(jié)果表明該微帶雙分支定向耦合器在整個設(shè)計(jì)頻帶內(nèi)具有良好的匹配、功分以及隔離的性能。該定向耦合器已成功應(yīng)用于海事衛(wèi)星通信天線饋電系統(tǒng)。
