之前關于濾波器，電橋，功分器的文章初衷是想介紹一種通用方法，但寫《如何設計一個帶通濾波器》時有人問如何設計波導濾波器，第9期寫《lange電橋的設計》時有人問微帶電橋如何設計，在這里我想表達說微波無源的幾種常用器件的原理都是基于傳輸線理論來的，設計原理和方法都是通用的，掌握一種結(jié)構(gòu)形式的器件設計方法可以推廣到其他結(jié)構(gòu)的同類產(chǎn)品上。
有人建議我寫一些有源電路，但我有源電路的經(jīng)驗有限，真正要清晰準確的表達出一些概念時時發(fā)現(xiàn)經(jīng)驗還是差了好多。我也正努力儲備有源知識，最近正在學習一本叫《Frequency Synthesizers: Concept to Product》的書，想著可以作為微波筆記的一部分，我后面想在微波筆記中穿插一些這本書的學習心得，直到把這本書學習完成。也希望這種方式能被接受。本期還是以我擅長的超寬帶電橋作為一個過渡。
帶狀線形式的電橋比較容易實現(xiàn)超寬帶，也能通過寬邊耦合結(jié)構(gòu)實現(xiàn)較強的耦合。很適合做強耦合的超寬帶電橋結(jié)構(gòu)。我們知道兩個8343電橋可以級聯(lián)成一個3dB電橋，因此8343超寬帶電橋在微帶和帶狀線結(jié)構(gòu)中非常流行。本文通過一個2GHz—18GHz帶狀線8343超寬帶電橋的實例來講述帶狀線超寬帶電橋的設計。
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1、帶狀線超寬帶8343電橋的結(jié)構(gòu)形式
電橋的原理在《貝茲孔波導定向耦合器的實現(xiàn)》以及《lange電橋的設計》中有介紹，這里不做重復。帶狀線8343電橋的結(jié)構(gòu)形式見圖1所示。實際由三片介質(zhì)片構(gòu)成，中間介質(zhì)片的正反兩面刻畫圖形，上下介質(zhì)片作為支撐。
圖1、帶狀線8343電橋及3dB電橋結(jié)構(gòu)
2、超寬帶8343電橋的設計方法
1) 設計步驟
該電橋?qū)儆隈詈蟼鬏斁€耦合器，設計時遵循如下步驟：
· 根據(jù)指標查表或者在ADS等電路仿真軟件中確定耦合傳輸線節(jié)數(shù)及奇偶模阻抗
· 根據(jù)奇偶模阻抗計算每節(jié)耦合傳輸線的物理尺寸
· 電磁場仿真優(yōu)化
2) 設計實例
a) 在ADS中建立模型確定耦合傳輸線節(jié)數(shù)及奇偶模阻抗
通過調(diào)諧及優(yōu)化計算可得每節(jié)耦合傳輸線奇偶模阻抗見表格1：
表格1、各節(jié)耦合傳輸線奇偶模特性阻抗
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Ze1 |
Zo1 |
Ze2 |
Zo2 |
Ze3 |
Zo3 |
Ze4 |
Zo4 |
Ze5 |
Zo5 |
各節(jié)
阻抗 |
108.3 |
23.3 |
67.9 |
40.1 |
56.3 |
44.6 |
51 |
46.5 |
49.6 |
48.3 |
b) 用奇偶模阻抗計算各節(jié)耦合傳輸線物理尺寸
根據(jù)個人習慣選用rogers5008 Er=2.2的材料，作為帶狀線的介質(zhì)。中間介質(zhì)厚度t=0.127mm，上下介質(zhì)厚度t=0.762mm，在polar SI9000或其他傳輸線計算工具中計算實際耦合傳輸線的物理尺寸。以Ze1=108.3，Zo1=23.3作為實例，見圖1所示。
圖2、奇偶模轉(zhuǎn)化為物理尺寸
由于8343耦合器屬于強耦合，在帶狀線中必須采用寬邊耦合結(jié)構(gòu)見圖2所示才能實現(xiàn)。計算是根據(jù)經(jīng)驗迭代完成的，在《微帶電路》一書中第三章耦合微帶線一節(jié)有（Ze+Zo）/2=Z0的結(jié)論（奇模和偶模和除2等于單根線的特征阻抗）。先根據(jù)單根線阻抗計算線寬，然后調(diào)節(jié)兩根線間距達到要求的奇偶模。通常情況下偶模由傳輸線寬度和上下層的支撐介質(zhì)厚度決定的，奇模由中間層介質(zhì)厚度，傳輸線寬度，以及兩個傳輸線的交疊程度決定的。經(jīng)過計算，各理論奇偶模阻抗就轉(zhuǎn)換成了實際的帶狀線物理尺寸，數(shù)據(jù)見表格2所示。
表格2、由奇偶模得到的耦合線實際物理尺寸
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W1 |
O1 |
W2 |
O2 |
W3 |
O3 |
W4 |
O4 |
W5 |
O5 |
物理
尺寸 |
0.75 |
0.4 |
1.1 |
1.2 |
1.25 |
1.75 |
1.3 |
2.2 |
1.3 |
2.7 |
上下層介質(zhì)：t=0.762mm
中間層介質(zhì)：t=0.127mm
介質(zhì)材料：rogers 5880 Er=2.2 |
c) 電磁場仿真優(yōu)化
有了實際的物理尺寸就可以進行電磁場仿真驗證了，在sonnet中建立實際的耦合器模型及直接仿真的結(jié)果見圖3所示。可以看出理論給出的參數(shù)是非常準確的，由于為了仿真快速我網(wǎng)格精度用的0.05，如果為了追求準確可以將網(wǎng)格細分，或者通過將該電路劃分成多個子電路進行精確設計。
圖3、帶狀線無折疊寬帶耦合器模型
圖3所示的結(jié)構(gòu)是一個反定向耦合器，這種耦合器不利于級聯(lián)構(gòu)成3dB耦合器，因此若想級聯(lián)使用需對該耦合器進行折疊見圖4。折疊后的耦合器直通路和耦合路位于同一方向，這種耦合器很方便進行級聯(lián)構(gòu)成3dB耦合器見圖1所示。
圖4、折疊式寬帶耦合器模型
折疊后如果中間節(jié)不進行特殊處理會破壞耦合器的對稱性，在能接受的情況下可以不用處理，但如果追求完美，可以適當對中間節(jié)進行對稱交叉處理即可。對稱交叉處理后對中間節(jié)的奇偶模參量影響可以通過奇偶模參數(shù)提取法詳見第9期《lange電橋的設計》來確定。
文中為了節(jié)省仿真時間帶狀線銅箔采用的0厚度，實際設計時要考慮銅箔厚度。
