C-Ku波段超寬帶3dB 定向耦合器設計

2017-02-17 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網

摘要:針對傳統(tǒng)定向耦合器在帶寬、耦合度和電路集成方面的不足,采用平行耦合微帶線與缺陷地結構(DGS)相結合的方法,設計了一款C-Ku 波段的超寬帶定向耦合器,在一個倍頻程的寬頻段范圍內達到了3dB 左右的強耦合效果。使用電磁仿真軟件HFSS 對電路進行仿真和優(yōu)化,仿真與優(yōu)化結果表明,在7.5GHz-13.5GHz 頻率范圍內,耦合度為3.3dB±0.2dB,回波損耗大于17dB,隔離度大于17dB;在6GHz-14.5GHz 頻率范圍內,耦合度為3.3dB±0.6dB,回波損耗大于15dB,隔離度大于15dB。

1 引言

定向耦合器是微波電路中必不可少的器件,廣泛用于平衡放大器、調制器、移相器等設計中。傳統(tǒng)的分支線耦合器由于需要有四分之一波長傳輸線結構,故帶寬被限制在10%~20%[1]。耦合線耦合器一般適用于弱耦合情況,因為強耦合需要微帶線靠得很近,難于加工。利用寬邊耦合方式設計的帶狀線耦合器可以實現(xiàn)超寬帶和強耦合,但帶狀線在與其他微波器件集成時存在困難[2]。Lange 耦合器可以比較容易達到3dB 的耦合度,且有一個倍頻程或更寬的帶寬,但因為帶線寬度窄,且需要跨線,工藝要求高,在較高的微波頻段用微帶線實現(xiàn)難度大[3]。

利用小孔耦合設計的微帶線耦合器,采用多層層的小孔耦合,這種3dB 定向耦合器具有良好的回波損耗和隔離度,但因各端口位于不同平面,在一定條件下限制了其應用范圍[4-7]。通過在平行耦合微帶線的地平面上開矩形窗,矩形窗內部引入兩條微帶線,與上表面的微帶線通過金屬化通孔互連,可以有效增強耦合[8]。這種結構降低了對加工工藝的要求,而且容易與其他器件集成。

本文結合平行耦合微帶線和缺陷地結構(DGS),設計了一款工作在C-Ku 波段的超寬帶3dB 定向耦合器,電路可以采用傳統(tǒng)的印制電路板(PCB)工藝加工。所涉及的電路結構如圖1 所示。電路尺寸僅為18mm×10mm;耦合器各端口位于同一平面,便于與其他微波器件集成。通過電磁仿真軟件HFSS 對耦合器結構做了仿真與優(yōu)化,結果達到了很好的性能要求。

C-Ku波段超寬帶3dB 定向耦合器設計ADS電磁應用技術圖片1
圖1 C-Ku 波段超寬帶3dB 定向耦合器結構圖

2 耦合器電路設計

本文設計選用Rogers 公司的RO4003 作為介質基板,相對介電常數(shù)為3.55,損耗因子為0.0027,基板厚度為0.508mm,覆銅厚度為0.018mm。耦合器頂層電路如圖2(a)所示,與傳統(tǒng)微帶耦合線結構相同;在微帶耦合線的底層開長為Lg、寬為Wg的矩形窗,如圖2(b)所示。矩形窗中間采用交叉指型的電路結構,通過半徑為R 的金屬化通孔與頂層耦合微帶線相連,微帶線之間縫隙寬度為S1。對于傳統(tǒng)耦合微帶線耦合器,電壓耦合系數(shù)C與偶模特征阻抗Z0e 和奇模特征阻抗Z0o 存在如下關系:

C-Ku波段超寬帶3dB 定向耦合器設計ADS電磁應用技術圖片2
可見偶模和奇模特征阻抗相差越大,耦合越強[1]。與傳統(tǒng)耦合線耦合器相比,本設計在偶模和奇模激勵下都引入了頂層與底層微帶線間的電容,但在奇模激勵時還存在底層微帶縫隙間的耦合電容,因縫隙狹窄且較長,此電容對電路影響不可忽略。由偶模特征阻抗和奇模特征阻抗與電容的關系,偶模和奇模特征阻抗同時減小,但奇模特征阻抗減小更多些,導致耦合度的增加。另外,因交叉指型結構與波長無關,使得耦合器具有很寬的工作頻帶。

通過HFSS 建模,對應于圖2 中耦合器電路的關鍵尺寸如下: L_sub=18mm ,W_sub=10mm ,L1=8.4mm , S1=0.15mm , Wz0=1.2mm ,Lc=1.55mm,Lg=6.7mm,Wg=2.75mm,R=0.2mm。

C-Ku波段超寬帶3dB 定向耦合器設計ADS電磁應用技術圖片3

C-Ku波段超寬帶3dB 定向耦合器設計ADS電磁應用技術圖片4

(a)頂層電路(b)底層電路

圖2 耦合器頂層電路和底層電路

C-Ku波段超寬帶3dB 定向耦合器設計ADS電磁培訓教程圖片5
圖3 S21 隨Lg 的變化情況

只需調整少量的參數(shù)即可達到設計要求。調整L1長度可以對工作頻率進行微調。調整微帶線間距S1和電路底層開窗的長度Lg 可以改變微帶線間的耦合度。圖3 給出了耦合度與對其影響較大的Lg 之間的關系:當Lg 分別取3.9mm、4.7mm、5.5mm、6.3mm和7.1mm 時,S21 典型值分別為-4.5dB、-4.0dB、-3.5dB、-3.3dB 和-3.3dB?？梢婋S著Lg 的增加,耦合度相應增大,最后基本穩(wěn)定在-3.3dB 附近?？紤]到電路存在介質損耗、輻射損耗和導體損耗,確定3dB 定向耦合器的Lg 取值為6.7mm。按照同樣方法對電路中的其他參數(shù)優(yōu)化。

3 耦合器仿真結果

通過優(yōu)化,最終得到耦合器的S 參數(shù)幅度和相位仿真結果如圖4、圖5 所示。由圖4 可見,在7.5GHz-13.5GHz 頻率范圍內,耦合度為3.3dB±0.2dB,回波損耗大于17dB,隔離度大于17dB;在6GHz-14.5GHz 頻率范圍內,耦合度為3.3dB±0.6dB,回波損耗大于15dB,隔離度大于15dB。由圖5 可見,在6GHz-14.5GHz 頻率范圍內,端口2和端口3 之間的相位差delta_angle 始終維持在89deg-90deg 之間。因此,在C-Ku 波段,耦合器的各項指標均達到了比較理想的結果。若適當降低對上述指標要求,則可以對耦合器參數(shù)進行調整,使工作帶寬進一步擴大。

C-Ku波段超寬帶3dB 定向耦合器設計ADS電磁培訓教程圖片6
圖4 耦合器S 參數(shù)幅度仿真結果

C-Ku波段超寬帶3dB 定向耦合器設計ADS電磁培訓教程圖片7
圖5 耦合器S 參數(shù)相位仿真結果

4 結論

本文采用平行耦合微帶線與缺陷地結構相結合的方法,利用電磁仿真軟件HFSS 仿真和設計了一款工作在C-Ku 波段的超寬帶3dB 定向耦合器。在7.5GHz-13.5GHz 頻率范圍內,耦合度為3.3dB±0.2dB,回波損耗和隔離度均大于17dB;在6GHz-14.5GHz 頻率范圍內,耦合度為3.3dB±0.6dB,回波損耗和隔離度均大于15dB。耦合端和直通端的相位差為89deg-90deg。因耦合器體積小,頻帶寬,采用位于同一平面的微帶端口,便于與微波器件集成,具有很好的實用性。

作者:劉志強徐金平東南大學毫米波國家重點實驗室

開放分享：優(yōu)質有限元技術文章,助你自學成才