俞忠武，李　斌

(1.空軍工程大學(xué) 防空反導(dǎo)學(xué)院，陜西 西安 710051；2.中國人民解放軍駐七二〇廠軍事代表室，江蘇 南京 210038)

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一種小型諧波抑制3 dB分支耦合器的設(shè)計

俞忠武1,2，李斌2

(1.空軍工程大學(xué) 防空反導(dǎo)學(xué)院，陜西 西安 710051；2.中國人民解放軍駐七二〇廠軍事代表室，江蘇 南京 210038)

基于分支線耦合器小型化和諧波抑制特性的要求，提出了一種小型諧波抑制分支線耦合器的設(shè)計方法，通過采用等效傳輸線理論和分形幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計?；诖朔椒?，設(shè)計了小型諧波抑制3 dB分支線耦合器，并對其進(jìn)行了實物制作和測試。測試結(jié)果表明，該耦合器不僅實現(xiàn)了77.9%的尺寸縮減，而且具有5次諧波抑制的特性。與傳統(tǒng)方法相比，設(shè)計方法具有尺寸小、諧波抑制特性好、易于制作和集成等優(yōu)點，可以在無線通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

分形結(jié)構(gòu)；諧波抑制；分支線耦合器

0　引言

3 dB分支線耦合器是微波工程中的重要器件之一，在平衡混頻器、移相器和開關(guān)等集成電路和天線饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計中得到了廣泛應(yīng)用。然而，在理論上，分支線耦合器四臂的長度都約等于四分之一波導(dǎo)波長，當(dāng)工作在低頻段時，這個尺寸對于微波集成電路而言是很大的。因此，開展具有諧波抑制特性的小型耦合器的研究一直是微波工程設(shè)計人員研究的熱點。

減小分支線耦合器尺寸的方法主要有：采用集總元件、采用慢波結(jié)構(gòu)、采用具有高介電常數(shù)微帶板、采用人工傳輸線或者左手傳輸線、采用分形曲線或者空間填充曲線和運用等效傳輸線理論。其中，文獻(xiàn)[1-2]采用集總元件可以將耦合器的尺寸控制在很小的范圍內(nèi)，但其實際設(shè)計精度要求高，工作頻帶窄，制作過程復(fù)雜；文獻(xiàn)[3-4]采用EBG等慢波結(jié)構(gòu)，可以將耦合器的尺寸減小20%左右，但其具有不易于集成的缺點；文獻(xiàn)[5]采用高介電常數(shù)介質(zhì)板可以大大降低耦合器的尺寸，但損耗大，加工精度要求高，制作成本高，使其不易推廣；文獻(xiàn)[6-11]采用人工傳輸線和左手傳輸線設(shè)計過程復(fù)雜，不利于推廣；文獻(xiàn)[12-14]采用分形曲線或者空間填充曲線不采用任何集總元件，只將傳輸線彎曲成分形曲線或者空間填充曲線的形狀，其面積就可以獲得很大的縮小尺寸，是分支線耦合器小型化設(shè)計的一種重要方法，文獻(xiàn)[12-13]分別獲得了75.3%和70%的縮小比例；運用等效傳輸線理論將分支線耦合器的四分之一波長的傳輸線等效為平行雙線，是分支線耦合器小型化設(shè)計的另一種重要方法，其中文獻(xiàn)[15]將傳輸線等效為平行雙線，實現(xiàn)了63.9%的尺寸縮減。文獻(xiàn)[16]將傳輸線等效為加載2個開路枝節(jié)的傳輸線，獲得了28.7%的縮小比例。

以上方法只是針對減小耦合器尺寸進(jìn)行的設(shè)計，并沒有考慮耦合器的諧波抑制特性。當(dāng)耦合器作為天線的饋電電路時，由于空間雜波較多，諧波抑制特性是必須要考慮的因素。設(shè)計具有諧波抑制特性的小型耦合器通常有2種方法：① 在小型耦合器的4個輸入/輸出端口加載低通濾波結(jié)構(gòu)，然而，這樣的結(jié)構(gòu)尺寸會增加耦合器的尺寸，不利于小型化設(shè)計；② 運用具有低通特性的傳輸線取代分支線耦合器的4個分支臂[17]，每一個分支臂由加載2個開路枝節(jié)的傳輸線組成，實現(xiàn)了37%的尺寸縮減和5次諧波的抑制特性。

在總結(jié)相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，本文運用等效傳輸線理論和分形幾何結(jié)構(gòu)來設(shè)計具有諧波抑制特性的小型分支線耦合器，該耦合器實現(xiàn)了77.9%的尺寸縮減和5次諧波抑制的特性。

1　設(shè)計方法

根據(jù)微波網(wǎng)絡(luò)理論，傳統(tǒng)的傳輸線等效為加載2個平行開路枝節(jié)的主傳輸線，此時2個開路枝節(jié)等效于電容加載的作用。采用電容加載技術(shù)可以在一定的程度上減小傳輸線的長度。同時，如果等效傳輸線的結(jié)構(gòu)參數(shù)獲得合適的值時，等效傳輸線可以獲得良好的低通和寬帶阻帶特性。因此，將此等效傳輸線用于分支線耦合器的設(shè)計，可以實現(xiàn)小型諧波抑制耦合器的設(shè)計。傳輸線的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

傳統(tǒng)傳輸線的ABCD矩陣的表達(dá)式如下：

(1)

(2)

式中，Z0,θ0分別為傳統(tǒng)傳輸線的特性阻抗和電長度；Z1,θ1分別為等效傳輸線的主傳輸線的特性阻抗和電長度；Z2,θ2分別為等效傳輸線開路枝節(jié)的特性阻抗和電長度。

令[A]a=[A]b，則

(3)

(4)

可以看出，當(dāng)Z0,θ0一定時，Z1，Z2由θ1和θ2決定；當(dāng)Z1>Z0時，在180°的范圍內(nèi)，θ1<θ0，同時，θ1滿足條件：0°<θ2<90°。

為了分析等效傳輸線的頻率響應(yīng)特性曲線，假設(shè)Z0=50 Ω，θ0=90°，從式(3)可以看出，Z1和θ1成反比關(guān)系；從式(4)可以看出，隨著θ1和θ2的增加，Z2逐漸減小。不同電長度時，等效傳輸線的頻率響應(yīng)曲線如圖2所示，電長度以頻率1.2 GHz計算。

圖2　等效傳輸線頻率響應(yīng)曲線

從圖2可看出，當(dāng)θ1=30°、θ2=15°時，等效傳輸線具有良好的低通和寬帶諧波抑制特性。因此，在等效傳輸線的設(shè)計中，取θ1=30°，θ2=15°。

為了進(jìn)一步減小分支線耦合器的尺寸，對等效傳輸線的主傳輸線進(jìn)行分形設(shè)計，但在將傳輸線彎曲成分形曲線或者空間填充曲線的形狀時，需要考慮微帶線的相位特性[18]。在微帶傳輸線的拐角等不連續(xù)處，由于累積電荷的存在，會使得直傳輸線比具有相同長度(以微帶傳輸線的中心線計)的彎曲傳輸線的相位超前，而且這種超前效應(yīng)會隨著頻率的升高越發(fā)明顯。因此，需要對彎曲傳輸線進(jìn)行相位補償。相位補償可以通過Serenade仿真軟件來完成，首先計算出分形曲線的相位值，然后，對比相位值與目標(biāo)相位值，適當(dāng)增加一定物理長度，就可以完成滿足相位設(shè)計要求的分形傳輸線。

2　測試結(jié)果分析

根據(jù)以上設(shè)計方法，設(shè)計了小型諧波抑制分支線耦合器，該耦合器制作在相對介電常數(shù)為2.65、厚度為0.5mm的聚四氟乙烯玻璃布板上。小型諧波抑制分支線耦合器的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　小型諧波抑制分支線耦合器結(jié)構(gòu)

耦合器的參數(shù)為：Wf=1.4 mm，W1=6.8 mm，L1=29.5 mm，W2=0.9 mm，W2=1.6 mm。耦合器工作的中心頻率為0.5 GHz，耦合器的尺寸為46.5 mm×48.8 mm，傳統(tǒng)耦合器的尺寸為100.4 mm×102.2 mm。耦合器的面積只有傳統(tǒng)耦合器的22.1%，實現(xiàn)了77.9%的尺寸縮減。

耦合器的S參數(shù)仿真結(jié)果和相位特性仿真結(jié)果如圖4所示。耦合器的實物圖如圖5所示。耦合器的測試結(jié)果如圖6所示。

圖4　耦合器仿真結(jié)果

圖5　耦合器實物

圖6　耦合器測試結(jié)果

從圖6(a)可以看出，該耦合器的傳輸特性良好，在485～510 MHz的頻帶內(nèi)，回波損耗和隔離度均大于20 dB，直通端口的幅度變化為3.43～3.75 dB，耦合端口的幅度變化為3.3～3.71 dB。同時，在1.08～2.69 GHz的頻帶內(nèi)，諧波抑制大于20 dB。圖6(b)為耦合器相位特性測試結(jié)果，在中心頻率處，相位差為91.8°，在0.455～0.545 GHz頻段內(nèi)，相位的不平衡度小于1.9°。因此，該小型化諧波抑制具有尺寸小、諧波抑制頻帶寬和性能良好的優(yōu)點。

3　結(jié)束語

本文提出了一種基于等效傳輸線理論和分形幾何結(jié)構(gòu)的小型諧波抑制分支線耦合器的設(shè)計方法。基于微波網(wǎng)絡(luò)理論，將分支線等效為加載開路枝節(jié)的傳輸線，通過優(yōu)化調(diào)整加載枝節(jié)傳輸線的結(jié)構(gòu)參數(shù)，在減小尺寸的同時，獲得了良好的低通和寬帶帶阻特性。對等效傳輸線的主傳輸線進(jìn)行分形設(shè)計，進(jìn)一步減小了耦合器的尺寸。采用此方法設(shè)計了小型諧波抑制3 dB分支線耦合器。測試結(jié)果表明，該耦合器在具有77.9%的尺寸縮減的同時，實現(xiàn)了5次諧波抑制的特性，具有良好的應(yīng)用前景。

[1]CHIOU H K,LIN H H,CHANG C Y.Lumped-element Compensated High/Low-Pass Balun Design for MMIC Double-Balanced Mixer[J].IEEE Microwave and Guided Wave Letters,1997,7:248-250.[2]CHIANG Y C,CHEN C Y.Design of a Wide-Band Lumped-Element 3 dB Quadrature Coupler[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2001,49(3):476-479.

[3]SHUM K M,XUE Q,CHAN C H.A Novel Microstrip Ring Hybrid Incorporating an EBG Cell[J].IEEE Microwave and Wireless Components Letters,2001,11(6):258-260.

[4]SUNG Y J,AHN C S,KIM Y S.Size Reduction and Harmonic Suppression of Rat-Race Hybrid Coupler Using Defected Ground Structure[J].IEEE Microwave and Wireless Components Letters,2004,14(1):7-9.

[5]NG C Y,CHONGCHEAWCHAMNAN M,AFTANASAR M S,et al.Miniature X-band Branch-line Coupler using Pphotoimageable Thick-film Materials[J].Electronics Letters,2001,37(19):1 167-1 168.

[6]文科,宗彬鋒,李天鵬,等.基于DMRC結(jié)構(gòu)的小型分支線耦合器設(shè)計[J].電子設(shè)計工程,2014,22:84-87.

[7]ECCLESTON K W,ONG S M.Compact Planar Microstripline Branch Line and Rat-Race Couplers[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2003,51(10):2 119-2 125.

[8]SUN K O，HO S J，YEN C C，et al.A Compact Branch-line Coupler using Discontinuous Microstrip Lines[J].IEEE Microwave and Wireless Components Letters,2005,15(8):519-520.

[9]LIAO S S,SUN P T,CHIN N C,et al.A Novel Compact-Size Branch-line Coupler[J].IEEE Microwave and Wireless Components Letters,2005,15(9):588-590.

[10]LIAO S S,PENG J T.Compact Planar Microstrip Branch-line Couplers using the Quasi-lumped Elements Approach with Nonsymmetrical and Symmetrical T-Shaped Structure[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2006,54(9):3 508-3 514.

[11]WANG C W,MA T G,YANG C F.A New Planar Artificial Transmission Line and its Applications to a Miniaturized Butler Matrix[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2007,55(12):2 792-2 801.

[12]GHALI H,MOSELHY T A.Miniaturized Fractal Rat-race,Branch-Line and Coupled-Line Hybrids[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2004,52(11):2 513-2 520.

[13]AWIDA M H,SAFWAT A M E,EL-HENNAWY H.Compact Rat-race Hybrid Coupler using Meander Space Filling Curves[J].Microwave and Optical Technology Letters,2006,48(3):606-609.

[14]CHEN Wen-ling,WANG Guang-ming.Exact Design of Novel Miniaturized Fractal-shaped Branch-line Couplers using Phase-equalizing Method[J].IET Microwaves,Antennas & Propagation,2008,2(8):773-780.

[15]TANG Ching-wen,CHEN Ming-guang,TSAI Chih-hung.Miniaturization of Microstrip Branch-line Coupler with Dual Transmission Lines[J].IEEE Microwave and Wireless Components Letters,2008,18(3):185-187.

[16]JING Tao,SHI Xiao-wei,GUO Yu-chun.Design of a Compact Branch-Line Coupler using Capacitance Loading[J].Microwave and Optical Technology Letters,2009,51(1):198-200.

[17]MONDAL P,CHAKRABARTY A.Design of Miniaturised Branch-line and Rat-Race Hybrid Couplers with Harmonics Suppression[J].IET Microwave,Antennas & Propagation,2009,3(1):109-116.

[18]陳文靈.分形幾何在微波工程中的應(yīng)用研究[D].西安:空軍工程大學(xué),2009.

俞忠武男，(1983—)，博士，工程師。主要研究方向：雷達(dá)天線設(shè)計、微波器件研制等。

李斌男，(1980—)，博士，工程師。主要研究方向：雷達(dá)裝備管理等。

Design of a Small-size 3 dB Branch-line Coupler with Harmonic Suppression

YU Zhong-wu1,2;LI Bin2

(1.Anti-missileInstituteofAirForceEngineeringUniversity,Xi’anShaanxi710051,China;2.MilitaryRepresentativeOfficeofPLAStationedat720Factory,NanjingJiangsu210038,China)

Based on a consideration of branch-line coupler miniaturization and harmonic suppression characteristics,the design method of a small-size 3 dB branch-line coupler with harmonic suppression is proposed.The method is based on the equivalent transmission line theory and the fractal geometry structure.By adopting the method,a 3dB branch-line coupler is fabricated and tested.The test results demonstrate that the designed coupler realizes a 77.9% size reduction and the frequency suppressed band width is up to the fifth harmonic frequency point.Compared with the conventional methods,the method proposed in this paper has the advantages of small size,excellent harmonic suppression and easy production and integration.Therefore,the design method can be widely applied in wireless communication systems.

fractal geometry structure;harmonic suppression;branch-line coupler

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.10.12

2016-06-23

國家自然科學(xué)基金資助項目(61372034)。

TN919.3

A

1003-3106(2016)10-0051-03

引用格式：俞忠武,李斌.一種小型諧波抑制3 dB分支耦合器的設(shè)計[J].無線電工程,2016,46(10):51-53,77.