羅 兵，張永亮

（廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子與通信學(xué)院，廣東 廣州 510515）

0 引 言

耦合器一直是無(wú)線通信系統(tǒng)中非常重要的組成部分，耦合器式一種能從無(wú)線信號(hào)主干通道中提取出一小部分信號(hào)的射頻器件，常用于對(duì)規(guī)定流向微波信號(hào)進(jìn)行取樣，例如：在微波信號(hào)發(fā)生器中用于功率監(jiān)視和功率增益控制等[1-4]，在接收機(jī)中用于抗干擾性測(cè)量或雜散測(cè)量。因此，耦合器一直是無(wú)線通信系統(tǒng)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1-7]。一般來(lái)說(shuō)，耦合器的設(shè)計(jì)均是根據(jù)參數(shù)指標(biāo)，進(jìn)行理論計(jì)算，得到實(shí)際耦合器的設(shè)計(jì)參數(shù)，但這種方法工作量大，精度不高，理論計(jì)算較復(fù)雜，且性能較差，鮮有能調(diào)節(jié)參數(shù)指標(biāo)的帶狀線寬帶耦合器。事實(shí)上，對(duì)于耦合器的設(shè)計(jì)，射頻/微波模擬軟件是一個(gè)必要的、評(píng)估耦合器性能的工具。美國(guó)安捷倫（Agilent）公司的大型EDA軟件Advanced Design System（ADS）就是其中的佼佼者，也是各大學(xué)和研究所在微波電路和通信系統(tǒng)仿真方面使用最多的軟件之一[1-2]。本文針對(duì)傳統(tǒng)理論計(jì)算設(shè)計(jì)繁瑣的方式，使用ADS軟件快速準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)一種可調(diào)式帶狀線寬帶耦合器，節(jié)省了時(shí)間，節(jié)約了設(shè)計(jì)成本，降低了通信系統(tǒng)更新?lián)Q代的成本，推動(dòng)了通信系統(tǒng)的升級(jí)和換代。針對(duì)一般耦合器方向性較差的問(wèn)題，提出一種可調(diào)諧式的設(shè)計(jì)方法，利用這種方法，極大地提高了耦合器的方向性等參數(shù)指標(biāo)，將此種耦合器用于通信系統(tǒng)，能提高通信系統(tǒng)的檢測(cè)準(zhǔn)確度，從而提高通信質(zhì)量，改善通信效果。

1 非對(duì)稱(chēng)寬帶耦合器的設(shè)計(jì)原理

微帶線是一根信號(hào)線，由支在介質(zhì)基片上的單一導(dǎo)體帶構(gòu)成的微波傳輸線，基片的另一面制作有接地金屬平板，如圖1所示，微帶線的一面置于絕緣介質(zhì)上，另外一面置于空氣中，圖1（a）是微帶線的結(jié)構(gòu)，圖1（b）是微帶線的場(chǎng)結(jié)構(gòu)，微帶線所傳輸?shù)牟闇?zhǔn)TEM波。如果線的厚度、寬度以及與地平面之間的距離是可控制的，則它的特性阻抗也是可以控制的。而帶狀線是一條置于兩層導(dǎo)電平面之間的電介質(zhì)中間的信號(hào)線，如圖2所示，圖2（a）是帶狀線的結(jié)構(gòu)，圖2（b）是帶狀線的場(chǎng)結(jié)構(gòu)，帶狀線傳輸?shù)氖荰EM波。如果帶狀線的厚度和寬度、介質(zhì)的介電常數(shù)以及兩層導(dǎo)電平面間的距離是可控的，那么線的特性阻抗也是可控的。一般來(lái)說(shuō)，帶狀線兩邊都有地平面，因此阻抗比微帶線會(huì)更易控制，同時(shí)屏蔽較好，且微帶線不利于實(shí)現(xiàn)較好的方向性和較高的帶寬。

圖1 微帶線及其場(chǎng)結(jié)構(gòu)

圖2 帶狀線結(jié)構(gòu)

對(duì)于微帶線，其特性阻抗可以表示為[5]：

其中，d表示微帶線到底層地平面之間的距離，W表示微帶線的寬度，εe為微帶線的有效介電常數(shù)，是把兩種介質(zhì)對(duì)微帶線特性阻抗的貢獻(xiàn)等效為一種假想的均勻介質(zhì)，εe表示為：

式（3）中的εr為絕緣介質(zhì)層介質(zhì)的介電常數(shù)。

對(duì)于帶狀線，特性阻抗可以表示為：

其中，εr為介質(zhì)的介電常數(shù)，b為上、下兩層地平面之間介質(zhì)層的厚度，We為帶狀線的有效寬度，We與實(shí)際帶狀線寬度W、上下兩層地平面之間介質(zhì)層的厚度b的關(guān)系為：

由于微帶線的上下層介質(zhì)（一層為空氣，一層為絕緣介質(zhì)層）不一樣，由圖1和式（1）、式（2）、式（3）可看出，微帶線的特征阻抗較難控制。而由圖2和式（4）、式（5）、式（6）可看出，由于帶狀線的上下層介質(zhì)相同，特征阻抗更容易控制，因此，選擇帶狀線的方式設(shè)計(jì)非對(duì)稱(chēng)寬帶耦合器。另一方面，因?yàn)槲Ь€的上層是空氣，而帶狀線的上下層均為介質(zhì)，微帶線中信號(hào)傳輸比帶狀線中的信號(hào)傳輸要快（對(duì)于耦合器來(lái)說(shuō)，傳輸速度不是主要關(guān)注的指標(biāo)），微帶線比帶狀線也更易于加工和調(diào)諧，因此，要對(duì)帶狀線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)留有可調(diào)諧窗口，便于對(duì)帶狀線進(jìn)行調(diào)諧。

在確定了選擇帶狀線的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)后，根據(jù)特征阻抗與奇、偶模阻抗的關(guān)系，通過(guò)選擇合適的奇模阻抗（Z0o）和偶模阻抗（Z0e），根據(jù)單節(jié)耦合器（如圖3所示）的結(jié)構(gòu)，奇模阻抗和偶模阻抗與回波損耗（S11）、插入損耗（S21）、耦合損耗（S31）、隔離度（S41）的關(guān)系如下：

圖3 單節(jié)耦合器結(jié)構(gòu)

而特征阻抗（Z0）與其奇模阻抗（Z0o）、偶模阻抗（Z0e） 的關(guān)系為：

因此，利用式（1）～式（11），可以準(zhǔn)確的計(jì)算出相應(yīng)的耦合器結(jié)構(gòu)尺寸。

2 20 dB非對(duì)稱(chēng)寬帶耦合器的設(shè)計(jì)與仿真

利用非對(duì)稱(chēng)寬帶耦合器的設(shè)計(jì)原理，耦合器階數(shù)越多，帶寬越寬，但仿真和調(diào)試越難。為了達(dá)到耦合器的設(shè)計(jì)帶寬，采用4階非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的形式，設(shè)計(jì)和仿真了一種寬帶耦合器，其指標(biāo)為：

（1）帶寬頻率為：350～2 700 MHz；

（2）帶內(nèi)插入損耗：≤0.15 dB；

（3）方向性：≥25 dB；

（4）隔離度：≥55 dB；

（5）回波損耗：≥25 dB；

（6）輸入輸出阻抗：50 Ω。

在ADS（Advanced Design System）軟件中建立非對(duì)稱(chēng)寬帶耦合器的模型，從左到右耦合間距逐漸變寬，并利用了枝節(jié)加載的方式，如圖4所示，在ADS軟件中進(jìn)行電磁仿真，最終仿真的各端口回波損耗（S11、S22、S33、S44）＞26 dB、0.05 dB ＜插入損耗（S21）＜0.146 dB、19.338 dB＜耦合損耗（S31）＜20.596 dB、48.819 dB＜隔離度（S41）＜65.976 dB，分別如圖5、圖6、圖7、圖8所示。

圖4 4階非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)寬帶耦合器電磁仿真模型

圖5 仿真的寬帶耦合器各端口回波損耗

圖6 仿真的寬帶耦合器插入損耗（S21）

圖7 仿真的寬帶耦合器耦合損耗（S31）

圖8 仿真的寬帶耦合器隔離度（S41）

3 寬帶耦合器的仿真與實(shí)際指標(biāo)對(duì)比

由于加工誤差，寬帶耦合器在制作過(guò)程中會(huì)存在與仿真尺寸的差異，因此，為了確保產(chǎn)品的合格率，設(shè)計(jì)了一種可以通過(guò)適當(dāng)修補(bǔ)銅皮的方式來(lái)進(jìn)行寬帶耦合器的調(diào)諧，如圖9所示。對(duì)實(shí)際制作的非對(duì)稱(chēng)寬帶耦合器進(jìn)行了測(cè)試，將實(shí)際制作的非對(duì)稱(chēng)寬帶耦合器與ADS電磁仿真結(jié)果對(duì)比，最終實(shí)物測(cè)試與仿真結(jié)果指標(biāo)吻合，如圖10，圖11，圖12，圖13所示，因此，完全可以根據(jù)仿真的結(jié)果制作寬帶耦合器，降低設(shè)計(jì)成本。

圖9 非對(duì)稱(chēng)寬帶耦合器的帶線

圖10 實(shí)測(cè)與仿真的回波損耗對(duì)比（S11）

圖11 實(shí)測(cè)與仿真的插入損耗對(duì)比（S21）

圖12 實(shí)測(cè)與仿真的耦合損耗對(duì)比（S31）

圖13 實(shí)測(cè)與仿真的隔離損耗對(duì)比（S41）

4 結(jié) 語(yǔ)

寬帶耦合器的設(shè)計(jì)是無(wú)線通信領(lǐng)域一直比較熱門(mén)的研究技術(shù)，采用理論設(shè)計(jì)方法已經(jīng)顯得耗時(shí)、費(fèi)力、工作量大、精度不高，因此本文使用經(jīng)典的微波射頻仿真軟件ADS（Advanced Design System）進(jìn)行寬帶耦合器的設(shè)計(jì)與仿真工作，能快速的實(shí)現(xiàn)寬帶耦合器的設(shè)計(jì)。本文采用帶狀線方式實(shí)現(xiàn)寬帶耦合器，利用了帶狀線阻抗較易控制的優(yōu)點(diǎn)，克服帶狀線不方便進(jìn)行調(diào)諧的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種非對(duì)稱(chēng)寬帶耦合器，帶寬較寬（覆蓋2G、3G、4G等頻段），具有優(yōu)良的回波損耗（S11＜-25.5 dB），較穩(wěn)定的耦合度（-20.59 dB＜S31＜-19.45 dB），較高的隔離度（S41＜-55.9 dB），直通端具有較小的帶內(nèi)波動(dòng)（-0.15 dB＜S12＜-0.05 dB），并且在一定范圍內(nèi)可調(diào)諧，功率容限高，體積小，用于通信系統(tǒng)，可以降低設(shè)計(jì)成本。