论文研究-一种新型C波段微带耦合器的设计 .pdf-资料库

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5 10 15 20 25 30 35 40 中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 一种新型 C 波段微带耦合器的设计解大芳1，补世荣2，何羚1** （1. 电子科技大学空天科学技术研究院，成都 610054； 2. 电子科技大学光电信息学院，成都 610054）摘要：本文首先采用微波技术的奇偶模分析法分析了微带线定向耦合器的工作原理，在此基础上结合 IE3d 仿真软件，给出了采用新结构的 C 波段窄带微带耦合器仿真的耦合度、隔离度和反射值并且给出了常规结构的仿真值以作为对比。结果显示新结构在同等耦合度时隔离度上优势明显。最后设计了一款新结构的小型较弱耦合高隔离度微带耦合器。中心频率为 5.3GHz，带宽为 100MHz。耦合度为-15 dB，隔离度-40dB，带内反射小于-20dB，微带面上尺寸为 20mm*15mm 并通过通过的实验证实了该结构的可行性和正确性。关键词：微波技术；微带耦合器；弱耦合；高隔离度；小体积中图分类号：TN828.4 Design of a new type microstrip coupler at C band (1. Institute of Astronautics & Aeronautic Introduction , University of Electronic Science and 2. School of Optoelectronic Information, University of Electronic Science and Technology of Xie Dafang1, Bu Shirong2, He Ling1 Technology of China, ChengDu 610054; China, ChengDu 610054) Abstract: In this paper the principle of work for the directional couplers of microstrip line is analyzed by the odd-even mode method in microwave technology.Based on the theory with simulationsoftware named ie3d,presented the simulation value of coupling, isolation and reflection for a new structure narrowband microstrip coupler at C band,and given the simulation value of routine structure for comparison.results show that the new structure have advantage in isolation in the same coupling.finally,a new type and pint-sized microstrip coupler with weak coupling and high isolation is designed。The coupler has a central frequency of 5.3GHz and 100MHz bandwidth，its’coupling is -15dB with a high isolation -40dB. the return loss in the passband is less than -20dB and the square of microstrip is only 20mm×15mm. Experiments demonstrate the design feasibility and correctness. Keywords: microwave technology; microstrip coupler; weak coupling; high isolation; pint-sized 0 引言耦合器是一种常用的微波器件，包括波导耦合器、同轴腔耦合器以及微带耦合器[1]，耦合器的工作原理是将大信号通过缝隙、小孔等耦合方式耦合到耦合支路，然后通过测量这个耦合之后的小信号再根据耦合器的耦合度来推算大信号的功率值，而此时隔离端口的输出接近为零[2]。因此耦合器可以作为信号的耦合，合成以及隔离，在各种微波通讯、仪器测量、功放系统[3]以及信号的隔离中普遍使用。在测试系统中包括了很多功能，实现这些功能的器件的集成成为一个重要的问题。在 C 波段，为了便于加工，现在普遍采用的有源器件器件都是集成在微带板材上，因此相应的无源器件也都要求采用微带器件或者 LC 器件，对于耦合器来说要便于集成的就需要采用微带耦合器。此外由于系统空间有限，还要保证小体积[4]。本文研究的微带耦合器用于某检测系统 5.3G 频率泄露检测，耦合度为-15dB，由于系统要求便于携带，因此必须要求小体积并且能集成于微带版图上。除此之外耦合器本身的 S 作者简介：解大芳，（1986-），男，硕士研究生，微波毫米波。通信联系人：补世荣，(1976-)，男，副教授，微波毫米波电路系统、高温超导电路。E-mail: bsr@uestc.edu.cn - 1 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 45 参数性能必须要达到要求，这个指标为反射-20dB 左右，方向性-20dB 左右。常见的微带耦合器在 5.3GHz，带宽 100M 内难以实现耦合度-15dB 时，隔离度达到普遍要求的-30d，已经出版的文献中目前没有这类耦合器的报道，本文对通过分析对以往的结构加以改进之后，实现了这个指标。 1 微带定向耦合器的基本理论 50 定向耦合器是一种典型的对称四端口网络，分析这种网络采用的是奇偶模分析法。本节将基于 IE3d 仿真软件对微带耦合器做分析和仿真。对于一个普通微带耦合器其结构如下： 55 60 65 图 1 端接 50 欧负载的定向耦合器 Fig.1 Directional coupler with the termination of 50 图 1 是一个等效的端接 50 欧姆的定向耦合器，实际电路的输出为 50 欧姆线匹配。奇偶模叠加后可求得端口一的输入阻抗为： Z in 1 = v 1 I 1 = v e 1 I e 1 + + v o 1 I o 1 Z e 1 = v + Z Z c v + e 1 Z e 1 + + Z c v + v + Z c Z c Z o 1 Z o 1 Z o 1 将对称面 'AA 分别的开路和短路可以得到 oeZ 和 ooZ ，因此可以得到奇偶模阻抗如下： Z e 1 = Z oe Z Z + + jZ tg oe jZ tg θ θ c Z 1 o = Z oo Z Z c oe + + jZ tg oo jZ tg θ θ c c oo 考虑匹配情况下，我们得到一端口的输入电阻也是 50 欧姆，因此可以得到这时候的条件为 Z = 根据经典的定向耦合器的的 S 参数[5]： Z Z Z oe Z − ( j C c Z Z oe oo ) j ( S 11 { S 13 = ctg 2 + θ oe + c j ( Z oe Z c ± c ) Z Z oe 2 ctg + θ Z oo Z − Z Z c j ( Z oo Z c c ) oo + c ) Z Z oo - 2 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn S 12 { S 14 = ctg 2 + θ cos θ Z j ( oe Z c + ± c ) ctg 2 + θ Z Z oo cos θ Z j ( oo Z c + c ) Z Z oo S 此时 11 = S 33 = S 14 = ，只是理想情况下的定向耦合器的理论，即当完全匹配的的时 0 70 候隔离度和反射是等于零的，是没有关系的。然而实际情况并不能达到完全匹配，根据定向耦合器的的 S 参数我们可以看出反射和隔离度存在关系，本文也将利用这个关系来得到想要的结果 2 常规的 5.3GHz，带宽 100M 弱耦合微带定向耦合器 75 80 图 2 常规耦合器模型和输出曲线 Fig.2 The model and output curves of conventional structure coupler 图 2 是一个常规的定向耦合器[9]，采用的介质几篇是罗杰斯 5880，厚度 0.508mm，介电常数为 3.48，采用的是 IE3d 仿真软件，当满足我们需要的-15dB 耦合的时候，优化电路尺寸后，得到其各主要 S 参数如下图所示，曲线 1 为 21S ,曲线 2 为 31S ，曲线 3 为 41S ，曲线 4 为 33S ，很明显其隔离度并没有达到-30dB。 3 改进后的 5.3GHz，带宽 100M 弱耦合微带定向耦合器和实际结果根据上文的理论，即反射和隔离度存在关系我们对常规的定向耦合器做出如下变形 - 3 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 85 90 图 3 改进后的耦合器模型和输出曲线 Fig.3 The model and outputs curves of improved coupler 变形后的定向耦合器，其实际作用是改变了耦合端口的输出反射来达到我们需要的隔离度，变形后得到的输出参数为图 3。改进后的仿真结果显示(曲线 1 为 21S ,曲线 2 为 31S ，曲线 3 为 41S ，曲线 4 为 33S )，当耦合度为-15dB 时，隔离度-34dB 比普通的耦合器好 10dB，反射也达到了-20dB 满足要求. C 波段的片面无源电路采用 IE3d 仿真，是很有价值的。仿真的结果一般会接近实测的结果。实际的耦合器和结果如下： 95 图 4 实际的耦合器 Fig.4 The real figure of improved coupler 当直通端口和耦合端口接 50 欧姆负载，时得到的 S 参数曲线为: - 4 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 100 图 5 试验的的隔离度和输入反射 Fig.5 Isolation and input reflection in experiments 图 5 中的 S11 为输入端的反射系数在-20dB，其隔离度即图中的 S21 得到的带内最好调 105 试结果为-40dB 一下,当直通端口和隔离端口接 50 欧姆负载，时得到的 S 参数曲线为： 110 图 6 中的 S11 为输出端的反射系数在-20dB，其耦合度在带内-15dB.误差 0.2dB，考虑仪图 6 试验的耦合度和输出反射 Fig.6 Coupling and output reflection in experiments 器本身的误差，耦合度达到要求。 - 5 -

中国科技论文在线 4 结论 http://www.paper.edu.cn 115 本文给出了耦合器设计理论，结合 IE3d 仿真软件，成功的设计中心频率为 5.3GHz，带宽为 100MHz 的高隔离度，弱耦合的小型耦合器。从测试结果看，该耦合器完全符合设计要求。从本文的设计结果可以看出，由于实际中不能做到完全匹配，因此可以利用耦合端的反射与隔离度的关系，通过改变反射来达到改变耦合度的关系。 120 [参考文献] (References) [1] 张克潜，顾茂章. 微波技术[M]. 北京：清华大学出版社， 1989 [2] 孙晶菁. 双频分支线耦合器的研究[D]. 广州：华南理工大学. 2011 [3] 张凯，马晓华，韩红波，刘帅.L 波段平衡式功率放大器的设计与实现[J].电子器件，2011，34（6）：672-676 [4] 刘红，王小峰.微波网络及其应用[M].成都：电子科技大学出版社，1997 [5] Leung Chiu,Quan Xue.Investigation of a Wideband 90 degree Hybrid Coupler With an Arbitrary Coupling Level[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2010,58(4):1022-1029 125 - 6 -

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