張靜，劉芫健

　　（南京郵電大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210003）

      摘要：提出了一種新型的多層實(shí)現(xiàn)的Lange耦合器，它的耦合系數(shù)為3 dB。相較于傳統(tǒng)加工工藝而言，多層技術(shù)克服了傳統(tǒng)Lange耦合器由于線窄又緊靠在一起而加工困難的問(wèn)題。該耦合器采用50 Ω阻抗線進(jìn)行匹配和進(jìn)行終端測(cè)量。在中心頻率處實(shí)現(xiàn)2.8 dB耦合，相對(duì)帶寬達(dá)到80%，實(shí)現(xiàn)超寬帶。

　　關(guān)鍵詞：Lange耦合器；多層技術(shù)；超寬帶

0引言

　　隨著科技的進(jìn)步與發(fā)展，設(shè)備集成化與小型化已經(jīng)越來(lái)越多地進(jìn)入大眾的視野?，F(xiàn)代設(shè)備設(shè)計(jì)和系統(tǒng)要求高度的集成化和小型化，而且還需要具有較寬的工作區(qū)域，在某些特定的環(huán)境下具有一定的可靠性。耦合器的主要功能是實(shí)現(xiàn)把一路微波功率按比例分成幾路。其中定向耦合器是一種應(yīng)用廣泛的微波無(wú)源器件，在實(shí)現(xiàn)信號(hào)的隔離、分離和混合等功能要求時(shí)被廣泛應(yīng)用［1］。傳統(tǒng)耦合器由于很難實(shí)現(xiàn)緊耦合和較寬的帶寬，已經(jīng)越來(lái)越不能滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。

　　在傳統(tǒng)的正交耦合器中，Lange耦合器的應(yīng)用較為廣泛，這主要是由于Lange耦合器能夠在較寬的帶寬上擁有較高的耦合度。為了增加線之間的公共電容，將幾條平行線用垂直的金屬跳線相連接。從傳輸線原理來(lái)看，金屬條線能夠確保被連接的兩條微帶線上的電壓是一致的。但這樣一來(lái)，耦合器性能將受到影響而變差，尤其是在高頻階段。除此之外，金屬跳線相當(dāng)精細(xì)，普通制作工藝很難實(shí)現(xiàn)。另外，在控制金屬跳線精細(xì)度的同時(shí)會(huì)導(dǎo)致金屬微帶線之間的間隔變得很小，這對(duì)加工來(lái)說(shuō)，無(wú)疑又是一個(gè)難題。

　　對(duì)于以上問(wèn)題目前有不少學(xué)者提出了一些解決方案。PIETERS P等人［2］提出了采用多層薄膜鑲嵌金屬片（MCMD）技術(shù)來(lái)更加有效地實(shí)現(xiàn)耦合器、過(guò)濾器等一些無(wú)源器件的功能。此后，BIKINY A等人［3］又提出了相類(lèi)似的多層厚膜技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)Ka波段的Lange耦合器。之前的文獻(xiàn)中，更多地側(cè)重于以介質(zhì)基板的厚度為基礎(chǔ)，對(duì)Lange耦合器進(jìn)行改善。本文基于以上的研究成果，采用不同厚度和數(shù)量的介質(zhì)基片，主要分析研究了基于Lange結(jié)構(gòu)的耦合器性能、Lange結(jié)構(gòu)中各參數(shù)對(duì)整個(gè)耦合器的性能、工作頻帶和尺寸的影響，以及影響的程度。

1Lange耦合器

　　普通的耦合線耦合器因其耦合太松而無(wú)法達(dá)到3 dB的耦合因素的要求。提高邊緣耦合線之間的一種方法是用幾根彼此平行的線，以便于線兩邊緣的雜散場(chǎng)對(duì)耦合的貢獻(xiàn)。于是，LANGE J在1969年最早提出一種四端交叉指型定向耦合器。

　　圖1Lange耦合器平面圖這種想法最實(shí)際的實(shí)施如圖1所示。為了達(dá)到緊耦合，此處用了相互連接的4根耦合線。它在一定程度上彌補(bǔ)了傳統(tǒng)耦合器的不足。信號(hào)由端口1 輸入，并在端口3和端口4等功率輸出。端口2為隔離端，兩輸出端之間的相移為90°。4個(gè)端口通常采用的都是50 Ω?jìng)鬏斁€來(lái)進(jìn)行阻抗匹配。4階Lange耦合器的等效電路圖如圖2所示，它由4根導(dǎo)線耦合線結(jié)構(gòu)組成。所有這些線都有同樣的寬度和間距。這種結(jié)構(gòu)因?yàn)樵诤軐挼念l率范圍內(nèi)補(bǔ)償了奇模、偶模相速不相等，所以提高了耦合器性能，可以達(dá)到1~1.5圖2Lange耦合器的等效電路圖個(gè)倍頻程。Lange耦合器是定向耦合器中的一種，在微波系統(tǒng)中被廣泛使用，可以在射頻放大器中用于功率合成。

　　DAVID M P［4］認(rèn)為，在設(shè)計(jì)耦合線耦合器時(shí)，可采用偶奇模分析的方式。將電路分解為偶模激勵(lì)和奇模激勵(lì)的疊加，具體分析參見(jiàn)DAVID M P的《微波工程》，不再贅述。經(jīng)過(guò)一番推倒，可得奇模和偶模的特性阻抗為：

　　其中，Z0e和Z0o分別為偶模和奇模的特征阻抗，C為電壓耦合系數(shù)，Z0為特征阻抗。設(shè)計(jì)N線Lange耦合器的基本公式如下：

　　式中：R為阻抗比，Z0o為雙耦合線奇模阻抗，Z0e為雙耦合線偶模阻抗。

2仿真與結(jié)果分析

　　2.1多層技術(shù)

　　在對(duì)傳統(tǒng)的Lange耦合器進(jìn)行分析之后可知，雖然Lange結(jié)構(gòu)的耦合器的優(yōu)點(diǎn)相對(duì)明顯，但是其缺點(diǎn)同樣也是相對(duì)明顯的。在對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真的同時(shí)，發(fā)現(xiàn)在實(shí)現(xiàn)工藝上，耦合器的纖細(xì)的跳線對(duì)其產(chǎn)生了巨大的挑戰(zhàn)，DUNAEV S N和FETISOV Y K提出的去掉跳線的方法是用一層介質(zhì)將兩層金屬結(jié)構(gòu)分隔開(kāi)，由于其厚度薄到可以忽略，從而可以將跳線去掉，簡(jiǎn)化工藝。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，設(shè)計(jì)者可以通過(guò)多層重疊的方式來(lái)獲得最后需要的參數(shù)。當(dāng)然，多層技術(shù)還有一個(gè)非常重要的優(yōu)點(diǎn)，就是它便于工業(yè)實(shí)現(xiàn)且成本低廉，這無(wú)疑對(duì)器件的工業(yè)化生產(chǎn)提供了強(qiáng)有力的保障。

　　2.2模型

　　分層技術(shù)只是在對(duì)實(shí)現(xiàn)工藝和性能上做了改進(jìn)，耦合器的整體結(jié)構(gòu)還是保持不變。這里采用介電常數(shù)εr=2.55的介質(zhì)材料。整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了3塊材料相同的介質(zhì)基片和兩層金屬微帶線。將它們按照一定的結(jié)構(gòu)順序進(jìn)行疊層處理。從上到下依次為：上接地板、介質(zhì)層、金屬微帶層、介質(zhì)層、金屬微帶層、介質(zhì)層、下接地板。最終的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖3交指結(jié)構(gòu)

　　是按照這樣的一個(gè)介質(zhì)層、微帶層疊加排列而成的。交指結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　圖4為L(zhǎng)ange耦合器側(cè)視圖。從圖4中可以看出，該多層Lange耦合器由圖4Lange耦合器側(cè)視圖兩部分組成：第一部分位于介質(zhì)基板1與2中間，由金屬層構(gòu)成；第二部分在介質(zhì)基板2與3之間的夾層中，同樣由金屬層構(gòu)成。這樣就可以在不使用金屬跳線的情況下將Lange耦合器的耦合線連接在一起，這樣做還有一個(gè)優(yōu)勢(shì)就是可以通過(guò)將相鄰的耦合線平移來(lái)使得耦合度更好。

　　該耦合器的尺寸是通過(guò)參考文獻(xiàn)［4］和［5］中所描述的經(jīng)典理論來(lái)確定的。該Lange耦合器包含參數(shù)為w、s、l、H1、H2 。中心頻率設(shè)置在2.5 GHz，耦合度為3 dB。輸出參數(shù)為偶模與奇模阻抗，分別為52 Ω和176 Ω。

　　2.3優(yōu)化與結(jié)果討論

　　本文中，總共分為4個(gè)步驟來(lái)對(duì)耦合器進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化。首先，在工作頻率內(nèi)，最小化隔離度。優(yōu)化目標(biāo)如下：

　　Minimise F1=maxf∈X{S41(f)}

　　其中，S41(f) 為耦合器在頻率f處的隔離度，f應(yīng)在耦合器的工作頻率內(nèi) ；X是頻段內(nèi)的一組采樣頻率，以用來(lái)評(píng)估耦合器的性能。

　　第二優(yōu)化的目標(biāo)是，當(dāng)信號(hào)由端口1輸入時(shí)，端口2與端口3的耦合最大，優(yōu)化目標(biāo)如下：

　　MinimiseF2=minf∈X{min{S21(f),S31(f)}}

　　其中，S21(f)和S31(f)為端口2與端口3 在頻率f輸出的耦合度。

　　第三個(gè)要優(yōu)化的目標(biāo)，就是使端口2與端口輸出的能量差最小化，優(yōu)化目標(biāo)如下：

　　最后，要優(yōu)化的目標(biāo)是使得端口2與端口3之間的相位差最接近90°，優(yōu)化目標(biāo)如下：

　　Minimise F4=maxf∈X||∠S31(f)－∠S21(f)|－90°|

　　通過(guò)以上一系列的優(yōu)化，可以發(fā)現(xiàn)，隨著金屬微帶層之間的錯(cuò)位越來(lái)越大，耦合度愈來(lái)愈低，同時(shí)耦合區(qū)域向左偏移。針對(duì)這些現(xiàn)象可以進(jìn)行以下調(diào)節(jié)：(1)可以調(diào)節(jié)金屬微帶線的線寬和指間縫隙間距的大小來(lái)增強(qiáng)耦合；(2)可以調(diào)節(jié)耦合線的長(zhǎng)度來(lái)抵消耦合區(qū)的偏移。

　　因此，最終得到各參數(shù)的值為：w=0.4 mm，s=0.07 mm，l=19.15 mm，H1=0.762 mm，H2=0.224 mm。 在各端口（分別用1、2、3、4表示）已進(jìn)行50 Ω阻抗匹配之后，從圖5中可以看出，工作帶寬為2 GHz。在中心頻率處，耦合度|S31|為3 dB。在整個(gè)工作頻帶內(nèi)，回波損耗均大于15 dB［16］且耦合端（端口3）與直通端（端口2）相位差均為90°±5°（如圖6所示）。

3結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)了一個(gè)Lange正交多層耦合器。在相對(duì)帶寬達(dá)到80%的前提下，耦合器擁有良好的耦合度和隔離度，并使得兩輸出端的相位差為90°，達(dá)到真正的正交耦合。圖6相位差

參考文獻(xiàn)

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