Ka波段3dB定向耦合器的設計與仿真

摘要：定向耦合器廣泛地用在現代微波系統中，文中介紹了兩種應用在平衡式放大器中的3dB定向耦合器。首先對微帶分支線(xiàn)耦合器與波導耦合器進(jìn)行了理論分析，然后利用電磁仿真軟件HFSS，對兩種耦合器進(jìn)行了建模仿真、仿真結果驗證了這兩種定向耦合器的可實(shí)現性，最后比較了兩種耦合器的性能，并且總結了各自的特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：Ka波段；定向耦合器；分支線(xiàn)耦合器；波導耦合器

1 引言
在微波通信系統中定向耦合器是一種用途廣泛的微波器件，比如可以用在在信號發(fā)生器中的功率臨視裝置，以及接收機中的混頻器。另外，自動(dòng)增益控制、平衡式放大器、反射計以及調相器和微波阻抗電橋等測量?jì)x器也要用到定向耦合器。構成定向耦合器的結構有波導、微帶線(xiàn)、帶狀線(xiàn)、同軸線(xiàn)等。因此，定向耦合器的種類(lèi)很多，但是不同種類(lèi)的定向耦合器差異很大。
平衡式放大器的穩定性很好，輸入輸出駐波也很低，而且由于良好的低噪聲特性，平衡結構的放大器在微波波段的低噪聲放大器中被普遍采用。因此對于平衡式放大器中定向耦合器的研究就具有很高的現實(shí)意義。
本文對微帶分支線(xiàn)耦合器和波導E面耦合器做了理論分析，然后利用電磁仿真軟件進(jìn)行了建模仿真，通過(guò)對仿真結果做了比較，最后得出結論。

2 耦合器的分析與設計
(1)主要設計指標
工作頻帶：29GHz～31GHz
同波損耗：≤-20dB
輸出端口幅度不平衡度：≤1 dB
輸出端口隔離度：≤-20dB
(2)分支線(xiàn)耦合器的分析與仿真
如圖1所示，分支線(xiàn)定向耦合器有主線(xiàn)、副線(xiàn)和兩條分支線(xiàn)組成，其中分支線(xiàn)的長(cháng)度和間距均為中心頻率工作波長(cháng)的。設主線(xiàn)入口線(xiàn)1的特性阻抗為Z1=Z0，主線(xiàn)出口線(xiàn)2的特性阻抗Z2=Z0k(k為阻抗變換比)，副線(xiàn)隔離端4的特性阻抗為Z4=Z0，副線(xiàn)耦合端3的特性阻抗為Z3=Z0k，平行連接線(xiàn)的特性阻抗為ZOP，兩個(gè)分支線(xiàn)特性阻抗分別為Zt1和Zt2。

假設輸入電壓信號從端口1經(jīng)A點(diǎn)輸入，則達到D點(diǎn)的信號有兩路，一路是由分支線(xiàn)直達，其波行程為λg／4，另一路由A→B→C→D，波行程為3λg／4；故兩條路徑到達的波行程差為λg／2，相應的相位差為π，即相位相反。因此若選擇合適的特性阻抗，使達到的兩路信號振幅相等，則端口4處的兩路信號相互抵消，從而實(shí)現隔離。同樣由A→C的兩路信號為相同信號，故在端口3有耦合輸出信號，即端口3為耦合端。耦合端輸出信號的大小同樣取決于各線(xiàn)的特性阻抗。
下面給出微帶雙分支定向耦合器的設計公式。設耦合段3的反射波電壓為，則該耦合器的耦合度為

可見(jiàn)，只要給出要求的耦合度C及阻抗變換比k，即可由式(1)算得|U3r|，再由式(2)～(4)算得各線(xiàn)特性阻抗，從而可設計出相應的定向耦合器。對于耦合度為3dB、阻抗變換比k=1的特殊定向耦合器，稱(chēng)為3dB定向耦合器。此時(shí)

通過(guò)以上理論分析在HFSS中建模并優(yōu)化后的3dB分支線(xiàn)電橋模型如圖2所示。微帶分支線(xiàn)耦合器的結果如圖3所示。模型選用的介質(zhì)基片為RD5880，介電常數為2．2，厚度為0．127 mm，經(jīng)計算，50 Ω微帶線(xiàn)寬度為0．37 mm，本文設計的耦合器的中心頻率為30GHz，分支線(xiàn)和輸入輸出微帶線(xiàn)采用特性阻抗為50 Ω的微帶，則主線(xiàn)的特性阻抗約為35 Ω，寬度約為0．62 mm。29GHz～31GHz之間，輸入端口反射系數小于-23 dB，兩個(gè)輸出端口的幅度不平衡度小于0．7dB，相位差為90°，達到了很好的性能。