基于小型化微帶雙分支定向耦合器的設計方案

該方案應用HFSS軟件對結構進(jìn)行了優(yōu)化仿真設計，并制作和測量了一款工作在L波段用于海事衛星通信的微帶耦合器樣件。該耦合器樣件比傳統雙分支定向耦合器面積縮小了51%，實(shí)測結果與仿真結果吻合較好，驗證了方案的可行性。

　　0 引言

　　近年來(lái)，通信技術(shù)取得了長(cháng)足快速的發(fā)展，微波通信設備也隨之發(fā)展起來(lái)。如今通信設備趨于小型化、便攜化，這對通信設備中無(wú)源器件的尺寸縮小提出更高的要求。

　　定向耦合器具有簡(jiǎn)單的結構以及良好的方向性，在微波通信中得到了較為廣泛的應用。定向耦合器的種類(lèi)從結構上分有微帶型、波導型和同軸型等；從耦合方式上有分支線(xiàn)耦合、微帶平行耦合線(xiàn)耦合、小孔耦合等。傳統微帶形式的定向耦合器無(wú)法克服所占面積較大的缺點(diǎn)，因此限制了其在便攜微波設備上的應用。目前，定向耦合器的小型化已經(jīng)成為了一個(gè)熱門(mén)的課題。

　　通過(guò)補償電容，提高了耦合器的方向性并減小了尺寸；2通過(guò)引入多個(gè)開(kāi)路枝節，實(shí)現了微帶混合環(huán)的小型化；3采用了T型等效的方法實(shí)現了小型化；4采用了主線(xiàn)、副線(xiàn)以及耦合線(xiàn)的魚(yú)骨形等效實(shí)現了小型化，避免了T型等效的中心重疊問(wèn)題。但3-4僅僅是理論上的仿真，并沒(méi)有考慮到實(shí)際微波器件的耦合效應。

　　本文基于前人的研究成果，提出了一種小型化的微帶雙分支定向耦合器的設計方案，有效地解決了T型等效的中心重合問(wèn)題以及主線(xiàn)、副線(xiàn)以及耦合線(xiàn)的魚(yú)骨形等效的耦合失真嚴重的問(wèn)題。利用HFSS軟件進(jìn)行仿真優(yōu)化設計，并做出了實(shí)物進(jìn)行測試。

　　1 定向耦合器的小型化設計

　　傳統微帶雙分支定向耦合器的結構示意圖如圖1所示，分支線(xiàn)長(cháng)度及其間距均為1 4 中心相波長(cháng)。其輸入、輸出端口的特性阻抗為Z0 ，AB段與DC段的特性阻抗為2 Z0 ，AD 段與BC 段的特性阻抗為Z0 。由于1已經(jīng)給出了詳盡的原理解釋以及設計公式，本文將不再贅述。

　　然而，傳統的微帶雙分支定向耦合器尺寸較大，本文通過(guò)傳輸線(xiàn)的對稱(chēng)等效，設計了一種小型化的微帶雙分支定向耦合器。傳統微帶雙分支定向耦合器分支線(xiàn)的等效電路示意圖如圖2所示。

　　由等效前后A 矩陣相等，已知θ1 = 90° ，可得：

　　將四段分支線(xiàn)進(jìn)行T型等效后發(fā)現，定向耦合器中心部分發(fā)生重疊，這會(huì )產(chǎn)生嚴重的耦合現象，影響定向耦合器的性能。在考慮定向耦合器的耦合效應的前提下，對分支線(xiàn)AB及DC段的T型等效進(jìn)行進(jìn)一步等效，其等效示意圖如圖2（c）所示。

　　同理，由A 矩陣相等得到：