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1、精品论文一种新型的毫米波微带定向耦合器刘文豹，杨涛，杨自强（电子科技大学电子工程学院，成都 611731）5摘要：介绍应用于微波技术的微带线定向耦合器的基本结构与定向耦合原理，简单说明了其 主要的性能指标。提出了一种在毫米波段工作的微带线定向耦合器结构，通过改变耦合线的结构改善其微带线耦合器的方向性和隔离度。利用 HFSS 仿真软件对该结构进行仿真，最终 设计出一个 ka 波段毫米波定向耦合器。该耦合器的指标为工作带宽为 30GHz-43GHz，耦合10度为 20dB，方向性大于 15dB，隔离度大于 35dB，插入损耗小于 0.2dB，带内波动小于 0.4dB。关键词：微波技术；定向耦合器；
2、毫米波；HFSS；方向性；隔离度中图分类号：TN622A new type of millimeter-wave microstrip directional15couplerliuwenbao, yangtao, yangziqiang(University of electronic science and technology ,school of electronic engineering, chengdu611731)Abstract: Introduces the application of microwave technology in microstrip line dir
3、ectional20coupler basic structure and directional coupling principle, simple illustrates the main performance indicators. Puts forward a kind of millimeter wave band work of the microstrip line directionalcoupler structure, by changing the coupling line structure to improve its microstrip line coupl
4、er directionality and isolation degree. Using HFSS simulation software for the structure of the simulation, the final design a ka band millimeter wave directional coupler. The coupler index for25bandwidth for 30 GHZ - 43 GHZ, coupling factor for - and dB, directivity is greater than 15 dB, isolation
5、 degree more than 35 dB, insertion loss is less than 0.2 dB, in-band fluctuation is less than0.4 dB.Key words: Microwave technology;Directional coupler; Millimeter wave; HFSS; directional; Isolation300引言在微波系统中，定向耦合器是一种用途比较广泛的微波元件，例如：信号发生器中的功 率监视装置和接收机中的混频器都要应用定向耦合器。此外，检波电路、调相器、增益控制 电路以及反射计等微波测量电路也要应
6、用定向耦合器1。随着毫米波技术的日渐成熟，毫米35波通信和雷达系统更多的应用在了民用通信和军用雷达上，毫米波的定向耦合器的需求也越 来越多。在毫米波波段，由于工作频率的升高，等效波长越来越短，微带线定向耦合器也可 以做的越来越小，在一定领域将有广泛的应用。基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金（20090185110004）作者简介：刘文豹（1986-），男，硕士研究生，微波毫米波电路与集成电路通信联系人：杨涛（1970-），男，教授，主要研究方向：射频、微波、毫米波电路与系统及集成技术. E-mail:- 5 -1理论分析1.1常规结构微带线耦合器40图 1 常规结构平行耦合线定向耦合器F
7、ig.1 conventional structure parallel coupling line directional coupler图 1 为典型微带线定向耦合器的的形状，当信号由 1 口输入时，4 口为直通口，耦合口是 2、口，隔离口为 3 口，因为在耦合线（2、3 线）上耦合输出的方向与主线上主波的传播45方向相反，故此种形式的定向耦合器也称为“反向定向耦合器”。耦合器的 3 口之所以是隔 离口，是由于不同的耦合因素耦合到此端口的能量能够抵消。图 2 平行耦合线定向耦合器的耦合机理Fig.2 parallel coupling line directional coupler co
8、upling mechanism50微带耦合器的耦合原理如图 2，当直通线 1-4 中有电流 i1 流过时，由于 2-3 线与 1-4之前的距离比较近,两条线之间可以理解为一个电容 Cm，故 2-3 线中会耦合有能量,此能量 是既通过电场又通过磁场耦合而来的。通过 Cm 的耦合,在传输线 2-3 中耦合而得的电流为 iC2 及 iC3 ,同时通过耦合电感耦合到 2-3 中的感应电流 iL 的方向与 i1 相反。由此可见,在 耦合线 2-3 中由于电耦合电流 iC 和磁耦合电流 iL 在 2 口叠加,而在 3 口是互相抵消的,故55而 2 口是耦合口,3 口是隔离口2。而当 = /2 时，既微带
9、线的耦合部分长度 L= /4，耦合 度和隔离度最大。所以典型的微带线耦合器耦合线的长度为耦合频率的 1/4 波长3。1.2 定向耦合器的主要性能指标定向耦合器是四端口网络，端口“”为输入端，端口“”为直通输出端，端口“” 为耦合输出端，端口“”为隔离端,并设其散射矩阵为S。描述定向耦合器的性能指标有：60耦合度、方向性、隔离度、输入驻波比和工作带宽。下面分别加以介绍。1)耦合度输入端“”的输入功率 P1 和耦合端“”的输出功率 P3 之比定义为隔离度，记作 C。C=10lg（p1/p3）=-20lg dB其中 2=1-|S12|2。2）方向性65耦合端“”的输出功率 P3 与隔离端“”的输出功
10、率 P4 之比定义为方向性，记作 D。D=10lg（p3/p4）=20lg（ /|S14|）其中 2=1-|S12|2。3）隔离度输入端“”的输入功率 P1 和隔离端“”的输出功率 P4 之比定义为隔离度，记作 I。I=10lg（p1/p4）=-20lg|S14|dB 4）输入驻波比。704）端口“、 、 ”都接匹配负载时的输入端口“”的驻波比定义为输入驻波 比，记作 。5）工作带宽工作带宽是指定向耦合器的上述 C、 I、 D、 等参数均满足要求时的工作频率范围4。752新型结构的微带线定向耦合器分析和仿真当进入毫米波波段的时候微带耦合器因为其自身结构的影响，带内的方向性和隔离度无 法做到很好
11、，特别是在弱耦合的情况下指标更差。而波导耦合器、同轴线耦合器因为其体积 和加工难度较大，应用具有一定的局限性5。本设计通过改进常规的微带耦合器的结构，改 善其方向性和隔离度。以下设计是使用 HFSS 仿真软件对微带线耦合器进行电磁仿真，并对80常规结构的耦合器和改进的耦合器进行对比。设计目标是工作带宽为 30GHz-43GHz，耦合度 为 20dB 的一个弱耦合微带线耦合器。使用的基板板材为 Rogers 的 5880 高频板，介电常数 为 2.2，板材厚度为 0.254mm。下图为一个常规的微带线定向耦合器的结构，耦合长度为 /4， 为工作带宽中心频率 的等效波长。该结构的耦合效果图如下图的
12、右部。85图 3 常规微带线耦合器结构和耦合效果图Fig.3 conventional microstrip line coupler structure and coupling effect使用 HFSS 仿真软件对以上结果进行仿真，仿真的 S 参数结果如图 4，由仿真结果 S(3,1)、S(4,1)参数可知该结构的定向耦合器在毫米波波段方向性比较差，在工作带宽内方向性最差90只有 9dB，最好也只有 13dB 左右，隔离度最差低于 30dB。95100图 4 常规结构微带线耦合器仿真结果Fig.4 conventional structure microstrip line couple
13、r simulation results以上分析可知常规结构的微带线耦合器工作在毫米波波段时，方向性和隔离度比较差，无法满足工程应用需要。本设计通过对常规结构的微带线耦合器进行改进，改变耦合部分直 通线和耦合线的结构，在满足其他指标的情况下优化其耦合器的方向性和隔离度。改进型的 微带线耦合器结构和耦合效果图如图 5。图 5 改进型微带线耦合器的结构和耦合效果图Fig.5 advanced microstrip line coupler structure and coupling effect使用 HFSS 仿真软件对该结构进行仿真分析，仿真结果的 S(3,1)、S(4,1)参数如图 6。由图
14、可知，改进的微带线耦合器方向性有很大改善，在耦合度仍为 20dB 的情况下，方向性 均在 16dB 以下，隔离度带内大于 35dB，带内平坦度保持不变。1053结语图 6 改进型的微带线耦合器仿真结果Fig.6 improved version of the microstrip line coupler simulation results110115120本文在分析典型微带线定向耦合器的基础上提出一种新型耦合器结构，优化了微带定向 耦合器在毫米波波段工作时的方向性和隔离度。并通过 HFSS 仿真设计出一个 Ka 波段的宽 带 20dB 的弱耦合定向耦合器。在 30GHz-43GHz 的工作
15、带宽内方向性达到 16dB 以上，隔离 度优于 35dB，4 个端口的驻波比小于 1.3，带内波动小于 0.4dB，其他指标皆满足要求。该 结构的微带线定向耦合器可广泛的应用于功率检波、增益控制等毫米波电路中。参考文献 (References)1 蓝永海.超宽带多节定向耦合器设计J.电视技术，2009,49（1）：59-62.2 来晋明，羊恺，刘国赢. S 波段宽带 3dB 定向耦合器的设计J. 制导与引信，2008,29（4），51-54. 3 王文祥，徐梅生，余国芬. 一种新型定向耦合器的设计J. 电子科技大学学报, 1991, 20(5): 497-502.4 Paolino D. D.
16、 MIC Overlay Coupler Design Using Spectral Do2main TechniqueJ. IEEE Transactions onMicrowave Theory and Techniques, 1978, 26(9) :646-649.5 Dydyk M. Microstrip Directional Couplers with Dieal Perform2Ance Via Single2element Compensation J. IEEE Transac2tions on Microwave Theory and Techniques, 1999, 47(6) :956-964.