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1、使用 ADS 设计宽带高方向性定向耦合器 孙志为 电子科技大学空天科学技术研究院四川成都 610054 摘要： 介绍了使用ADS 设计宽带高方向性8.34dB 定向耦合器的方法。该耦合器采用三段不对称偏移耦合 带状线结构实现宽带耦合，并且通过补偿耦合传输线之间以及耦合传输线与信号线之间连接处的不连续性， 大大改善了回波损耗和隔离度性能。在ADS 中进行电磁仿真和优化后，该耦合器在1-5GHz 频带内，耦合 度波动范围在 0.4dB 以内， 回波损耗低于 -30dB，隔离度高于38dB。比未使用补偿技术的耦合器回波损耗 降低了 5dB，隔离度提高了15dB 以上。 关键词： 宽带、高方向性、定向
2、耦合器、电容补偿 引言 定向耦合器是微波电路中的常用器件。例如在功率分配器和平衡放大器等电路中常用的 3dB 定向耦合器， 以及在微波测量和自动增益控制等电路中使用的弱耦合定向耦合器。微波 测量中使用的定向耦合器通常要求其具有很宽的工作带宽，以保证测量较宽的频率范围。常 用的宽带定向耦合器结构有多节耦合线耦合器和渐变耦合线耦合器，其中多节耦合线耦合器 结构更简单， 更易于实现。 多节耦合线耦合器有两种不同的结构：对称结构其两输出端口的 输出有90的相位差 1 ；不对称结构具有更小的体积。微波测量中使用的定向耦合器不需 要 90的相位差特性，而不对称结构较少的耦合线节可以得到更好的插入损耗。 方
3、向性是定向耦合器的一个非常重要的指标。尤其在微波测量中，定向耦合器的方向性 决定了其分离不同方向信号的能力。定向耦合器的方向性越好，则测量的结果误差越小，测 量的动态范围也越大。对于微带线定向耦合器，由于奇模和偶模两种工作模式下，在空气- 介质界面附近有不同的场结构，波传播的相速度通常是不同的，因此其方向性较差2 。不 过目前已经发展出了很多提高微带线定向耦合器性能方法3-5 。 而带状线传输的是纯TEM 模，因此，带状线定向耦合器可以比较容易地实现较好的方向性。 由于多节耦合线定向耦合器的各耦合节以及信号线的阻抗不同，因而在它们之间的连接 处会存在不连续性。电磁分析表明， 这种不连续性表现为
4、寄生电抗，会使定向耦合器的回波 损耗和隔离度严重恶化。通过使用电容补偿技术，不连续性可以得到有效处理，进而改善了 回波损耗和隔离度指标67 。 在 ADS中首先设计了理想化的定向耦合器，之后在Layout中对电路做调整和 Momentum 仿真。最后添加电容补偿，并联合仿真和优化，得到最终的定向耦合器。 初始电路设计 本文中的定向耦合器设计目标是工作频率为1-5GHz，耦合度为8.34dB，回波损耗低于 -30dB，隔离度高于35dB。由于宽带和高方向性的要求，选择了多节不对称带状线耦合线定 向耦合器结构。查询不对称定向耦合器归一化偶模阻抗数值表1 ，得知采用三节耦合线接 近预期指标要求。耦合
5、线的奇模和偶模阻抗的关系为： oeZ ZZ 000 = (1) 由此可以得到各节耦合线的奇偶模阻抗。带状线的结构为中间0.152mm 厚的基片两面 印制定向耦合器的电路，两边分别覆盖1.524mm 厚的带有接地面的介质，如图1 所示。所 有介质的介电常数为3.38。各耦合节的奇偶模阻抗、以及使用 Linecalc 工具计算出的线宽和 偏移量见表1。 图 1 定向耦合器采用的带状线结构 耦合节偶模阻抗（）奇模阻抗（）线宽（ mm）偏移量（ mm） 1 90.9 27.5 1.12 1.06 2 64.9 38.5 1.65 2.0 3 53.9 46.4 1.83 3.31 表 1 三个耦合节的
6、奇偶模阻抗和线宽、偏移量参数 按照前面的参数绘制定向耦合器的电路板图，最终的板图如图2 所示。其中包含了耦合 节之间以及耦合器与信号线之间的连接，不连续性产生的位置在图中已经圈出。其 Momentum 仿真结果如图3 所示。 图 2 三节不对称定向耦合器电路板图 图 3 定向耦合器的Momentum 仿真结果 从图 3 中可以看到， 由于该定向耦合器中不连续性的影响，随着工作频率的升高，其隔 离度逐渐变差。在5GHz 附近，方向性甚至只有13dB 左右，到了不可接受的程度。其回波 损耗最高为 -25dB。 优化电路设计 S. Gruszczynski等人在他们的论文67 中，对耦合带状线定向耦
7、合器的耦合线与信号 线过渡区域的不连续性进行了详细的分析和研究。论文中认为， 过渡区域可等效为由互耦电 容、细线电感以及磁耦互感构成的电路，这些寄生电抗产生的影响可以通过在过渡区域附近 并联电容来补偿。在实际的电路板图中，补偿电容用小金属条带实现。 在前面绘制的定向耦合器的Layout 窗口中，向每个过渡区域附近添加小金属条带，并 将金属条带的长度和宽度设为变量。然后将新的设计生成器件，以便在原理图中调用，进行 联合仿真和优化。最后在原理图中设置优化控制和目标，开始优化。最终的原理图如图4 所示。其中各耦合节中间的小金属条带是为了提高补偿电容的自由度，以达到更好的回波损 耗和隔离度指标。 图
8、4 定向耦合器的联合仿真和优化原理图 优化完成后，得到的带有电容补偿的定向耦合器电路板图如图5 所示。其Momentum 仿真结果如图6 所示。 图 5 带有电容补偿的定向耦合器电路板图 图 6 带有电容补偿的定向耦合器Momentum 仿真结果 从图 6 中可以看到，使用了电容补偿技术的定向耦合器，在1-5GHz 频率范围内，其回 波损耗低于 -30dB，隔离度高于38dB，耦合度波动范围在0.4dB 以内。对比未使用电容补 偿技术的定向耦合器，回波损耗改善了5dB 以上，隔离度改善了16dB 以上。这说明电容补 偿技术是非常有效的，极大地提高了定向耦合器的性能。 结论 本文通过使用ADS
9、设计宽带高方向性定向耦合器，验证了寄生电抗对耦合线定向耦合 器回波损耗和隔离度性能的影响。并且利用ADS 提供的联合仿真和优化功能，将电容补偿 技术应用于该定向耦合器的设计，取得了良好的效果。最终完成的使用了电容补偿技术的定 向耦合器，其隔离度优于38dB，同时回波损耗低于-30dB。 参考文献 1 甘本祓，吴万春，现代微波滤波器的结构与设计（下册），科学出版社，1973 2 D. M. Pozar ，微波工程（第三版） ，电子工业出版社，2006 3 S. L. March, “Phase velocity compensation in parallel-coupled microstri
10、p,” in IEEE MTT-S Int. Microw. Symp. Dig., 1982, pp. 410-412. 4 C. S. Kim, J. S. Lim, D. J. Kim, and D. Ahn, “A design of single and multi-section microstrip directional coupler with high directivity,” IEEE MTT-S Int. Microw. Symp. Dig., pp. 1895-1898, 2004. 5 S. F. Chang, J. L. Chen, Y . H. Jeng, a
11、nd C. T. Wu, “New high directivity coupler design with coupled spurlines,” IEEE Microw. Wireless Compon. Lett., vol. 14, no. 2, pp. 65-67, Feb. 2004. 6 S. Gruszczynski, K. Wincza, K. Sachse, “Design of compensated coupled-stripline 3-dB directional couplers, phase shifters and magic-Ts Part I: Singl
12、e-section coupled-line circuits,” IEEE Trans. Microwave Theory and Tech., vol. 54, no. 11, pp. 3986-3994, Nov. 2006. 7 S. Gruszczynski, K. Wincza, K. Sachse, “Design of compensated coupled-stripline 3-dB directional couplers, phase shifters and magic-Ts Part II: Broadband coupled-line circuits,” IEE
13、E Trans. Microwave Theory and Tech., vol. 54, no. 9, pp. 3501-3507, Sept. 2006. 联系方式： 作者：孙志为 地址：四川省成都市建设北路二段4 号 电子科技大学空天科学技术研究院逸夫楼 413 室 邮编： 610054 电话： 13330946121 Email：sun- 专注于微波、射频、天线设计人才的培养 易迪拓 培训 网址： http:/ 射 频 和 天 线 设 计 培 训 课 程 推 荐 易迪拓培训 ()由数名来自于研发第一线的资深工程师发起成立，致力并专注于微 波、射频、天线设计研发人才的培养；我们于2006
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