平行耦合線定向耦合器的設(shè)計與仿真

平行耦合線定向耦合器的設(shè)計與仿真

0平行耦合線定向耦合器微帶傳輸線是近年來開發(fā)的一種微波傳輸線。它具有小型、重量輕、頻率輕、集成、方便的微波電路連接等優(yōu)點。因此，波電路是微波電路的一個非常重要的傳輸手段。平行耦合線定向耦合器在微波集成電路中被應(yīng)用廣泛的反向定向耦合器。這種平行耦合線定向耦合器通常用帶狀線或微帶線來實現(xiàn)。1反向耦合器如圖1所示,它由等寬的耦合線段組成,其耦合線的長度是中心波長的1/4,各個等寬均接匹配負載。當信號從端口①輸入時,出來向端口②傳輸外,通過兩線之間的電磁耦合,還會向端口③和④傳輸。由于電場耦合在副線中向端口③和④反向產(chǎn)生的電壓是等幅同相的,而磁場耦合在副線中向端口③和④反向產(chǎn)生的電壓是等幅反相的,因此,副線中端口③處的電壓是同相疊加而又信號輸出,而副線中端口④處的電壓是反向而抵消的。在理想情況下,端口④無輸出,可達到理想隔離。這種定向耦合器稱為反向耦合器,而端口②和端口③的輸出信號相位差為90度,故又稱為90度反向定向耦合器。它的耦合系數(shù)為,C=-20log■S14■=-20log|Ζ0e-Ζ0oΖ0e+Ζ0o|(1)當系統(tǒng)阻抗Z0為50Ω,匹配條件(理想輸入匹配條件)為,Z20=Z0eZ0o(2)因此,對于給定的耦合系數(shù)C,設(shè)計等式為,Ζ0e=Ζ0[1+10-C/201-10-C/20]1/2(3)Ζ0o=Ζ0[1-10-C/201+10-C/20]1/2(4)平行耦合線定向耦合器常用兩種形式,TEM型和分布參數(shù)型。2tem線定向耦合器當支持純TEM模傳播的兩個同軸線的內(nèi)導(dǎo)體互相靠近時,電磁能量就從一條線耦合到另一條線,這一特性就產(chǎn)生了一類寬帶平面定向耦合器。大多數(shù)這樣的耦合器采用支持純TEM?；驕蔜EM模的帶狀線或微帶傳輸線。平面TEM傳輸線定向耦合器既可以采用窄邊耦合,也可以采用寬邊耦合。一般而言,耦合的TEM線支持相互作用產(chǎn)生耦合的兩種模式:偶模和奇模。TEM線定向耦合器是一個四端口網(wǎng)絡(luò),如圖2所示。根據(jù)疊加原理,可以得到偶模和奇模的反射和傳輸系數(shù),Γi=Ai+Bi/Ζ0-CiΖ0-DiAi+Bi/Ζ0+CiΖ0+Di(5)Τi=2Ai+Bi/Ζ0+CiΖ0+Di(6)式中傳輸矩陣為,[AiBiCiDi]=[cosθijΖ0isinθijsinθi/Ζ0icosθi]i=e,o(7)3平行耦合微帶線定向耦合器性能分析平行耦合線定向耦合器有兩種耦合形式:耦合微帶線;耦合帶狀線。平行耦合微帶線定向耦合器和平行耦合帶狀線定向耦合器的結(jié)構(gòu)如圖3和圖4所示。設(shè)計指標:頻帶范圍為2.3GHz-2.7GHz,掃描步長為1MHz,耦合度分別為15dB,插入損耗大于-1dB,回波損耗小于-20dB,隔離度小于-40dB。對于微帶線,耦合度為15dB時,回波損耗小于-20dB,隔離度小于-40dB。耦合度為30dB時,回波損耗小于-20dB,隔離度小于-45dB。對于帶狀線,耦合度為15dB時,回波損耗小于-30dB,隔離度小于-45dB。耦合度為30dB時,回波損耗小于-25dB,隔離度小于-50dB。15dB平行耦合微帶線定向耦合器的S參數(shù)仿真曲線如圖5所示。15dB平行耦合帶狀線定向耦合器的S參數(shù)仿真曲線如圖6所示。由理論知識可知:定向耦合器的方向性D(dB)=I(dB)-C(dB),D越大,隔離度輸出越小,定向性越好。理想情況下,p3=0,D=∞。在實際應(yīng)用中常提出一個最小值Dmin。從以上的圖形曲線可以看出,在中心頻率2.5GHz處,平行耦合微帶線定向耦合器的耦合度C(dB)=14.990,隔離度I(dB)=41.140,回波損耗T(dB)=27.377,方向性D(dB)=41.140-14.990=26.15。輸入駐波比ρ=(1+ue4e0S11ue4e0)/(1-S11)=1.076。平行耦合帶狀線定向耦合器的耦合度C(dB)=14.978,隔離度I(dB)=45.653,回波損耗T(dB)=30.820,方向性D(dB)=45.653-14.978=30.675。輸入駐波比ρ=(1+ue4e0S11ue4e0)/(1-ue4e0S11ue4e0)=1.067。單節(jié)耦合線耦合器的帶寬比較窄,為了增寬頻帶可以采用三節(jié)耦合線定向耦合器。嚴格的講,耦合微帶線傳輸?shù)牟⒉皇羌僒EM模,而是具有色散特性的混合模。當頻率較低時,色散特性也較小,隨著頻率的升高,色散的影響就不能忽略。因此頻率的改變對平行耦合微帶線定向耦合器性能參數(shù)的影響參數(shù)在表1中。15dB平行耦合微帶線定向耦合器頻率的改變對參數(shù)的影響,如表1所示。由表1的數(shù)據(jù)可知,頻率范圍從1.5GHz到3.5GHz,耦合度雖然發(fā)生了變化,但改變的幅度并不是很大,即平行耦合線定向耦合器適用于較寬的頻帶范圍。理論上,對于平行耦合微帶線定向耦合器,隨著頻率的升高,耦合度增加,隔離度降低,回波損耗減小。定向耦合器的定向性變差。且在進行優(yōu)化仿真時,頻率升高,CurrentEF越接近優(yōu)化目標。性能分析:①對于平行耦合微帶線定向耦合器,耦合度為15dB時,其方向性,定向性都遠遠小于平行耦合帶狀線定向耦合器較差。原因在于,對于平行耦合微帶線定向耦合器,其填充的是含有空氣和介質(zhì)的混合介質(zhì)系統(tǒng),奇模和偶模的相速不相等,導(dǎo)致定向性變壞。這是導(dǎo)致定向性差的根本原因。因此,采取某種技術(shù)使奇模和偶模的相速相等就成為改進微帶線定向耦合器指標追求的力向。例如在耦合微帶線上覆蓋同樣參數(shù)的介質(zhì)、在耦合傳輸線兩端加補償電容等。在耦合傳輸線兩端加補償電容C,對于偶模來說,補償電容幾乎不起作用;對奇模來說,它增加了奇模的電長度?；虿捎娩忼X形定向耦合器,增加奇模電容,降低奇模相速,提高耦合器的定向性。②對于平行耦合線定向耦合器,耦合度為15dB時的方向性大于耦合度為30dB時方向性。這就說明耦合度越大,耦合越弱,耦合端輸出越小,隔離端輸出越大,定向性越差。③耦合器的耦合度的絕對值隨頻率的變化而有所波動。這是因為耦合度C本身是與頻率相關(guān)的參數(shù),隨著頻率的改變,C