C-Ku波段超宽带3dB定向耦合器设计和HFSS仿真

摘 要：针对传统定向耦合器在带宽、耦合度和电路集成方面的不足，采用平行耦合微带线与缺陷地结构（DGS）相结合的方法，设计了一款C-Ku 波段的超宽带定向耦合器，在一个倍频程的宽频段范围内达到了3dB 左右的强耦合效果。使用电磁仿真软件HFSS 对电路进行仿真和优化，仿真与优化结果表明，在7.5GHz-13.5GHz 频率范围内，耦合度为3.3dB±0.2dB，回波损耗大于17dB，隔离度大于17dB；在6GHz-14.5GHz 频率范围内，耦合度为3.3dB±0.6dB，回波损耗大于15dB，隔离度大于15dB。

1 引言

定向耦合器是微波电路中必不可少的器件，广泛用于平衡放大器、调制器、移相器等设计中。传统的分支线耦合器由于需要有四分之一波长传输线结构，故带宽被限制在10%~20%[1]。耦合线耦合器一般适用于弱耦合情况，因为强耦合需要微带线靠得很近，难于加工。利用宽边耦合方式设计的带状线耦合器可以实现超宽带和强耦合，但带状线在与其他微波器件集成时存在困难[2]。Lange 耦合器可以比较容易达到3dB 的耦合度，且有一个倍频程或更宽的带宽，但因为带线宽度窄，且需要跨线，工艺要求高，在较高的微波频段用微带线实现难度大[3]。

利用小孔耦合设计的微带线耦合器，采用多层层的小孔耦合，这种3dB 定向耦合器具有良好的回波损耗和隔离度，但因各端口位于不同平面，在一定条件下限制了其应用范围[4-7]。通过在平行耦合微带线的地平面上开矩形窗，矩形窗内部引入两条微带线，与上表面的微带线通过金属化通孔互连，可以有效增强耦合[8]。这种结构降低了对加工工艺的要求，而且容易与其他器件集成。

本文结合平行耦合微带线和缺陷地结构（DGS），设计了一款工作在C-Ku 波段的超宽带3dB 定向耦合器，电路可以采用传统的印制电路板（PCB）工艺加工。所涉及的电路结构如图1 所示。电路尺寸仅为18mm×10mm；耦合器各端口位于同一平面，便于与其他微波器件集成。通过电磁仿真软件HFSS 对耦合器结构做了仿真与优化，结果达到了很好的性能要求。

图1 C-Ku 波段超宽带3dB 定向耦合器结构图

2 耦合器电路设计

本文设计选用Rogers 公司的RO4003 作为介质基板，相对介电常数为3.55，损耗因子为0.0027，基板厚度为0.508mm，覆铜厚度为0.018mm。耦合器顶层电路如图2（a）所示，与传统微带耦合线结构相同；在微带耦合线的底层开长为Lg、宽为Wg的矩形窗，如图2（b）所示。矩形窗中间采用交叉指型的电路结构，通过半径为R 的金属化通孔与顶层耦合微带线相连，微带线之间缝隙宽度为S1。对于传统耦合微带线耦合器，电压耦合系数C与偶模特征阻抗Z0e 和奇模特征阻抗Z0o 存在如下关系：

可见偶模和奇模特征阻抗相差越大，耦合越强[1]。与传统耦合线耦合器相比，本设计在偶模和奇模激励下都引入了顶层与底层微带线间的电容，但在奇模激励时还存在底层微带缝隙间的耦合电容，因缝隙狭窄且较长，此电容对电路影响不可忽略。由偶模特征阻抗和奇模特征阻抗与电容的关系，偶模和奇模特征阻抗同时减小，但奇模特征阻抗减小更多些，导致耦合度的增加。另外，因交叉指型结构与波长无关，使得耦合器具有很宽的工作频带。

通过HFSS 建模，对应于图2 中耦合器电路的关键尺寸如下： L_sub=18mm ，W_sub=10mm ，L1=8.4mm ， S1=0.15mm ， Wz0=1.2mm ，Lc=1.55mm，Lg=6.7mm，Wg=2.75mm，R=0.2mm。

（a）顶层电路（b）底层电路

图2 耦合器顶层电路和底层电路

图3 S21 随Lg 的变化情况

只需调整少量的参数即可达到设计要求。调整L1长度可以对工作频率进行微调。调整微带线间距S1和电路底层开窗的长度Lg 可以改变微带线间的耦合度。图3 给出了耦合度与对其影响较大的Lg 之间的关系：当Lg 分别取3.9mm、4.7mm、5.5mm、6.3mm和7.1mm 时，S21 典型值分别为-4.5dB、-4.0dB、-3.5dB、-3.3dB 和-3.3dB。可见随着Lg 的增加，耦合度相应增大，最后基本稳定在-3.3dB 附近。考虑到电路存在介质损耗、辐射损耗和导体损耗，确定3dB 定向耦合器的Lg 取值为6.7mm。按照同样方法对电路中的其他参数优化。

3 耦合器仿真结果

通过优化，最终得到耦合器的S 参数幅度和相位仿真结果如图4、图5 所示。由图4 可见，在7.5GHz-13.5GHz 频率范围内，耦合度为3.3dB±0.2dB，回波损耗大于17dB，隔离度大于17dB；在6GHz-14.5GHz 频率范围内，耦合度为3.3dB±0.6dB，回波损耗大于15dB，隔离度大于15dB。由图5 可见，在6GHz-14.5GHz 频率范围内，端口2和端口3 之间的相位差delta_angle 始终维持在89deg-90deg 之间。因此，在C-Ku 波段，耦合器的各项指标均达到了比较理想的结果。若适当降低对上述指标要求，则可以对耦合器参数进行调整，使工作带宽进一步扩大。

图4 耦合器S 参数幅度仿真结果

图5 耦合器S 参数相位仿真结果

4 结论

本文采用平行耦合微带线与缺陷地结构相结合的方法，利用电磁仿真软件HFSS 仿真和设计了一款工作在C-Ku 波段的超宽带3dB 定向耦合器。在7.5GHz-13.5GHz 频率范围内，耦合度为3.3dB±0.2dB，回波损耗和隔离度均大于17dB；在6GHz-14.5GHz 频率范围内，耦合度为3.3dB±0.6dB，回波损耗和隔离度均大于15dB。耦合端和直通端的相位差为89deg-90deg。因耦合器体积小，频带宽，采用位于同一平面的微带端口，便于与微波器件集成，具有很好的实用性。

作者：刘志强   徐金平  东南大学毫米波国家重点实验室