Ka波段3dB定向耦合器的设计与仿真

摘要：定向耦合器广泛地用在现代微波系统中，文中介绍了两种应用在平衡式放大器中的3dB定向耦合器。首先对微带分支线耦合器与波导耦合器进行了理论分析，然后利用电磁仿真软件HFSS，对两种耦合器进行了建模仿真、仿真结果验证了这两种定向耦合器的可实现性，最后比较了两种耦合器的性能，并且总结了各自的特点。
关键词：Ka波段；定向耦合器；分支线耦合器；波导耦合器

1 引言
在微波通信系统中定向耦合器是一种用途广泛的微波器件，比如可以用在在信号发生器中的功率临视装置，以及接收机中的混频器。另外，自动增益控制、平衡式放大器、反射计以及调相器和微波阻抗电桥等测量仪器也要用到定向耦合器。构成定向耦合器的结构有波导、微带线、带状线、同轴线等。因此，定向耦合器的种类很多，但是不同种类的定向耦合器差异很大。
平衡式放大器的稳定性很好，输入输出驻波也很低，而且由于良好的低噪声特性，平衡结构的放大器在微波波段的低噪声放大器中被普遍采用。因此对于平衡式放大器中定向耦合器的研究就具有很高的现实意义。
本文对微带分支线耦合器和波导E面耦合器做了理论分析，然后利用电磁仿真软件进行了建模仿真，通过对仿真结果做了比较，最后得出结论。

2 耦合器的分析与设计
(1)主要设计指标
工作频带：29GHz～31GHz
同波损耗：≤-20dB
输出端口幅度不平衡度：≤1 dB
输出端口隔离度：≤-20dB
(2)分支线耦合器的分析与仿真
如图1所示，分支线定向耦合器有主线、副线和两条分支线组成，其中分支线的长度和间距均为中心频率工作波长的。设主线入口线1的特性阻抗为Z1=Z0，主线出口线2的特性阻抗Z2=Z0k(k为阻抗变换比)，副线隔离端4的特性阻抗为Z4=Z0，副线耦合端3的特性阻抗为Z3=Z0k，平行连接线的特性阻抗为ZOP，两个分支线特性阻抗分别为Zt1和Zt2。

假设输入电压信号从端口1经A点输入，则达到D点的信号有两路，一路是由分支线直达，其波行程为λg／4，另一路由A→B→C→D，波行程为3λg／4；故两条路径到达的波行程差为λg／2，相应的相位差为π，即相位相反。因此若选择合适的特性阻抗，使达到的两路信号振幅相等，则端口4处的两路信号相互抵消，从而实现隔离。同样由A→C的两路信号为相同信号，故在端口3有耦合输出信号，即端口3为耦合端。耦合端输出信号的大小同样取决于各线的特性阻抗。
下面给出微带双分支定向耦合器的设计公式。设耦合段3的反射波电压为，则该耦合器的耦合度为

可见，只要给出要求的耦合度C及阻抗变换比k，即可由式(1)算得|U3r|，再由式(2)～(4)算得各线特性阻抗，从而可设计出相应的定向耦合器。对于耦合度为3dB、阻抗变换比k=1的特殊定向耦合器，称为3dB定向耦合器。此时

通过以上理论分析在HFSS中建模并优化后的3dB分支线电桥模型如图2所示。微带分支线耦合器的结果如图3所示。模型选用的介质基片为RD5880，介电常数为2．2，厚度为0．127 mm，经计算，50 Ω微带线宽度为0．37 mm，本文设计的耦合器的中心频率为30GHz，分支线和输入输出微带线采用特性阻抗为50 Ω的微带，则主线的特性阻抗约为35 Ω，宽度约为0．62 mm。29GHz～31GHz之间，输入端口反射系数小于-23 dB，两个输出端口的幅度不平衡度小于0．7dB，相位差为90°，达到了很好的性能。

式(7)中，第一项是随频率变化较慢的函数，代表单个小孔的方向性，而第二项是由于在求和中相位相消，所以是频率的敏感函数。我们能够选择合适的对方向性综合出所希望的频率响应，而耦合度应该是相对不随频率变化的Bn。常用的综合目标函数可以是二项式响应、巴特沃兹响应和切比雪夫响应等。实际工作中，Bn的大小需要通过调整波导开孔的大小、位置和形状等来满足。

波导E面定向耦合器在波导宽边上开孔。为实现3dB的耦合量，需要采用矩形孔，且孔的长度正好等于波导宽边，通过调整孔的宽度和距离来满足正相波在耦合端口叠加到3dB，而反向波在吸收端口叠加减弱。这种结构的波导E面耦合器又称为E面分支波导定向耦合器如图5所示。

本文设计了一个五级分支波导耦合器，在HFSS中建立的模型如图6所示，仿真结果显示，在图7中，在26 GHz～34 GHz频段内，回波损耗低于-19dB，两路输出的幅度相差只有0．3dB，具有宽带紧耦合的特性。图8为2、3端口相位随频率变化的曲线，从图中可以看出2、3端口的相位差为90°，与理论推导一致。图9为3端口与2端口传输系数随频率变化的曲线，从图中可以看出，在整个频段内S32-20 dB，两端口输出隔离效果很好。