超宽带多节定向耦合器设计

第 49卷 第 1期 Vol. 49　No. 1 2009年 1月 Telecommunication Engineering　 Jan. 2009　 文章编号 : 1001 - 893X (2009) 01 - 0059 - 04 超宽带多节定向耦合器设计 3 蓝永海 (中国电子科技集团公司第三十六研究所 ,浙江 嘉兴 314001) 摘 　要 :介绍了一种简单易行的多节定向耦合器设计方法。采用平行耦合线的分析理论得到了多节 定向耦合器的耦合度通用表达式 ,再通过耦合度带内波纹波动最小条件求解得到耦合器的设计参 数。最后给出了一个设计实例 ,耦合器在工作带宽 1～4 GHz内 ,插损小于 0. 4 dB ,耦合度带内波动 小于 ±0. 25 dB,设计数据和实物测试数据具有很好的一致性。 关键词 :微波系统 ;定向耦合器 ;超宽带 ;耦合度 中图分类号 : TN622　　文献标识码 : A Design of an Ultra - wideband( UW B) M ulti - section D irectional Coupler LAN Yong - hai ( The No. 36 Research Institute of China Electronics Technology Corporation (CETC) , J iaxing 314001, China) Abstract:A simp le method for designing multi - section coup lers is p resented. The multi - section direc2 tional coup ler is analyzed by coup led line theory and the general exp ression of coup ling factor is deduced. The design data of the coup ler is obtained by m inim izing the ripp le level of coup ling factor. Finally, an ex2 amp le is given. In frequency range from 1GHz to 4GHz, the insertion loss of input port is less than 0. 4dB , and the ripp le level of coup ling factor better than ±0. 25dB. The measurement data is consistent with sim2 ulation results. Key words:m icrowave system; directional coup ler; ultra - wideband (UWB) ; coup ling factor 1　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 , 自动增益控制、平衡放大器、调相器以及反射计和微 波阻抗电桥等测量仪器也要应用定向耦合器。随着 定向耦合器的广泛应用 ,对其带宽提出了更高的要 求。为了在较宽的频段内使得耦合系数变化小 ,耦 合器需要采用多节形式 ,每节长度在中心频率为四 分之一波长 ,当每节取合适的奇模和偶模阻抗 ,耦合 器的带宽就能得到扩展 [ 1 ]。 在多节耦合器设计中需要求解高阶切比雪夫多 项式 ,带宽越宽即阶数越高 ,其求解越困难 [ 2, 3 ] ,进 一步的研究只是降低了求解契比雪夫多项式的复杂 性。本文将对如何设计多节耦合器进行研究 ,介绍 一种简单的设计方法 ,采用平行耦合线的分析理论 得到了多节定向耦合器的耦合度通用表达式 ,通过 耦合度带内波动最小条件求解得到耦合器的设计参 数 ,可以用于任意带宽的多节耦合器设计。并进行 了设计举例 ,设计的耦合器在工程中得到了很好的 应用。 ·95· 3 收稿日期 : 2008 - 09 - 23; 修回日期 : 2008 - 12 - 17 第 49卷 第 1期 Vol. 49　No. 1 2009年 1月 Telecommunication Engineering　 Jan. 2009　 2　理论分析 图 1　单节耦合器 　　对于如图 1所示的单节耦合器 ,端口电压之间 有如下关系 [ 2 ] : V3 = V1 j C tanθ 1 - C2 + j tanθ (1) V2 = V1 1 - C2 1 - C2 cosθ+ j sinθ (2) V4 = 0 (3) 式中 ,θ为信号沿耦合器传输的相移 , C为耦合器长 度等于信号四分之一波长时的电压耦合系数 ,即θ =π /2时 ,此时的信号频率是由这个长度的单节耦 合器组成的多节耦合器工作的中心频率。一般 Cν 1,因此式 (1)和式 (2)可简化为 V3 ≈ j V1 C sinθ·e- jθ (4) V2 ≈ V1 e- jθ (5) 图 2　多节耦合器 　　根据单节耦合器端口间的电压关系 ,对于如图 2所示的多节定向耦合器 ,其耦合端口电压可表示 为 V3 = ( jC1 sinθe- jθ) V1 + ( jC2 sinθe- jθ) V1 e- 2 jθ + ⋯ + ( jCN sinθe- jθ) V1 e- 2 (N - 1) jθ = jV1 sinθe- jθ [C1 + C2 e- 2 jθ + ⋯ + CN e- 2 (N - 1) jθ ] = jV1 sinθejθ∑ N n =1 Cn e - jn2θ (6) 因而多节定向耦合器耦合系数的表达式为 C = | V3 /V1 | = | sinθ|·abs ( ∑ N n =1 Cn e - jn2θ) (7) 式中 , abs( )为取模函数。 如果设计的多节耦合器耦合度为 C0 ,为了得到 每节的耦合度 C1 , C2 , ⋯, CN 的值 ,我们引入函数 f (θ) = (C - C0 ) 2 = | sinθ|·abs ∑ N n =1 Cn e - jn2θ - C0 (8) 　　在工作频段内 ,信号对应的相移θ在 a～b范围 变化。对于函数 f (θ)在耦合器工作频段内均匀取 K + 1点求和 ,则步长为 step = ( b - a) / K。 Tot (C1 , C2 , ⋯, CN ) = ∑ K i =0 f ( a + i·step ) (9) 　　Tot的值最小时 ,则定向耦合器带内波动最小。 通过求解以上函数最小值可得到 C1 , C2 , ⋯, CN 的 值 ,再用这些值得到每节耦合器设计参数 ,从而完成 设计。关于函数最小值求解 ,可以利用 Matlab中的 函数 fm insearch ( ) ,给出一定初值就可很容易解得 C1 , C2 , ⋯, CN 的值。 3　实例验证 下面以设计 1～4 GHz的定向耦合器为例 ,设计 要求耦合度为 20 dB,带内波动小于 ±0. 25 dB。多 节耦合器分为对称和不对称两种形式 ,如图 3所示。 对称形式的多节耦合器的最大优点是耦合端和输出 端之间相位相差 90°,而且与频率无关 ,这种特性对 于相位控制是十分重要的。非对称形式耦合器虽然 没有这种优点 ,但其带宽比相同节数的对称形式的 耦合器要宽 [ 1 ]。 图 3　多节定向耦合器示意图 　　我们可以选择不同的节数和是否对称进行设 计 ,利用式 (9)得到设计参数 ,再代入式 (7)仿真出 设计结果。三节、四节和五节对称和不对称形式耦 合器的仿真设计结果如图 4所示。从图中可以看 出 ,相同节数 ,不对称耦合器比对称耦合器的耦合度 带内波动更小 ,而节数越多 ,带内波动越小。 ·06· 第 49卷 第 1期 Vol. 49　No. 1 2009年 1月 Telecommunication Engineering　 Jan. 2009　 图 4　不同形式的耦合器仿真结果 　　其中三节、四节非对称形式、五节对称和非对称 形式的耦合器均能满足耦合度带内波动小于 ±0. 25 dB的设计要求。考虑到满足设计指标的前提下定 向耦合器的体积要尽量小 ,需控制耦合器的节数 ,因 此选择三节非对称形式设计定向耦合器。从图 4可 看出 ,三节非对称耦合器的耦合度带内波动约为 ±0. 15,每节 C1、C2、C3 初值和计算结果如表 1所 示。这里设计带状线形式的耦合器电路 ,采用聚四 氟乙烯为板材 ,每节物理参数见表 2,表中 W 为带线 宽度 , T为带线厚度 , S为带线间距离 ,εr 为相对电 介常数 , B 为接地板间距离 , L 为每节长度 ,图 5为 电路版图。在本设计中 ,耦合器的具体实现采用两 块厚 1. 5 mm的单层板压在一起 ,在相对的一面 ,一 块电路板把覆铜层全部去除 ,另一块电路板的覆铜 层走电路版图。 表 1　耦合器各节初值和计算结果 耦合器 数值指标 C1 C2 C3 初值 0. 03 0. 07 0. 14 计算结果 0. 0168 0. 0618 0. 1466 分贝表示 / dB - 35. 49 - 24. 18 - 16. 68 表 2　耦合器物理参数 节数 数值指标 一节 二节 三节 W /mm 2. 21 2. 19 2. 11 S /mm 2. 77 1. 50 0. 71 ε r = 2. 6, B = 3 mm, T = 0. 018, L = 18. 59 图 5　三节非对称耦合器电路版图 　　对耦合器测试的数据如图 6～8所示 ,在频段 1 ～4 GHz,输入端口到直通端口的插损小于 0. 4 dB , 耦合度带内波动小于 ±0. 25 dB,方向性大于 20 dB, 实现了带宽内耦合度的较小波动 ,满足设计需求。 该定向耦合器已用于发射机的功率控制电路 ,替代 了 MACOM公司的定向耦合器产品 2025 - 6008 - 20,其在频段 1～4 GHz内耦合度带内波动为 ±0. 4 dB。采用新设计的耦合器后 ,改善了宽带发射机发 射功率的带内平坦性。 ·16· 第 49卷 第 1期 Vol. 49　No. 1 2009年 1月 Telecommunication Engineering　 Jan. 2009　 图 8　输入到隔离端口测试结果 　　实际设计结果表明 ,虽然在理论分析中进行了 一些必要的近似 ,但分析结果能够用于指导设计。 同时我们发现 ,耦合度的实际测量数据与理论数据 有偏差 ,大约为 0. 75 dB ,其原因主要有以下两点 : 第一 ,电路制造工艺造成偏移。耦合器由两块印制 板压在一起构成 ,中间铜箔存在一定厚度 ,增大了线 间的耦合 ,造成设计的定向耦合器耦合度偏大 ;第 二 ,设计理论中的近似造成设计值的偏差。从式 (1)推导到式 (3)我们假设了 Cν 1,因此 ,计算的耦 合端口电压比实际值要小 ,对于低耦合度的定向耦 合器设计可以忽略这项原因造成的偏差。 4　结束语 本文在对多节定向耦合器理论分析的基础之 上 ,提出了一种简单易行的设计方法 ,可以用于对称 和非对称多节耦合器的设计 ,在任意带宽内实现最 小耦合度波动。由于理论分析进行了理想化处理以 及制造工艺的影响 ,应用时还需要根据经验对设计 参数进行调整 ,以保证设计满足要求。设计实例表 明 ,测试结果和设计要求吻合得很好 ,该方法对于低 耦合度的定向耦合器工程设计具有很好的应用价 值。 参考文献 : [ 1 ] 　Rajesh Mongia, Inder Bahl, Prakash Bhartia. RF and M icrowave Coup led - line Circuits [M ]. Norwood: A r2 tech House, 1999. [ 2 ]　甘本祓 ,吴万春. 现代微波滤波器的结构与设计 [M ]. 北京 :科学出版社 , 1973. [ 3 ]　张爽 ,王家礼. 超宽带定向耦合器的设计 [ J ]. 无线电 工程 , 2003, 33 (12) : 46 - 48. 作者简介 : 　　蓝永海 ( 1975 - ) ,男 ,四川蓬安人 ,高级 工程师 , 2003年毕业于电子科技大学物理电 子学院 ,获博士学位 ,现主要从事特种通信和 功率放大与合成设研究工作。 Email: lanyonghai263. net 《电讯技术》专题资料 《毫米波雷达 / 战场侦察雷达系统与技术》题要 (六 ) 　　主动毫米波成像地海面目标识别方法 (曹治国 ,杨卫东 ,钟胜 ) 主动毫米波成像传感器为前下视对地成像 ,作为侧视 SAR和前斜视 SAR成像的补充 ,能够实现全 方位观测覆盖 ,采用扫描方式实时获取飞行路径前方地物目标图像数据 ,在飞行器导航中具有重要应用 前景。针对主动毫米波成像目标识别所面临的成像信噪比低、图像方位向分辨率低以及保障条件为异 种传感器图像数据等难点 ,探讨了目标检测识别实时信息处理 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 中的地面信息保障、匹配识别算法等 若干关键技术和方法 ,结合目标背景特性 ,提出的结合特征检测的目标匹配识别定位方法 ,能满足低信 噪比条件下的目标快速检测识别的要求。 ·26·