作者简介：王利斌(1982-)，男，山西太原人，硕士研究生，工程师，从事机载无线通信设备设计与开发工作,
主要研究方向为射频功放设计与无源射频电路设计。
Design and Simulation of BroadBand Directional Coupler Based on ADS
王利斌(中国西南电子技术研究所，四川成都610036)
Wang Li-bin (Southwest China Institute of Electronic Technology,Sichuan Chengdu 610036)
摘要：该文简单阐述了定向耦合器的工作原理，通过对比分析微带线耦合器和带状线耦合器。通过使用Keysight 公司的ADS 仿真软件，设计一款采用LCR 补偿方案可以兼顾平坦度和方向性的带状线双定向耦合器，最后给出该耦合器的实际电路模型和满足设计预期的仿真数据。关键词：定向耦合器；LCR 补偿方案；带状线中图分类号：TN622 文献标识码：A
文章编号：1003-0107(2019)09-0038-06
Abstract:This paper briefly describes the working principle of directional coupler,and analyzes microstrip-line coupler and stripline coupler.By using Keysight's ADS simulation sofware,a LCR compensation is designed which the scheme can give consideration to both flatness and directional of the stripline bi-directional coupler.Finally,the actual circuit model of the coupler and the simulation result satisfiying the design expectation are given.
Key words:directional coupler;LCR compensation;stripline CLC number:TN622
Document code:A
Article ID ：1003-0107(2019)09-0038-06
0引言
定向耦合器的基本工作原理同和微带功率分配器一样[1]，同时有四个端口，分别是输入端、耦合端、直通端和隔离端。定向耦合器可以根据工程需求设计为强耦合与弱耦合，可以用于功率检测、功率分配或者功率合成等方面。而双定向耦合器在工程中主要用于同时做功放模块中闭环功率控制和功率输出端的驻波保护功能。在较低频段常见的耦合器有两类，
分别是集总参数变压器耦合器和带状线耦合器。由于集总参数变压器耦合器的铁氧体部分的饱和磁化
强度与温度相关性较强，导致耦合度和隔离度随温度变化较大，
同时集总参数变压器耦合器在实际应用中一致性较差且调试工作量较大，不利于批量生产。而带状线耦合器正好弥补了上述缺点得以广泛引用。为此本文通过分析，
利用ADS 仿真软件设计出一款频率覆盖3个倍频程带宽的带状线双定向耦合器。
1微带线耦合器
微带线耦合器有多种形式[2]，但应用较广的是平行微带线定向耦合器。它是由两根相互隔开距离S 平行排列微带线组成，微带线耦合器截面示意图如图1所示。
图1
微带耦合器截面图
绿质量观察
电子质量2019年第09期(总第390期)
由于微带耦合器的介质不均匀，一部分是介质基片，一部分是空气，微带线上奇偶模相速不一致，导致微带耦合器的方向性变差[3]。由于空气介质是开放性的，空间辐射串扰比较严重，频率越高空间辐射串扰越严重，使得微带耦合器的带内平坦度变差，插损增大，方向性降低，同时会对周边元器件造成辐射干扰，且功率越大带内波动，方向性越差。微带耦合器的优点在于制作简单，成本低，易于和其它器件接连，在对耦合器方向性要求稍微高的场景一般不采用微带耦合的方式[4]。
2带状线耦合器
带状线耦合器是由相互耦合的两根或多根带状线构成[5]。当两根或多根中心导体带彼此靠的很近时，其间必然有电场和磁场能量的相互耦合构成了耦合带状线。通过耦合带状线构成的耦合器即称为带状线耦合器，它与微带线耦合器的区别主要在于带状线耦合器的介质是同一种均匀的介质，带状线上奇偶模相速相等。带状线耦合器截面图如图2所示，单根带状线可以等同于一段同轴电缆，带状线耦合器性能稳定，但不易于与其它器件接连。
路亚中国
图2带状线耦合器截面图
3设计流程
3.1设计指标
根据系统分解出模块级的指标，对模块级的电路层面所需要的耦合器设计指标如表1
危机公关论文
所示。
银蒿3.2设计思路及实现过程
根据设计指标要求，耦合器首先要满足高可靠性及结构尽量小，同时兼顾性能稳定。通过前面对微带线耦合器和带状线耦合器的简单分析，决定采用微带与相同介质盖板安装的贴合耦合区域组成带状线耦合器。微带耦合器与带状线耦合器的耦合度在工作频率每上升1个倍频程耦合度增加6dB[5]。由倍频程定义公式：
2n=f(max)
f(min)(1)
k搜
得出n=2，即全频段内耦合度相差12dB，要满足耦
合度45±1dB的指标要求，同时结构要尽量小，只能采
用小于1/4波长的耦合线，同时采用补偿网络对耦合电
路进行补偿。
在设计该带状线时板材选取Rogers公司生产的
RT/duroid5880板材，介电常数为2.2，选择板厚为40mil，
仿真原理架构图如图3所示。
原理图仿真结果如图4所示，耦合度指标在三个倍
频程范围内相差约12dB。
图3定向耦合器原理图仿真
图4微带原理仿真结果
耦合度作为关键指标，在宽带范围内要平坦，而在图4的结果中来看，耦合度在宽带范围内较差，所以必须接一个射频补偿网络使耦合度平坦。常见的补偿网络主要有RC和LCR两种[6]。本设计选用LCR网络进行补偿。LCR补偿网络是利用谐振电路阻抗的模值与频率的斜率关系，通过选择合适的电路拓扑结构形式来实现。由于LC串联谐振回路的特性是在偏离谐振频点时阻抗的模单调上升；而LC并联谐振回路的特性是在偏离谐振频点时阻抗的模是单调下降的。利用上述性质可以使得补偿网络的幅频特性满足每倍频程下降6dB的要求[7]。为了兼顾定向耦合器的插损和耦合度的影响，补偿网络中器件的值进行了权衡，通过ADS仿真优化的补偿网络原理图如图5所示，仿真结果如图6所示。
图5RLC 补偿网络原理仿真图
电子质量
2019年第09期(总第390期)
索爱w980i>otcbb
图6RLC
补偿网络仿真结果
根据图6所示结果来看，补偿网络可以使幅频特性反向变化12dB 左右，将原始设计原理图与补偿网络融合后的仿真原理图如图7所示，同时更新到ADS 软件
中momentum 中版图仿真图如图8所示。
根据对图8进行仿真，宽带双定向耦合器的仿真结果如图9
所示。
图7加入补偿网络后的原理仿真图
图8加入补偿网络后momentum仿真图
图9加入补偿网络后仿真结果
下转66页
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议