一种双端口定向耦合器的设计

一种双端口定向耦合器的设计

叶宝江 桑飞 蔡勇 杜运

中国电子科技集团第三十八研究所， 安徽 合肥， 230000

摘要：利用微波软件模拟生成Wilkinson双端口定向耦合器微带板，按照工作原理把相关的阻容器件标贴在微带板上。耦合器工作频率为0.5～3.5 GHz；传输损耗＜0.3dB；端口驻波比＜1.3； 两个耦合端口：一个端口耦合输出低频控制信号，另一个端口输出射频微波信号，用来检测组件的工作状态，可以改善组件的测试功能。

关键词：定向、Wilkinson、驻波比、耦合器

1．引言

本文主要阐述：一种双端口定向耦合器设计，同时该耦合器具有较宽工作带宽、具有双输出端口，其中一个端口输出低频控制信号用来检测组件的工作及故障类型、另一个端口输出射频信号，用来检测组件的工作状态等功能。耦合器设计成无源器件具备功能多、用途广、质量可靠等优点。

2．双端口定向耦合器的研制

双端口定向耦合器的研制主要分为以下几个过程：定向耦合器的指标设计、利用ADS 软件模拟生成Wilkinson 结构双端口定向耦合器微带板，性能指标仿真测试等几个步骤；同时该型耦合器可以根据产品的需要制作窄带定向耦合器，窄带耦合器的耦合度平坦度、驻波等电讯指标会更好。

2.1双端口定向耦合器的指标

双端口定向耦合器工作频率为0.5～3.5 GHz；传输损耗＜0.3dB；端口驻波比＜1.3；主微带的功率容量不小于2KW。两个耦合端口：一个端口耦合出低频控制信号（0.4-0.8V低频控制信号），另一个端口输出微波信号，用来检测组件的工作状态，可以大大改善组件的测试功能。

2.2双端口定向耦合器Wilkinson 结构微带板设计

通过ADS 微波软件的快速仿真和HFSS 软件模拟生产指标参数及微带结构图，本方案匹配阻抗为50欧姆，工作带宽为0.5-3.5GHz（在一些测试精度要求比较高的产品上使用窄带双端口定向耦合器设计，这种耦合器的耦合度起伏小测试精度会有所提高）仿真图见图一图二：

对微波软件生产的微带参数图进行二次设计和工程优化，双端口定向耦合器的微带线如下见图三、图四：

采用电磁仿真软件对微带线定向耦合器进行了仿真。该耦合器耦合度为30ｄＢ，频段范围0.5ＧＨｚ到3.5ＧＨｚ。这里选取中心频率＝2ＧＨｚ，加工介质为Ｆ4ＢＭＥ255介质板（相对介电常数εｒ＝2.55，介质板厚度ｈ＝１ｍｍ，金属厚度ｔ＝0.018ｍｍ），所有端口的特性阻抗均设为50Ω。

2.3 双端口定向耦合器功能

该双端口定向耦合器是四端口器件，主微带的输入端口P_IN和输出端口P_OUT，射频信号耦合端口P₀₁和低频信号耦合端口P₀₂；该耦合器与传统耦合器最大的区别就是拥有两个耦合端口（传统的耦合器只有一个射频耦合端口），用在组件输出端可以丰富组件的测试功能，给产品的调试工程师带来更直观的判断组件工作状态依据。双端口定向耦合器可以制作成微带板式直接装配到组件中使用，也可以制成的工装器件用在测试系统中。

双端口定向耦合器的工作原理：当主微带输入63dBm（2KW）的射频功率时，输出端P_OUT射频功率不小于62.7dBm，耦合端口P₀₁和P₀₀₂输出30dBm射频微波信号，P₀₀₂输出的射频信号经过R₂、R₃、R₄组成的π衰减器，把微波信号送给检波器V₁，检波出低频信号（0.4-0.8V低频控制信号或连续控制信号）经过R₅和V₁滤波后经过端口P₀₂把信号传给BITE电路或监控板用做控制、指示等信号。同时电阻R₁为50Ω，负载R₆为50Ω，R₂、R₃、R₄根据耦合器输出功率选择适当的阻值对射频信号进行衰减，保证检波器安全工作。同时R₅和C₁是根据射频信号的频率选择对应的电阻和电容。

与传统的耦合器相比双端口耦合器具有以下优点：一路耦合输出的微波信号送给组件对外检测端口，可以在组件正常工作下测试和检查组件的工作状态；另一路耦合输出的低频电压控制信号可以直接送到监控电路作为控制信号，这个功能可以节约高频电缆和检波器等器件，能够提高微波组件的稳定性。同时耦合器可以作为一个微波器件应用在微波组件的设计中，也可以用在微波测试系统中耦合射频信号及提供低频控制信号，如果只需要使用一个耦合端口，另外一个端口用50Ω的负载连接上即可。

3.结论

双端口定向耦合器为无源器件，具有使用方便及适用范围广等特点。同时宽带耦合器的耦合平坦度较差，可以根据实际产品的工作频率带宽制作窄带定向双端口耦合器，耦合器的耦合平坦度及相关指标会更好。

参考文献：

[1] 焦永昌, 廖小平.功率耦合器的模拟与设计[ J] . 传感技术学报, 2008( 3)

[2] 曾文等. 超宽带技术在工业通信中的应用研究[ J] . 仪器仪表学报, 2006( S1)

作者简介：

叶宝江(1975)，男，黑龙江七台河人，本科，从事微波收发数字组件工作。

桑飞（1977），男，安徽太和人，本科，从事微波收发数字组件工作。

蔡勇（1993），男，安徽蒙城人，本科，从事微波收发组件调试工作。

杜运（1976），男，安徽合肥，大专，主要从事微带板制作及研究应用。