微带双分支定向耦合器的小型化设计与实现_高闻远

现代电子技术

Modern Electronics Technique

2013年9月15日第36卷第18期

Sep.2013Vol.36No.18

收稿日期：2012?12?19

基金项目：国家自然科学基金（61071044）；辽宁省教育厅

一般项目（L2012171）资助；中央高校基本科研业务费专项（2013QN052）

0引言

近年来，通信技术取得了长足快速的发展，微波通信设备也随之发展起来。如今通信设备趋于小型化、便携化，这对通信设备中无源器件的尺寸缩小提出更高的要求。

定向耦合器具有简单的结构以及良好的方向性，在微波通信中得到了较为广泛的应用。定向耦合器的种类从结构上分有微带型、波导型和同轴型等；从耦合方式上有分支线耦合、微带平行耦合线耦合、小孔耦合等[1]

。传统微带形式的定向耦合器无法克服所占面积较大的缺点，因此限制了其在便携微波设备上的应用。目前，定向耦合器的小型化已经成为了一个热门的课题。文献[2]通过补偿电容，提高了耦合器的方向性并减小了

尺寸；文献[3]通过引入多个开路枝节，实现了微带混合环的小型化；文献[4]采用了T 型等效的方法实现了小型化；文献[5]采用了主线、副线以及耦合线的鱼骨形等效实现了小型化，避免了T 型等效的中心重叠问题。但文献[4?5]仅仅是理论上的仿真，并没有考虑到实际微波器件的耦合效应。

本文基于前人的研究成果，设计了一种小型化的微带双分支定向耦合器，有效地解决了T 型等效的中心重合问题以及主线、副线以及耦合线的鱼骨形等效的耦合失真严重的问题。利用HFSS 软件进行仿真优化设计，并做出了实物进行测试。

1定向耦合器的小型化设计

传统微带双分支定向耦合器的结构示意图如图1

所示，分支线长度及其间距均为14中心相波长。其输

入、输出端口的特性阻抗为Z 0，AB 段与DC 段的特性阻抗为

2Z 0，AD 段与BC 段的特性阻抗为Z 0。由于文

献[1]已经给出了详尽的原理解释以及设计公式，本文

微带双分支定向耦合器的小型化设计与实现

高闻远，傅世强

（大连海事大学信息科学技术学院，辽宁大连

116026）

摘

要：提出了小型化微带双分支定向耦合器的设计方案，通过对双分支微带线进行结构等效，解决了传统微带双分

支定向耦合器尺寸较大的问题。应用HFSS 软件对结构进行了优化仿真设计，并制作和测量了一款工作在L 波段用于海事卫星通信的微带耦合器样件。该耦合器样件比传统双分支定向耦合器面积缩小了51%，实测结果与仿真结果吻合较好，验证了方案的可行性。

关键词：微带双分支定向耦合器；结构等效；小型化设计；海事卫星通信中图分类号：TN626?34

文献标识码：A

文章编号：1004?373X （2013）18?0136?02

Design and implementation of miniaturized microstrip branch ?line directional coupler

GAO Wen?Yuan ，FU Shi?Qiang

（School of Information Science and Technology ，Dalian Maritime University ，Dalian 116026，China ）

Abstract ：A design scheme of a miniaturized microstrip branch ?line directional coupler is proposed.The problem of the large size of the traditional microstrip branch?line directional coupler was solved by the way of structural equivalence.The optimi?zation simulation design was carried out by using HFSS software.In order to validate the feasibility of the scheme ，the prototype of the proposed microstrip branch?line directional coupler for L band maritime satellite communication was fabricated and mea?sured.The size of the miniaturized microstrip branch?line directional coupler is reduced by 51%in comparison with traditional microstrip branch?line directional coupler.The measured results have a good agreement with the simulated ones.Keywords ：microstrip branch ?line directional coupler ；structural equivalence ；miniaturization design ；maritime satellite

communication

136

第18期

高闻远，等：微带双分支定向耦合器的小型化设计与实现

（下转第141页）

将不再赘述。

图1

传统微带双分支定向耦合器结构示意图

然而，传统的微带双分支定向耦合器尺寸较大，本文通过传输线的对称等效，设计了一种小型化的微带双分支定向耦合器。传统微带双分支定向耦合器分支线的等效电路示意图如图2

所示。

图2分支线的等效电路示意图

由等效前后A 矩阵相等，已知θ1=90°，可得：

é?êêêêù?úúúú0

j Z 1j 1Z 1

0=é?êêêêù?úúúúcos θ3

j Z 3sin θ3j 1Z 3

sin θ3cos θ3é

?êêù

?

ú

ú1

0j 1Z 2

tan θ2

1·é?êêêêù?

úúúúcos θ3j Z 3sin θ3j 1Z 3

sin θ3cos θ3

（1）

由式（1）可以推出：

tan θ3=Z 1Z 3

（2）tan θ2=

Z 23

Z 22

-1

Z 3Z 2

tan θ3

（3）

将四段分支线进行T 型等效后发现，定向耦合器中心部分发生重叠，这会产生严重的耦合现象，影响定向耦合器的性能。在考虑定向耦合器的耦合效应的前提下，对分支线AB 及DC 段的T 型等效进行进一步等效，其等效示意图如图2（c ）所示。

同理，由A 矩阵相等得到：

Z 4Z 5θ4θ51643=2sin 2θ

2

2

（4）

综合式（2）~式（4），本设计的参数选取如下：Z 2=50Ω,θ2=33.69°Z 3=86.6Ω,θ3=30°Z 4=86.6Ω,θ4=10°

Z 5=78.48Ω,θ5=25

°

Z 6=61.23Ω,θ6=30°

2

仿真及实验结果

根据上述分析和计算，设计了一款应用于海事卫星

通信的小型化微带双分支定向耦合器。中心频率为f 0=1.6GHz ，频率范围为1.5～1.7GHz ，输入/输出端口阻抗Z 0=50Ω。选用F4B 系列微波介质材料板，相对介电常数为εr =2.65，损耗角正切tan δ=0.002，厚度h =2

mm 。利用HFSS 仿真软件进行大量的仿真优化，得到最佳的电

路尺寸。最终加工实物如图3所示。

图3小型化微带双分支定向耦合器加工实物

使用AV36580A 矢量网络分析仪对加工的定向耦合器进行了实际测量。图4给出了各端口S 参数HFSS 仿真和实测结果的对比。由图4可知，在1.5～1.7GHz

工作带宽内S 11＜-15dB ，中心频率1.6GHz 处S 11＜-20dB ，各输入端口实现了良好的匹配。隔离口S 41＜-20dB 实现了良好的隔离。直通端与耦合端的功分效

果良好，在所要求的频带范围内功分比最大相差0.5dB 。测试结果与仿真结果有着较好的一致性。测试结果与仿真结果的偏差可能来自于实际材料的误差

以及雕刻机加工精度的限制。

3结论

本文设计了一款小型化的微带双分支定向耦合器。基于传统微带双分支定向耦合器的原理，对分支微带线的结构进行等效，等效后的双分支定向耦合器较传

137

第18期

王夏霄，等：光纤陀螺“四位置”误差机理研究

（上接第137页）

从以上实验可以看出：在未加磁屏蔽前，陀螺拟合出的最大误差方向靠近磁敏感轴，说明磁场产生的“四位置”误差比失准角的要大的多，起主导作用；加磁屏蔽后，拟合出的“四位置”最大误差向失准角靠近，且“四位置”误差显著减小，此时输入轴失准角起主导作用；采用μ金属进行磁屏蔽的效果显著，使光纤陀螺的“四位置”误差显著降低。

4结语

通过定性分析光纤陀螺“四位置”误差产生的原因及光纤陀螺磁屏蔽前后“四位置”误差的最大方位、陀螺输入轴失准角和光纤陀螺磁敏感轴之间的角度关系，得出了光纤陀螺“四位置”误差主要是由地磁场影响造成。对光纤陀螺采用磁屏蔽措施，可以显著减少“四位置”误差。

参

考

文

献

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作者简介：王夏霄

男，1977年出生，山西太原人，博士，讲师。从事光纤陀螺及光纤传感器研究工作。王

野

男，1989年出生，河北承德人，硕士。从事光纤陀螺及光纤传感器研究工作。

统的双分支定向耦合器面积缩小了51%，实现了微带双分支定向耦合器的小型化，最终加工了实物，给出了测试结果。实测结果表明该微带双分支定向耦合器在整个设计频带内具有良好的匹配、功分以及隔离的性能。该定

向耦合器已成功应用于海事卫星通信天线馈电系统。

图4HFSS 仿真和实测结果S 参数对比图

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