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Ka波段3dB定向耦合器的设计与仿真

发布时间:2020-07-01 01:08:15 阅读: 来源:锐钛型钛白粉厂家

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。

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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。

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