Coupler之七：微带耦合器改善定向性措施45 留言

微带耦合器定向性指标优化措施4

采用悬置微带线结构的耦合器，相当于降低了耦合区介质的等效相对介电常数，这个区域决定了偶模相速，偶模相速会加快，因为一部分介质变成了空气。

悬置微带线结构对奇模相速影响不太大。

看看普通微带线（左）和悬置微带线（右）的横截面结构有什么不同点：

 

悬置微带线结构在耦合区下方挖空地平面，作为结构支撑和地回流的铝板对应区域也挖空下沉，凹槽里面自然地充满了空气。此时耦合区的参考地平面变成了铝板的凹槽，偶模分布在介质和凹槽空气，相当于降低了耦合区介质的等效相对介电常数，偶模相速加快。

仿真普通微带线（左）和悬置微带线（右）的定向性指标对比如下：

 

对比上面左右两图的蓝色双箭头：

左图的裸露式微带耦合器定向性指标5dB；

右图的悬置微带结耦合器定向性指标22dB，优化了17dB，效果明显。

由于等效于降低了相对介电常数，所以要加宽耦合区的线宽和线间距，这带来另外三个附加优点：

• 1、降低了导体损耗和介电损耗；

• 2、增加了功率容量；

• 3、如果采用悬置微带线结构，电磁场主要位于空气内，介质损耗所占比重减少，板材只需要起到支撑作用，就有可能不需要采用特殊的高频板材，只需要普通板材也行，这相当于降低了物料成本；

 

类似于上图（图片来自于网上）这种定制的定向耦合器，动不动有几百W的，有可能采用了悬置微带线结构，或许是由铜板冲压出来的（不是由PCB蚀刻的）。

 

微带耦合器端口失配对定向性指标的影响分析

阻抗失配对定向性的影响：

端口1输入信号，理想情况是耦合端口3有耦合信号。隔离端口4无信号。

但是，如果端口2阻抗失配，端口2的反射信号回到端口1，此反射信号也算是端口2的输入信号，相对于端口2来说，端口4成了耦合端口！耦合出意料之外的隔离信号，导致端口4隔离度变化（等效于定向性变化）：

隔离度 <= 回波损耗+耦合度；

两边同时减去耦合度，得到：

方向性 <= 回波损耗；

上述公式说明：如果想要做出高方向性的耦合器，那么至少要把回波损耗做得大于方向性才行，至少大个5dB?

这个原理分析隐含了下文所述的定向性优化措施5。

下图仿真了直通的2端口的理想匹配阻抗50欧和失配阻抗50-3i欧，对回波损耗RL和隔离度ISO的影响：

 

直通端口2的50-3i欧的阻抗轻微失配，使隔离度ISO劣化了5dB，也就是使定向性劣化了5dB。显然，如果是反方向失配，例如50+3i，那就是优化了定向性（略）。

 

微带耦合器定向性指标优化措施5

微带耦合器端口阻抗失配对定向性指标可能有正面影响，也可能有负面影响。例如：

下图仿真了隔离的3端口的理想匹配阻抗50欧和失配阻抗52.5欧，对回波损耗RL和隔离度ISO的影响：

 

隔离端口3阻抗轻微失配到52.5欧，使隔离度ISO优化了7dB，也就是使定向性优化了7dB。

利用这个特征，可以调节耦合器定向性指标：在耦合线的任意端口（一般在隔离端口）加一个可调元件，调节指标较临界的方向性。

工程上通常在隔离端口并联接地一个表面贴可变电阻当作调节元件。

 

阻值稍微选K欧级以上，这种可变电阻本质上不是调节阻值的，而是调节分布参数的，因为在射频工作频率范围，这种可变电阻的分布参数的影响大于电阻本身阻值的影响。

调整好之后，加红胶固定住。

有时也可以增加或减小焊锡量来实现轻微失配。

当然，这个优化措施起到的是锦上添花作用，也就是说定向性指标已经较好（或临界）的前提下，再在隔离端口做些轻微失配，使定向性指标有更大的裕量。

 

总结

Ø 悬置微带线结构，用一部分空气替代了介质，使偶模相速变快，也能改善微带耦合器的定向性。

Ø 设计高方向性耦合器，理论上耦合器各端口本身的回波耗至少要大于定向性5dB才行。例如25dB的定向性，理论上要求耦合器各端口回波损耗30dB。

Ø 在耦合器定向性指标较好（或临界）的情况下，可在隔离端口轻微失配，会进一步提高定向性，增加裕量，锦上添花。

 

原文始发于微信公众号（看图说RF）：044_Coupler之七：微带耦合器改善定向性措施45