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微波技术2讲解
C波段Lange电桥设计
赵卫宏胡明春
(南京电子技术研究所)
摘要:
本文对微波电路中使用的各种耦合线形式的定向耦合器进行了归纳和总结,在此基础上设计了一
种C波段Lange电桥,该电桥是在弱耦合结构基础上演化出的一种强耦合模型,同时本文给出完整的设计流程和仿真加工测试数据,通过测试数据可以看到,该种耦合器具有良好的性能,可以满足相应工程应用的要求。
关键词:
定向耦合器,C波段
DesignofC-bandLangeCoupler
ZhaoWeihongHuMingchun
(NanjingResearchInstituteofElectronicTechnology,Nanjing210039)
Abstract:
Abriefsummaryismadeonthecoupledlinedirectionalcouplers,afterthattheLangecouplerdesignonC-bandisgiven,andthiscouplerisastrongcouplingmodelbasedonfullyplanarconventionalcoupled-linecoupler.Meanwhilethewholedesignflow,simulationresult,andthetestingdataarepresented,itcouldbeseenthatthiscoplerhasgoodperformaneeandcanmeettheengineeringrequirement.
Keywords:
Directionalcoupler;C-band
1引言
定向耦合器是一种在微波电路系统中被广泛应用的无源器件,其应中场合包括功率分配与合成器、定向滤波器、衰减器、移相器、混频器、放大器、调制器以及阵列天线中的波束形成网络等;同时定向耦合器还被应用在微波测试系统中,如通过耦合出总能量的一小部分,利用高灵敏度的测试设备来测量高功率信号。
定向耦合器也是一种互易的四端口器件,信号能量加在输入端口后,两个输出端口有相应幅度的信号能量输出。
其具体的性能指标包括频段范围、带宽、耦合度、定向性、隔离度、匹配性能、插入损耗、输出信号相对相位差、相位不平衡度和幅度不平衡度。
另外定向耦合器的设计除了要考虑电性能外,还需要考虑实际加工的成本、尺寸等,以及加工误差、环境因素对耦合器性能的影响,更进一步还有产品生命周期内耦合器性能的下降程度。
2耦合线定向耦合器
平面微波定向耦合器的形式主要包括环形电桥系列、分支线定向耦合器系列以及耦合线定向耦合器系列。
本文这里对耦合线定向耦合器及其演化做一个较为详细的归纳。
耦合线定向耦合器由两条或者更多条足够接近的能够互相耦合传递电磁场能量的耦合线构成。
传统的双线耦合器是一种完全对称的四端口网络,当ZoeZoo=1时,
该耦合器各端口完全匹配,其中Zo^ZoeZo、Zoo=ZooZo为归一化偶模和奇模阻抗。
但是一个完全平面的传统耦合线耦合器只有不到10dB的耦合度,这主要是由于在印刷或者蚀刻工艺基础上,耦合线之间的间隙有工艺实现的限制,例如一个在印刷工艺基础上实现3dB耦合度的
微带定向耦合器,要求其线间间隙小于0.0127mm,而这一点是非常难以实现的。
另外在低频段,传统的耦合线定向耦合器的尺寸比较大,有一种小型化的实现方案,即在耦合端口串联一个电感同时并联一个接地电阻。
耦合路的输出大小同串联电感、并联电阻相关,其中电感值的确定由耦合平坦度、中心带频率和耦合系数决定,并联电阻大小取决于耦合线的阻抗和电感的值,最终该耦合器的集成度大概是常规耦合器的五倍。
平面3dB耦合器的最早由Lange提出,该耦合器由几段由交叉跨接线连接的交指带状线或微带线构成,Lange电桥同常规耦合线形式的定向耦合器相比,耦合微带线或带状线之间间隙宽度在满足加工工艺要求的宽度下,还能够提足够强的耦合度,另外还能够在一个倍频程甚至更宽的带宽内提供3dB耦合度。
除了以上尺寸小型化、耦合度增强这两种对常规耦合线定向耦合器的改进,还可以通过增加'.4
耦合线的节数来实现耦合器带宽的展宽。
例如三节形式的定向耦合器,其理想匹配条件为:
Z0e1Zoo!
=Zoe2Z0o2=1,其中Z0e1、Z0o1为耦合器边缘节的偶模和奇模特性阻抗,Z0e2、Z0o2
为耦合器中心节的偶模和奇模特性阻抗。
进一步还可以考量耦合器的定向性改善问题。
由于微带耦合线奇偶模式之间的有效介电常数和相对相速存在很大的不平衡,所以导致了基于微带耦合线的各型耦合器都存在了一些应用限制,比如设计出的耦合器定向性较差,这一点可以通过在耦合段的中间或边缘加入集总电容来补偿奇偶模相速的不平衡,其原因是集总电容不会影响偶模信号,但是会降低奇模信号的相速。
例如应用锯齿型耦合线的定向耦合器,该锯齿形状增大了奇模电流路径,而对偶模电流影响很小,这样同样起到了奇偶模相速拉匹配的效果,另外还有类似的结构用了周期的台阶结构取代了锯齿结构。
此外,对传统耦合线定向耦合器的改进主要还有非对称定向耦合器、渐变线定向耦合器,以及增加介质层并用带线宽边实现电磁能量耦合的耦合线
定向耦合器。
3Lange电桥的设计、仿真与加工测试
在上述耦合线定向耦合器归纳的基础上,本文设计了一种C波段Lange电桥,并在这里给出详细的设计仿真过程,
Lange电桥的优点在于其尺寸小,并且同常规双线耦合器的线间间隙相比,该耦合器具有相对大的线间间隙,另外同支线耦合器相比,Lange电桥
具有相对大的带宽。
在3dB能量分配时,Lange电
桥对平衡式MIC功放和混频器、以及二进制功分网络而言,是一种理想的无源功率分配与合成器件。
Lange电桥的设计首先需要指定耦合系数k和
特性阻抗Z0,耦合区域的长度I为中心频率处波长的四分之一,而设计的要求就是在给定的厚度h和
介电常数7的材料上,找出耦合交指线的间隔s和
线宽w。
(a)
(b)
图1Lange电桥设计原理图(a)和仿真模型图(b)
K(N-1)(1-R2)Z0o
(N-1)(1R)2RZ0e
ZZ。
。
R[(N-1)R][(N-1)R1]Z。
(1R)
其中Z°o为双耦合线的奇模阻抗,Z°e为双耦
合线的偶模阻抗。
根据上述公式计算出奇偶模阻抗
后,Lange电桥尺寸参数w/h、s/h在给定的介质材料上就可以确定。
完成上述初始计算工作后,利用相应的微波软件,在得到的参数基础上进行建模仿真,根据仿真中间结果,对电桥的结构参数进行微调,最后得出合理的设计尺寸参数。
设计一个C波段3dB的Lange电桥,选取介质基板厚度为0.5mm,介电常数为9.8,建模情况如图1(b)所示,中心频率为5.5GHz。
根据初始计算公式计算出Lange电桥的尺寸参数后,进行仿真优化的参数如下:
耦合区长度丨为5.675mm,耦合支线
的线宽w为0.0351mm,耦合支线的间隔s为0.05mm。
具体仿真、加工以及测试结果如下图所示。
仿真结果如下:
图2
图3实际加工样品
(测试时由于尺寸太小需要加外围测试电路)
对样品进行测试,结果如下:
K
Y
*
刁事强
£iU>
iltM
e-iw
■3IJH-
-3-H
(a)直通端口和耦合端口能量分配仿真结果
■IW
TM
(b)直通端口和耦合端口相位差仿真结果
(a)输入端口驻波测试结果图
3.00
2.00
2.60
2.40
Z.20
200
1.00
1.60
1.40
1.20
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孰art5.0(10GHz-$rtp6.00000
(b)直通输出端口驻波测试结果
(c)耦合输出端口驻波测试结果
(c)输入回波损耗和隔离端口插损仿真结果
(d)两路输出端口相位差测试结果
湎
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4
1:
5.00000GHs-StopGHz
(e)两路输出端口插入损耗测试结果
对上述对样品的测试,从测试结果可以看到两路输出之间的幅度均衡良好,插损值较仿真结果略大的原因是测试架本身的插入损耗引起的。
另外两
路输出之间的相位正交情况良好。
4结论
本文各种耦合线形式的定向耦合器进行了一定的归纳,给出了几种常规形式耦合器针对不同应用背景的演化形式,其中包括尺寸的缩小、耦合度的加强、频带的展宽以及隔离度的增大。
对这些方法的适当选取会取得良好的效果,比如尺寸缩小的方法一般是在低频段场合选取,这主要是由于在低频段尺寸问题是主要矛盾。
而在C波段,3dB的宽带
耦合器采用普通的宽边带耦合设计和加工都是相对比较难的,这时候采用平面形式的Lange电桥设
计,就会取得良好的效果。
本文给出的设计、仿真、加工以及测试过程表明,该C波段Lange电桥
具有设计简单、仿真调整方便、加工成本低,以及微波电性能良好的特点,完全可以满足相应工程应用的要求。
参考文献
[1]J.Lange,“hterdigitalStriplineQuadratureHybrid”,IEEETransactionsonMicrowaveTheory&Techniques,Vol.MTT-17,Dec.1969,pp.1150-1151
[2]AdolphPresser,“hterdigitatedMicrostripCouplerDesign”,IEEETransactionsonMicrowaveTheory&Techniques,Vol.MTT-26,Oct.1978,pp.801-805
[3]Dydyk,AccurateDesignofMicrostripDirectionalCouplerswithCapacitiveCompensation”,IEEEMTT-SInternationalMicrowaveSymposiumDigest,1990,pp581-584
[4]L.G.Maloratsky,CouplersShrinkHF/VHF?
UHFDesigns”,MicrowaveandRF,June2000,pp.93-96
[5]MasayukiNakajima,etc,NewBroad-Band5-SectionMicrostrip-LineDirectionalCouper”,IEEEMTT-SDigest,1990,pp.383386
作者简介:
赵卫宏,男,硕士,主要研究领域为微波电路技术;
胡明春,男,研究员、主要研究领域为电磁场与微波技术。
基于主动空间映射算法的宽带LTCC功分器
周波盛卫星王昊
(南京理工大学毫米波技术研究室,南京210094)
摘要:
空间映射思想是通过构造粗糙模型与精确模型实际变量之间的映射关系,获得合适的代替模型,从而简化优化过程。
本文应用MicrowaveOffice和HFSS软件分别建立了基于LTCC(LowTemperatureCofiredCeramic)的宽带功分器的粗糙模型和精确模型,采用主动映射空间算法对其进行优化设计,经过迭代,建立了精确模型和粗糙模型的映射关系并得到精确空间宽带LTCC功分器优化设计值。
该功分器采用多节分层结构,HFSS仿真结果表明,在2〜38GHz频带内,插入损耗小于0.3dB,输出端回波损耗和隔离度均
优于-15dB,输入端回波损耗小于-13dB。
电路尺寸为4mmX4mmX1.654mm。
关键词:
主动空间映射,宽带,LTCC,功分器
BroadbandLTCCPowerdividerBasedon
AggressiveSpaceMappingAlgorithm
ZhouBoShengWeixingWangHao
(MicrowaveandMillimeterWaveLaboratory,NanjingUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210094)
Abstract:
Thetheoryofspacemappingistogainanappropriatesurrogatemodelbyconstructingasparerelationshipbetweenthedesignvariablesofcoarseandfinemodelsoastosimplifyoptimizationprocess.Inthispaper,coarseandfinemodelsofthebroadbandLTCCpowerdividerareestablishedbySoftwareMicrowaveOfficeandHFSS,respectively.Relationshipbetweenvariablesofcoarseandfinemodelandoptimizedvaluesarefoundwithaggressivespacemappingalgorithm.ThestructureoftheLTCCpowerdividerisinmulti-sectionalandhierarchical.HFSSSimulationresultsshowthatitsS21isbetterthan-0.3dB,S22andS23arebetterthan-15dB,S11isbetterthan-13dB.Andthesizeofthecircuitisonly4mmX4mmxi.654mm.
Keywords:
Aggressivespacemapping;Broadband;LTCC;Powerdivider
1引言
LTCC电路中的内嵌元器件越来越多,集成度越来越高,各种内嵌元件的设计因缺乏快速和准确的仿真方法而面临着巨大挑战。
尽管利用某些经验模型进行电路仿真是快速的,但经验模型和等效电路往往难以到达精度要求。
EM仿真软件虽然能达到完美的精度,但时间成本巨大,对参数量大且复杂的LTCC多层电路问题几乎不能实现,如果涉及到产品统计分析和成品率分析则更是无法实现的。
所以期望找到结合电路仿真的快速性和电磁仿真准确性的优化方法。
空间映射方法正是为解决复杂、高成本电磁场仿真优化问题的一种有效途径[1空间映射思想是通过构造粗糙模型与精确模型实际变量之间的映射关系,获得合适的代替模型。
代替模型仿真速度远快于精确模型,并且至少拥有粗糙模型的精度。
通过不断更新和优化能够快速仿真的粗糙模型,将优化结果放到精确模型中进行验证,这样精确模型只参与验证工作,把大量优化工作放到粗糙空间来完成,充分发挥了粗糙模型的高效性和精确模型的准确性,通过对高成本精确模型
最小的仿真次数获得满意的优化结果[2]。
初始空间映射算法的局限性在于必须先给定多个精确模型设计点并且进行精确空间仿真以便于在参数抽取中提供全阶条件样本,而且映射关系被假设为线性的。
Bandler等⑶提出了主动空间映射方法(AggressiveSpaceMapping,ASM),该算法改进了初始空间映射不足,从第一次精确模型仿真开始到最后,每次的精确模型仿真都参与了参数抽取和两空间映射关系的建立,并预测下一个改善的精确模型新的设计参量。
该算法结合了应用古典Broyden公
式的拟牛顿迭代法,能够解决非线性映射问题,不用预先假设两空间之间的线性映射关系。
本文运用主动空间映射方法,采用多节分层结构分别在MicrowaveOffice和HFSS软件中建立了宽带LTCC功分器的粗糙模型和精确模型,对前者进行优化,最终仿真出了一款宽带LTCC功分器,
其工作频率为2〜38GHz,输出端回波损耗和隔离度均优于-15dB,输入端回波损耗小于-13dB。
电路
尺寸为4mmX4mmX1.654mm。
2宽带LTCC功分器的设计和建模
2.1设计指标与结构
宽带LTCC功分器的指标要求:
工作频率:
2〜38GHz
插入损耗:
<0.3dB
输入/输出端反射损耗:
w-13dB
输出端隔离度:
w-15dB
本文将采用Wilkinson功分器实现上述指标。
传统的Wilkinson功分器只能工作在特定的频率或其奇次谐波处,无法满足系统多频带以及宽带的要求。
通过多节传输线的阻抗变换特性,可以实现宽带多频Wilkinson功分器。
本文设计的LTCC功分
器由7节阻抗变换传输线构成的,每节阻抗变换传输线垂直层叠排放,层与层间用金属地隔离,这样可以大大减少电路的水平面积。
每节阻抗变换传输线长均为1/4波长。
2.2LTCC功分器的粗糙模型
粗糙模型在MicrowaveOffice软件中运用多层电路元件库中的分离模型建立。
为减少优化时间,粗糙模型优化前,运用微带线和带状线公式对模型
进行粗略计算。
图1宽带LTCC功分器粗糙模型结构
2.3LTCC功分器的精确模型
通过HFSS软件建立的三维物理模型即为精确模型,基板采用Ferro-A6M生瓷带,其相对介电常数为5.9,损耗角正切为0.0015,每层板厚0.127mm,金薄厚度0.01mm。
功分器由12层LTCC组成,输入、输出端均为50Q微带线。
分析得知,
每节阻抗变换传输线的宽度W1,W2...W7,每节隔离电
阻值R,R2...R7,过孔半径r和每层隔离地上无金属覆盖圆半径R是影响系统性能的重要因素。
将上述要优化的变量构成一维向量作为粗糙模型和精确模型的输入变量,分别为:
Xc=[W1W2W3W4W5W6W7R1R2R3R4R5R6R7rR]T
(1)
T
Xf=[W1W2W3W4W5W6W7R1R2R3R4R5R6R7rR]⑵
图2宽带LTCC功分器精确模型结构
假设xc变量空间是Xf变量空间的非线性函数,函数关系为P。
假设两空间响应完全一致,可得到n阶非线性关系式P(xf)=xc。
应用主动空间映射算法对功分器的S参数响应进行优化过程如下:
(1)响应频率范围:
2〜38GHz,0.1GHz频率间隔设定一个频率抽样点,共361个点。
设j0=0,矩阵B0=I,I为单位矩阵,映射关系设为P两者的响应
误差&=0.15。
(2)根据前面功分器的设计要求,在MicrowaveOffice软件得到粗糙模型最优化值xc,
单位为mm,x;中变量如下:
X;=[0.100.110.120.130.190.20.242493053111992302686000.050.55]⑶
(3)用HFSS软件建立精确空间模型令xf0)二x;,并得到精确模型响应Rf(xf0)),即S参
数响应。
在MicrowaveOffice软件中,进行单点参数抽取,得到对应粗糙空间的设计变量xj。
假设
c
利用当前映射关系由精确模型参量获得的粗糙模型参量近似为参数抽取后获得的粗糙模型参量,即P(0)(Xf(0))、Xc(0),当前映射关系误差
(0)(0)/(0)、*(0)*
fP(Xf)-Xc=xc-xc⑷
通过
B(0)h(0)—f(0)⑸
得
h(o)=_(B(0))4f(0)(6)
(4)设定j=J01,预测精确空间新的设计变
量点x(fj).
xf'xfT+hZ⑺
将其在HFSS软件进行电磁场仿真。
(5)在MicrowaveOffice软件中,进行单点参量抽取,得到对应粗糙空间的设计变量xcj),并且
假设利用当前映射关系由精确模型参量获得的粗糙模型参量近似为参量抽取后获得的粗糙模型参量,即P(j)(x;)xcj)。
⑹当前映射关系误差
f⑴=p(j)(xfj))—X;
(jL(j4)t
B⑴一b("」—
BBh(j4)Th(j4)
B(j)h⑴=_f(j)
(10)
得
h⑴=
_(B(j))」f(j)
(11)
求得精确变量的增加步长
h(j)。
⑺不断重复步骤⑸
〜⑺的过程,
直到
'<■:
,算法结束。
h(j)
(8)当j=16时,第16次迭代的精确空间响应与粗糙空间最优化值响应进行比较,该精确空间响应满足误差要求,算法结束,如图3所示。
此时精
确空间设计参量为xf16)。
(16)
Xf=[0.10.120.130.180.190.210.25250300
3192052402725800.030.59](12)
4结论
本文针对16个优化变量,采用主动空间映射算法经16次迭代,得到宽带LTCC功分器
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