波導(dǎo)耦合器由于低插損，高功率，高定向性微波通信，測試測量等場合有大量的使用。同時波導(dǎo)耦合器由于是三維結(jié)構(gòu)，耦合方式多種多樣（寬邊/窄邊/多路/平行/交叉耦合），其中應(yīng)用非常廣泛的一種結(jié)構(gòu)是貝茲孔耦合器（也稱小孔耦合器），貝茲多孔耦合器遵循分支線電橋原理。這里介紹一個Vband（65G～75G）的多孔耦合器設(shè)計思路。文中源文件見：鏈接：https://pan.baidu.com/s/1bqKh53T 密碼：f3b1

1、分支線電橋的原理分析

分支線電橋理論講解比較好的書個人推薦《現(xiàn)代微波濾波器結(jié)構(gòu)與設(shè)計》下冊第15章的內(nèi)容，分支線電橋作為對稱的四端口網(wǎng)絡(luò)同樣適用于奇偶模分析，原理圖見1所示。（詳細內(nèi)容參考該書15.8節(jié)）

圖1、分支線電橋原理分析

對于偶模激勵，分支線電橋的對稱面可以看作是一磁壁如圖1（b）所示，取其一半分析（另一半一模一樣），電路可以看成是支線為1/8波長的開路短截線，且各短截線間隔1/4波長。電壓經(jīng)過這樣一個電路會移相θ。

同理對于奇模饋電，電路可以看成電路可以看成是支線為1/8波長的短路短截線，且各短截線間隔1/4波長。電壓經(jīng)過此電路會移相-θ。

第一個重要結(jié)論為：經(jīng)過奇偶模疊加后的功率：

· 1口為1
· 2口為0（隔離）
· 3口為sin(θ)^2
· 4口為cos(θ)^2
· 4口和3口的輸出在中心頻率上相位相差90°，為90°定向耦合器。

（假如θ=45°，則電橋是一個3分貝電橋，如果θ=30°，則電橋是一個6分貝電橋，因此耦合度可以用一個角度進行表示，這里也可以融會貫通一下移相器知識）

2、分支線電橋的疊加原理

若把幾個匹配的定向耦合器級聯(lián)起來，則他們級聯(lián)后的作用就如同一個定向耦合器一樣，級聯(lián)后的響應(yīng)符合角度疊加原理（耦合線型耦合器也符合此原理）。例如，一個3分貝電橋是45°，我們可以用兩個22.5度的電橋級聯(lián)起來，一個22.5°的電橋耦合度=20*log（sin22.5）=-8.343dB.這也是8343耦合器流行的原因。

圖2、電橋或耦合器疊加原理圖

3、分支線電橋ADS原理仿真

小孔耦合器服從分支線電橋原理，我們在ADS中建立分支線電橋模型，獲取每一級小孔的耦合度，原理圖見圖3，經(jīng)過簡單優(yōu)化可以得到理想的各枝節(jié)阻抗。由于分支線電橋符合疊加原理，我們可以計算出每一節(jié)分支線提供的耦合度，那么多孔耦合器設(shè)計就變成了單孔耦合器設(shè)計。

圖3、ADS中分支線電橋建模

圖4、單枝節(jié)耦合度確定方法

通過圖4的操作，順序使能各分枝節(jié)，可以確定每個枝節(jié)對耦合度的貢獻值，這樣我們就把多孔問題變成了單孔耦合問題。例如圖4中第四個枝節(jié)提供了-17dB的耦合度，我們只要在三維仿真中找出一個-17dB的耦合孔即可。

4、耦合器的三維仿真

通過ADS中的原理仿真我們可以確定每一節(jié)耦合度，這樣我們把多孔問題轉(zhuǎn)換成了單孔問題。耦合器的三維仿真就變成了單孔耦合數(shù)據(jù)獲取和多孔級聯(lián)聯(lián)防兩個步驟。

· 單孔耦合度確定

兩個平行波導(dǎo)只要有一個小孔就會產(chǎn)生耦合，耦合孔的形式結(jié)構(gòu)多種多樣，這里用一個雙孔耦合作為實例，其他耦合形式可按照本文步驟自行感受。

在HFSS中建立圖5所示的模型，兩個波導(dǎo)間的壁厚根據(jù)機械加工的限制盡可能的薄，這里取0.4mm，通過掃描耦合孔的尺寸來獲取相應(yīng)耦合度。Vband的波導(dǎo)尺寸為：a =3.1mm，b=1.55mm，兩孔間壁厚至少0.4mm，則耦合孔半徑最大取0.65mm，最小取0.25mm（鉆頭限制）。

通過小孔直徑掃描可以看到兩個小孔最大可以提供-29.5dB的耦合度，遠低于ADS仿真中需要的最大耦合度。（一般情況下要先評估每節(jié)耦合可以提供的最大和最小耦合量，然后在ADS中建模）通過這個步驟確定了小孔能實現(xiàn)耦合量的上下限，這里可以返回到ADS中重新建模仿真。（注意耦合路和直通路的相位差也要保證為90°）

圖5、HFSS中的雙孔單節(jié)耦合

· 多孔耦合器三維仿真

由于小孔能提供的最大耦合量-29.5dB，耦合量非常小，這里就不返回ADS中仿真了，直接用-29.5dB的單節(jié)耦合器進行多節(jié)級聯(lián)實現(xiàn)3dB耦合。

通過計算，-29.5°的角度是1.92°，要實現(xiàn)45°，可以通過45/1.92=23節(jié)去實現(xiàn)。在HFSS中建立23節(jié)的耦合器，每節(jié)耦合器耦合度-29.5dB，耦合孔間距1/4波長（1/4波長自行計算）。通過一次計算結(jié)果見圖6所示，可以看到我們粗略估計出來的結(jié)果也是非常不錯的。

圖6、Vband多孔耦合器仿真結(jié)果

在實際的產(chǎn)品中由于存在損耗，耦合度不一定剛好-3dB合適，需要實際調(diào)試修正。

分支線電橋中各分支的耦合度越小，電橋可以做的越寬，但在ADS原理圖中可以看到-20dB左右的耦合量時，分支線阻抗已經(jīng)達到了200歐，這樣的阻抗在微帶中是非常難實現(xiàn)的，這也是為什么寬帶的微帶電橋不能使用分支線方式，同時寬帶的移相器也非常難實現(xiàn)的原因。

作者：趙強 微信號：q_zhao_ls

簡介：
2004～2011 華中科技大學(xué) 微電子學(xué)與固體電子學(xué) 碩士
2011～2015 中電29所西科微波通訊有限公司
2015~ 2018 華為技術(shù)有限公司
2018～至今 航天微電科技有限公司成都分公司

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