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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 Design of C-band Lange Coupler Zhao Weihong Hu Mingchun (Nanjing Research Institute of Electronic Technology, Nanjing 210039) Abstract: A brief summary is made on the coupled line directional couplers, after that the Lange coupler design on C-band is given, and this coupler is a strong coupling model based on fully planar conventional coupled-line coupler. Meanwhile the whole design flow, simulation result, and the testing data are presented, it could be seen that this copler has good performance and can meet the engineering requirement. Keywords: Directional coupler; C-band 1 引言 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，当时， 该耦合器各端口完全匹配，其中、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：，其中、为耦合器边缘节的偶模和奇模特性阻抗，、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。 3 Lange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，L