微帶耦合器定向性指標優(yōu)化措施

黃巖島島主公眾號《看圖說RF》第044篇原創(chuàng)文章，Coupler之七：微帶耦合器改善定向性措施45。碎片三分鐘逛電巢App，收獲一丟丟。

微帶耦合器定向性指標一般只有5dB左右，上文講到可采取3種降低奇模相速的措施使定向性指標優(yōu)化到20dB以上，本文再講其它2種優(yōu)化措施。

微帶耦合器定向性指標優(yōu)化措施4

采用懸置微帶線結(jié)構(gòu)的耦合器，相當于降低了耦合區(qū)介質(zhì)的等效相對介電常數(shù)，這個區(qū)域決定了偶模相速，偶模相速會加快，因為一部分介質(zhì)變成了空氣。

懸置微帶線結(jié)構(gòu)對奇模相速影響不太大。

看看普通微帶線(左)和懸置微帶線(右)的橫截面結(jié)構(gòu)有什么不同點：

懸置微帶線結(jié)構(gòu)在耦合區(qū)下方挖空地平面，作為結(jié)構(gòu)支撐和地回流的鋁板對應(yīng)區(qū)域也挖空下沉，凹槽里面自然地充滿了空氣。此時耦合區(qū)的參考地平面變成了鋁板的凹槽，偶模分布在介質(zhì)和凹槽空氣，相當于降低了耦合區(qū)介質(zhì)的等效相對介電常數(shù)，偶模相速加快。

仿真普通微帶線(左)和懸置微帶線(右)的定向性指標對比如下：

對比上面左右兩圖的藍色雙箭頭：

左圖的裸露式微帶耦合器定向性指標5dB;

右圖的懸置微帶結(jié)耦合器定向性指標22dB，優(yōu)化了17dB，效果明顯。

由于等效于降低了相對介電常數(shù)，所以要加寬耦合區(qū)的線寬和線間距，這帶來另外三個附加優(yōu)點：

1、降低了導體損耗和介電損耗;

2、增加了功率容量;

3、如果采用懸置微帶線結(jié)構(gòu)，電磁場主要位于空氣內(nèi)，介質(zhì)損耗所占比重減少，板材只需要起到支撐作用，就有可能不需要采用特殊的高頻板材，只需要普通板材也行，這相當于降低了物料成本;

類似于上圖(圖片來自于網(wǎng)上)這種定制的定向耦合器，動不動有幾百W的，有可能采用了懸置微帶線結(jié)構(gòu)，或許是由銅板沖壓出來的(不是由PCB蝕刻的)。

微帶耦合器端口失配對定向性指標的影響分析

阻抗失配對定向性的影響：

端口1輸入信號，理想情況是耦合端口3有耦合信號。隔離端口4無信號。

但是，如果端口2阻抗失配，端口2的反射信號回到端口1，此反射信號也算是端口2的輸入信號，相對于端口2來說，端口4成了耦合端口!耦合出意料之外的隔離信號，導致端口4隔離度變化(等效于定向性變化)：

隔離度 <= 回波損耗+耦合度;

兩邊同時減去耦合度，得到：

方向性 <= 回波損耗;

上述公式說明：如果想要做出高方向性的耦合器，那么至少要把回波損耗做得大于方向性才行，至少大個5dB?

這個原理分析隱含了下文所述的定向性優(yōu)化措施5。

下圖仿真了直通的2端口的理想匹配阻抗50歐和失配阻抗50-3i歐，對回波損耗RL和隔離度ISO的影響：

直通端口2的50-3i歐的阻抗輕微失配，使隔離度ISO劣化了5dB，也就是使定向性劣化了5dB。顯然，如果是反方向失配，例如50+3i，那就是優(yōu)化了定向性(略)。

微帶耦合器定向性指標優(yōu)化措施5

微帶耦合器端口阻抗失配對定向性指標可能有正面影響，也可能有負面影響。例如：

下圖仿真了隔離的3端口的理想匹配阻抗50歐和失配阻抗52.5歐，對回波損耗RL和隔離度ISO的影響：

隔離端口3阻抗輕微失配到52.5歐，使隔離度ISO優(yōu)化了7dB，也就是使定向性優(yōu)化了7dB。

利用這個特征，可以調(diào)節(jié)耦合器定向性指標：在耦合線的任意端口(一般在隔離端口)加一個可調(diào)元件，調(diào)節(jié)指標較臨界的方向性。

工程上通常在隔離端口并聯(lián)接地一個表面貼可變電阻當作調(diào)節(jié)元件。

阻值稍微選K歐級以上，這種可變電阻本質(zhì)上不是調(diào)節(jié)阻值的，而是調(diào)節(jié)分布參數(shù)的，因為在射頻工作頻率范圍，這種可變電阻的分布參數(shù)的影響大于電阻本身阻值的影響。

調(diào)整好之后，加紅膠固定住。

有時也可以增加或減小焊錫量來實現(xiàn)輕微失配。

當然，這個優(yōu)化措施起到的是錦上添花作用，也就是說定向性指標已經(jīng)較好(或臨界)的前提下，再在隔離端口做些輕微失配，使定向性指標有更大的裕量。

總結(jié)

? 懸置微帶線結(jié)構(gòu)，用一部分空氣替代了介質(zhì)，使偶模相速變快，也能改善微帶耦合器的定向性。

? 設(shè)計高方向性耦合器，理論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，理論上要求耦合器各端口回波損耗30dB。

? 在耦合器定向性指標較好(或臨界)的情況下，可在隔離端口輕微失配，會進一步提高定向性，增加裕量，錦上添花。