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使用非对称负载交叉槽的小型化贴片混合耦合器
S.SunL.Zhu
1德国乌尔姆大学微波技术研究所，乌尔姆D-89069
2南洋理工大学电气与电子工程学院，50NanyangAvenue639798，新加坡电子邮件：sunsheng@ieee.org
摘要：介绍了一种采用非对称加载十字槽的小型平面电路型3dB贴片混合耦合器。通过在方形贴片上加载一对交叉槽，由于其感应负载效应，所提出的贴片混合耦合器的整体尺寸可以显着减小。然后在理论上表征一类交叉缝隙贴片混合耦合器，并通过改变两个输出端口处的幅度均衡的交叉槽宽度或长度来实现它们的良好性能。接下来，十字槽适当地弯曲，以使它们的整体尺寸减小约89％。最后，分别设计和制造了贴片尺寸约为0.24lg平方和0.18lg平方的两个贴片混合耦合器。
一、介绍
正交混合耦合器是许多应用中的关键电路模块之一，例如微波混频器，放大器电路和天线阵列。它们可被视为3dB定向耦合器，在直通和耦合输出中具有90度相位差。传统的3-dB支线耦合器的特点是，由于T型或交叉结处的寄生效应，它在高工作频率下性能较差，并且在相邻的低阻抗线路之间存在不必要的耦合。为了解决这个问题，在[1-3]中报告了平面微带盘或贴片结构用于替代耦合器或混合器。如[3,4]中所研究的，如果在所有耦合端口外部安装了额外的匹配网络，则可以很好地控制和调整它们的工作频率和性能。然而，由于存在大圆盘（半径frac14;lg/3）和长匹配线（长度frac14;lg/2），它们显着增加了它们的整体电路尺寸。
为了获得良好的匹配性能，凹陷，凸起和短路短截线在贴片的周边上对称地加载，如[5,6]中所做的那样。另一方面，需要在耦合器之间引入外部阻抗变换器端口和矩形贴片，以实现平坦的耦合度，并扩大频率带宽。由于其简单的配置，贴片混合耦合器最近被用于实现天线阵列的宽带巴特勒矩阵[7]。使用演化算法，在[8]中设计了双频带矩形贴片混合耦合器。此外，在[9]中采用了图案化的接地技术来减小单频带贴片耦合器的尺寸。然而，必须通过使用耗时的优化技术来确定许多变量，例如凹陷和短截线的位置，宽度和长度，以及接地平面图案。
在本文中，提出了一种图1所示的新型平面混合耦合器。通过在方形贴片上蚀刻出具有不同宽度或长度的十字槽来获得该耦合器。这个交叉插槽补丁最初是为了在[10]中构建一类双模贴片带通滤波器而开发的。这种技术应用于探索具有尺寸小型化和辐射减少的平面3-dB贴片混合耦合器。在描述其原理之后，表征了一类初始贴片混合耦合器。然后，设计，制造和测量两个具有不对称加载的交叉槽的小型贴片混合耦合器。预测结果通过实验验证。
图1使用微带交叉插槽补丁的所提出的平面贴片混合耦合器的物理布局
a具有可变宽度的交叉插槽补丁
b可变长度的交叉插槽补丁。基材：1rfrac14;10.8，厚度frac14;0.635mm
在这项工作中，贴片混合耦合器将通过ADSMomentum软件[11]通过调整总槽长度（L1）和沿水平槽的尺寸（L2和W2）或垂直槽（L2）。
图2提出的具有可变宽度交叉槽的贴片混合耦合器
三个设计的贴片混合耦合器的几何图形b模拟设计的S-幅度-cc设计的模拟
- 幅度-dd设计-C的模拟S-幅度
二、交叉槽补丁混合耦合器
2.1 具有可变宽度交叉槽的贴片混合耦合器
图2a描绘了前三个提出的跨槽贴片混合耦合器的布局，即Design-A，-B和-C，不同的槽长（L1）。首先，让我们考虑如何确定跨插槽补丁的总体大小。可以看出，分支线耦合器的整个周长占据一个完整波长。方形贴片混合的长度和宽度约为波长的一半。这意味着这些传统混合动力的方形环或补片部分实际上在其第一谐振模式周围产生共振。根据这一基本属性，可以确定整个跨槽补丁大小。
图3提出的具有可变长度交叉槽的贴片混合耦合器
a设计的可变长度贴片混合耦合器的布局
b通过改变L的值2模拟功率耦合（S21和S31）的影响
c通过改变L的值2模拟回波损耗和隔离（S11和S41）的影响
如图2a所示，当槽长（L1）从5.66,6.66增加到7.66mm时，该混合耦合器的工作频率从5.5,5.0逐渐降低到4.5GHz。与所报道的基于矩形贴片的混合耦合器相比，所提出的交叉缝隙贴片混合耦合器的长度和宽度可以缩短到小于四分之一波长。通过这种特殊配置，贴片的总面积减少了80.5％。其次，在这个实际设计中，必须使端口2和3处的两个输出信号相等，这可以通过适当调整水平槽的L2和W2来实现。这样，两个电流在较低的和上侧在十字槽周围重新布线。因此，我们的目标是满足上述正交混合耦合器的必要条件，即S11frac14;S41frac14;0和S31/S21frac14;j。
图2b-2d示出了三个设计的交叉槽贴片混合的模拟S-幅度的频率响应。从这些图中可以清楚地看出，当L1增加时，这三个混合动力车的工作频率逐渐从5.5,5.0降低到4.5GHz。对于所有情况，两个传输系数S21和S31彼此相等，具有约23dB的值，并且在1dB幅度不平衡的限制下实现21％的带宽。反射系数S11和透射系数S41在工作频率附|近都|低于|210d|B，并且当L1增加时它们进一步向下移位。另一方面，对于所有三种设计，S21和S31之间的相位差在实现的工作频带中保持接近908。
图4提出的具有蜿蜒交叉槽的贴片混合耦合器
设计的蜿蜒贴片混合耦合器的布局
b模拟S-幅度。L1frac14;7.58毫米，L（则）frac14;6.48毫米
2.2 具有可变长度十字槽的贴片混合耦合器
图3a示出了所提出的具有不同垂直槽长度的第二类贴片混合耦合器的布局。在这种情况下，通过为垂直槽选择合适的长度（L2），可以使端口2和3处的输出信号的幅度相等。为了研究这种提出的可变长度配置对耦合器性能的影响，长度L2仅在其他电路参数保持恒定的同时变化。图图3b和3c示出了耦合器电路的S幅度（S21和S31，S11和S41）随参数L2的变化。当L2从5.2增加到6.4mm时，透射系数S21为略微下降，而S31增加约2-dB。另一方面，高回波损耗
（S11）和隔离（S41）的工作频率随L2而降低。
与具有可变宽度交叉槽的第一类补片混合相比，如果保持相同的补丁尺寸，则推高第二类补片混合的操作频率。这意味着电流的流动路径随着垂直槽长度的减小而缩短。为了保持电流流动路径的长度不变，引入蜿蜒的槽，如图4所示。在这种情况下，槽宽和弯曲间隙都设定为0.1mm。使用图4a中得到的电路布局，可以模拟和绘制S幅度的频率响应，如图4b所示。结果显示出比图3中的耦合器更好的性能。工作频率现在从5.5到3.3GHz显着降低。换句话说，这种曲折贴片混合耦合器的长度和宽度仅约为0.18lg，因此总面积减少了约89％。此外，观察到1-dB幅度不平衡带宽为15.0％，其略窄于图2中所示的耦合器的带宽。
对所提出的和现有的贴片混合耦合器以及传统的分支线混合耦合器[12]的性能进行了全面的比较，如表1所示。除了耦合器的物理尺寸外，电气尺寸在引导方面也是如此。还计算波长（lg），以便比较尺寸小型化的效果，而不管基板的频率和有效介电常数。所提出的蜿蜒贴片混合耦合器具有最小的整体尺寸，因此表明成功
在尺寸小型化。在这种情况下，只有两个变量用于优化，而15个变量必须针对在[9]中使用图案化地面技术的贴片混合耦合器进行优化。虽然实现的带宽略小于[9]中开发的耦合器，但它与传统的分支线混合耦合器（10-20％[12]）相当，并且优于初始贴片混合耦合器的带宽。（，10％[2,6]）。
三、实验验证
制造并测试实验验证。图5a是RogersRT/Duroid6010LM上制造的贴片混合耦合器的照片，其介电常数为10.8，厚度为0.635mm。该耦合器在4.5GHz的工作频率下仅占约0.24lg的平方，远小于[1-6]中报道的传统补片混合的lg/2平方。图图5b和5c示出了与模拟的S-幅度和相位差曲线相比较的测量的S-幅度和相位差曲线。模拟和测量结果在3.5-5.5GHz的工作频段内相互吻合良好。表2中提供了模拟和测量之间的更详细比较。
如图5b所示，测量的S21和S31实现几乎相同的3dB水平参数在4.4GHz附近接近226dB。同时，模拟和测量阶段在以4.5GHz为中心的宽频率范围内，两个正交输出端口之间的差异几乎保持恒定在908。因此，提出的第一类补丁混合的吸引人的性能耦合器已经在其幅度和相位参数方面进行了实验验证。
接下来，制造第二蜿蜒贴片混合耦合器并进行实验验证测试。图6显示了这种制造的贴片混合耦合器的照片。该贴片的整体尺寸在3.33GHz的工作频率下仅为0.18lg的平方，显示尺寸减小了89％。这个的物理区域建议的补丁只有6.0times;6.0毫米2（在3.33GHz），与使用[9]中的图案化地面技术的相比要小得多。图图6b和6c示出了与模拟的S-幅度和相位差曲线相比较的测量的S-幅度和相位差曲线。表3详细总结了这些结果。同样，已经发现模拟和测量结果之间的良好一致性，并且在端口2和端口3处也实现了相等的幅度，如从模拟预测的那样。测得的相位差为90 58，发现从3.23到3.56GHz和10dB回波损耗带宽约为20.3%.
四、结论
在本文中，已经提出并使用尺寸小型化的十字槽贴片设计了一类新的平面贴片混合耦合器。通过在方形贴片上引入一对交叉槽并增加其长度，这些耦合器的整体尺寸大大减小。通过将水平槽重新整形为阶梯阻抗部分或利用曲面拓扑扩展交叉槽，在商用全波模拟器的帮助下成功设计了两种交叉槽贴片混合耦合器。在没有在贴片外部安装任何扰动元件的情况下，已经设计，制造和测量了一类小型贴片混合耦合器。实验证实了预测的性能。
五、感谢
第一作者要感谢德国亚历山大·冯·洪堡基金会为这项工作提供的部分财政支持，德国乌尔姆大学W.Menzel教授的有益建议以及对制造和测量的支持。第二种拟议的耦合者和德国乌尔姆大学的GurpreetSinghSangha先生，他帮助校对了本文的手稿。
六、参考文献
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