传统的环形线耦合器

黄岩岛岛主公众号《看图说RF》第040篇原创文章，Coupler之三：改进型环耦合器。碎片三分钟，收获一丢丢。

传统的环形线耦合器

将分支线耦合器中的一根λ/4微带线变长为3λ/4微带线，就大概成了传统的环形线耦合器。

当然，各段传输线的阻抗都有变化，才能符合4端口阻抗匹配、隔离端口无信号的要求。

另外，各端口的相对位置也变了。

关于这些基本概念问题，可参见公众号的第25和第35篇文章。

现在要讨论的是上面右图中的传统环形耦合器的3λ/4微带线，这根线太长了，使得环形线耦合器总长度达到3λ/2，比分支线耦合器多了λ/2，使得PCB布局面积增大。

本质上这根3λ/4微带线需要引入270度相移。

上一篇文章《039_微带电路中的无源反相器》中有一个HFSS模型，以108度的物理长度实现了288度的相移。——其实本质是：物理长度为90度（λ/4）的无源反相器，能实现270度（3λ/4）相移。因为模型中有18度相移是附加的端口结构引入的。

那么就试试用无源反相器替代传统的环形耦合器中的270度(3λ/4)微带线。

改进型环形耦合器仿真

HFSS建模如下图所示：

4段线的物理长度都是λ/4，与分支线耦合器很象，但是：

其中有一段线是无源反相器，本身是叉指状布线，其等效阻抗也是70.7欧；

为了实现等功分特征，有三段线阻抗都设置为70.7欧。

（补充：等功分的分支线耦合器4段微带线阻抗是不等的，参见公众号第25篇文章）

改进型环形耦合器仿真得到的各端口的S参数如下：

红绿两线几乎重叠，说明功率平衡度指标较好。

如果以20dB回损指标作为带宽限制，则带宽为2.05~3.1GHz，相对带宽达到40%了。

再看相位平衡度指标：

在中心频点2.5GHz，两个功分端口的相位差异为184.7度，有误差，可以通过进一步优化微带线的长度纠正。

总结

物理长度为90度的无源反相器，能实现270度相移，可以替代传统的环形耦合器中的270度微带线：

各项指标没有明显劣化；

与分支线耦合器有着同样的布局面积；

但是无源反相器对PCB的加工精度要求较高，例如细线细间距、过孔较小等等。

审核编辑：汤梓红