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介绍几种微带耦合器定向性指标优化措施

工程师邓生 来源:看图说RF 作者:黄岩岛岛主 2022-09-16 10:19 次阅读

上文说到微带耦合器(通常是指下图中的裸露式微带平行双线耦合器)周围介质不均匀,奇偶模相速不等:

93d06296-3565-11ed-ba43-dac502259ad0.png

导致定向性指标劣化到5dB左右,可采取5种优化措施。

微带耦合器定向性指标优化措施1

观察上图,埋入式微带平行双线耦合器指标优于裸露式,所以很容易想到在裸露式微带双线耦合区上方贴一块介质片。就能让裸露式变为埋入式,使奇模相速也变慢,自然就提高了定向性指标:

93f9a21e-3565-11ed-ba43-dac502259ad0.png

对比上面左右两图的蓝色双箭头:

左图的裸露式微带耦合器定向性指标5dB;

右图的带介质贴片的埋入式微带耦合器定向性指标24dB,优化了19dB,效果明显。

粘这种贴片介质,早期军工常用,但现在认为,工程上可操作性不佳。

微带耦合器定向性指标优化措施2

在微带耦合器的耦合区贴几只奇模电容,跨接在平行双线之间,也会使奇模相速变慢,从而提高定向性指标。

942f801e-3565-11ed-ba43-dac502259ad0.png

对比上面左右两图的蓝色双箭头:

跨接3只贴片0.07pF奇模电容,微带耦合器定向性指标由左图5dB也优化到右图24dB,改善了19dB,效果明显。

要注意的是:3只0.07pF的电容适用于2GHz频段的微带耦合器,0.07pF电容难以找到,而且电容精度影响定向性指标,增加了成本,降低了可靠性。

微带耦合器定向性指标优化措施3

上面所讲的两种优化措施,在工程上可操作性不好,所以不常用。

真正常用的是将微带耦合器的耦合线变为锯齿形或者城墙垛形,以提高定性指标,二者原理上相同,都是减慢奇模相速,本文只仿真分析城墙垛形耦合线。

946d16ae-3565-11ed-ba43-dac502259ad0.png

对比上面左右两图的蓝色双箭头:

将微带耦合器的耦合线变为城墙垛后,定向性指标由左图5dB优化到右图32dB,效果明显。

这种城墙垛图形,物料成本为零,所以在工程上很常用。

城墙垛图形能降低奇模相速,可从下面的对比图理解。

94bcbb78-3565-11ed-ba43-dac502259ad0.png

奇模成份主要位于平行双线的间隙内,所以奇模电流(如红色箭头线所示)集中于互相靠近的窄边上,隔河相望,城墙垛形使奇模电流拐弯,增加了路径,减慢了奇模相速。

下图仿真了城墙垛的深度对奇模相速的影响:

95230e0a-3565-11ed-ba43-dac502259ad0.png

按照《042_Coupler之五:非均匀介质的微带窄边耦合器》中所介绍的方法仿真和计算奇模相速。

仿真的相位如下:

9546e0b4-3565-11ed-ba43-dac502259ad0.png

使用公式V = f * λ 计算相速。

但与上文的计算方法稍微不同的地方在于:

三个mark点对应的相位是0度,换算成绝对相位是360度,即一个波长。

红色m1对应0.1mil齿深,频率9.31GHz,奇模相速:

Vem1= 9.31*109 *800mil/秒 =189187900米/秒,相当于真空光速的60%。

蓝色m3对应24.1mil齿深,频率7.44GHz,奇模相速:

Vem3= 7.44*109 *800mil/秒=151180800米/秒,相当于真空光速的一半。

显然齿越深,奇模相速越慢。

有一点需要说明:奇模仿真模型,隐含了一个镜面对称的边界条件,意味着平行双线是对称的城墙垛形。

而工程上只将单边耦合线变成城墙垛形,所以工程上的单边城墙垛形奇模相速的仿真计算,必须采用全3D模型,仿真差模相速(略)。理论上差模相速等于奇模相速。

总结

Ø 在微带耦合器的耦合区上方粘贴介质片,能优化定向性指标,可操作性不佳。早期工程上常用,现在不用了。

Ø 在微带耦合器的耦合区跨接奇模电容,能优化定向性指标,但电容容值很低,不易找到,容值精度影响定向性指标,工程上不常用。

Ø 将微带耦合器的耦合线图形刻成锯齿形,或改为城墙垛形,物料成本为零,是工程上广泛使用的措施。

Ø 这三种定向性优化措施,都是采用减慢奇模相速的方法来实现的。

微带耦合器,工程上还有两种常用的定向性优化措施,且看后文分解。




审核编辑:刘清

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