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微波笔记·Lange电桥的设计

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3dB电桥在微波电路中非常流行,90°的3dB电桥可以产生IQ信号,同时电桥在移相器,时延均衡器等器件中属于核心电路。但常规的微带双线耦合电路很难实现超宽带,强耦合电桥,同时由于微带耦合线的奇偶模有效介电常数不一样,即便可以实现强耦合,但由于信号在奇偶模电路中的相速度不一致,耦合越强相速差越大,对电桥的性能恶化越大。

Lange电桥在微带电路中非常流行,该桥结构紧凑,可以在微带结构中实现宽带强耦合。在特征参数获取方面,lange桥的交指多线耦合比常规的双线耦合要复杂的多,这样也给lange桥设计带来一定的难度

1、宽带耦合电桥的基本原理

宽带耦合传输线耦合器理论讲解比较好的书个人推荐《现代微波滤波器结构与设计》下册第15章的内容。耦合传输线耦合器及等效电路见图1所示。书中对于多节耦合器级联有下列观点:

· 多节耦合传输线定向耦合器的电路同1/4波长多节阻抗变换滤波器电路等效;对于对称型,耦合线节数必须是奇数,对于非对称型,耦合线节数可以是任意节;耦合器的传输等于阻抗变换滤波器的传输,耦合器的耦合等于阻抗变换滤波器的回波。

· 耦合传输线定向耦合器的耦合路和传输路相位相差90°。

多节耦合传输线定向耦合器示意图及等效电路

1、多节耦合传输线定向耦合器示意图及等效电路

2、耦合传输线耦合器的叠加原理

若把几个匹配的定向耦合器级联起来,则他们级联后的作用就如同一个定向耦合器一样,级联后的响应符合角度叠加原理。耦合器的叠加原理详见《贝兹孔波导定向耦合器的实现》。耦合线定向耦合器叠加时需对端口进行折叠,如图2所示。

耦合传输线耦合器耦合度叠加示意图

2、耦合传输线耦合器耦合度叠加示意图

3、Lange桥原理

Lange桥的核心是用多线(常见的4线)耦合替代常见的双线耦合,从而在微带平面电路中实现较强的耦合。lange桥常见的形式见图3,理解lange桥比较好的论文推荐:

Interdigitated Stripline Quadrature Hybrid》lange

Simplified Design of Lange Coupler》DARKO KAJFEZ,

Design Equations for an Interdigitated Directional Coupler》WEN PIN OU

lange桥模型

3、lange桥模型

其中后面两篇是lange桥设计时的理论指导,理论的核心是将多线耦合等效成双线耦合,个人尝试了《Simplified Design of Lange Coupler》中的等效方法,但是等效结果比较差。这里采用了一种比较简便准确的多线耦合同双线耦合的等效方法,方法步骤如下:

1) 电磁仿真软件仿真得到多线的SNP

2) ADS中建立图4的模型,让双线耦合的响应同多线耦合的响应相同,通过ADS的优化功能便可得出多线和双线的等效参数。

4、多线耦合等效为双线耦合的参数提取

4、Lange桥的设计

耦合传输线耦合器设计时遵循如下步骤:

1) 根据指标查表或者在ADS等电路仿真软件中确定耦合传输线节数及奇偶模阻抗

2) 根据奇偶模阻抗计算每节耦合传输线的物理尺寸

3) 电磁场仿真优化

这里用一个6~18GHz的-8.343dB(两个级联可以成-3dB电桥)的lange桥设计作为实例,介绍超宽带lange桥的设计方法。

· 耦合传输线节数及奇偶模阻抗确定

ADS中建立图5所示的对称耦合传输线耦合器模型,若使耦合度在6~18GHz带宽内保持-8.343dB,则至少需要三节,各节参数见表格1。

表格1、传输线节数及奇偶模阻抗

耦合线节数和奇偶模阻抗计算模型及结果

5、耦合线节数和奇偶模阻抗计算模型及结果

· 根据理想奇偶模阻抗确定实际物理尺寸

根据表格1的奇偶模阻抗可以看出第一节和第三节属于弱耦合,可以直接采用双线耦合。第二节耦合很强建议采用4线耦合。

对于双线耦合可以通过polar Si9000软件或者其他阻抗计算软件计算出实际的物理尺寸。

对于第二节的4线耦合通过上面讲的参数提取法来获取4线的物理尺寸。通过计算可以得到各节耦合传输线的物理尺寸见

表格2、根据理想奇偶模阻抗确定的实际物理尺寸

· 电磁场仿真优化

根据上面获取的耦合传输线耦合器物理尺寸在sonnet中建立模型见图6所示,为了使该耦合器便于级联采用了折叠式。模型未经过特殊优化,上述参数首次仿真的结构见图6所示,通过结果可以看出上面的设计方法获得的仿真初值是很准确的。相信通过几次迭代调整,该耦合器可以达到比较好的响应。

6、宽带-8.343dB  lange桥的模型及结果

得到一个理想的-8.343dB耦合器后,通过两个耦合器级联便可得到一个-3dB的耦合器。实例中的lange桥设计有意识的同常见的lange桥结构形式做了一些差异,希望通过对此差异的思考可以更深刻的理解lange桥的设计。


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本文作者2018-3-29 15:34
admin
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