张静，刘芫健

　　（南京邮电大学 电子科学与工程学院，江苏 南京 210003）

      摘要：提出了一种新型的多层实现的Lange耦合器，它的耦合系数为3 dB。相较于传统加工工艺而言，多层技术克服了传统Lange耦合器由于线窄又紧靠在一起而加工困难的问题。该耦合器采用50 Ω阻抗线进行匹配和进行终端测量。在中心频率处实现2.8 dB耦合，相对带宽达到80%，实现超宽带。

　　关键词：Lange耦合器；多层技术；超宽带

0引言

　　随着科技的进步与发展，设备集成化与小型化已经越来越多地进入大众的视野。现代设备设计和系统要求高度的集成化和小型化，而且还需要具有较宽的工作区域，在某些特定的环境下具有一定的可靠性。耦合器的主要功能是实现把一路微波功率按比例分成几路。其中定向耦合器是一种应用广泛的微波无源器件，在实现信号的隔离、分离和混合等功能要求时被广泛应用［1］。传统耦合器由于很难实现紧耦合和较宽的带宽，已经越来越不能满足实际应用的要求。

　　在传统的正交耦合器中，Lange耦合器的应用较为广泛，这主要是由于Lange耦合器能够在较宽的带宽上拥有较高的耦合度。为了增加线之间的公共电容，将几条平行线用垂直的金属跳线相连接。从传输线原理来看，金属条线能够确保被连接的两条微带线上的电压是一致的。但这样一来，耦合器性能将受到影响而变差，尤其是在高频阶段。除此之外，金属跳线相当精细，普通制作工艺很难实现。另外，在控制金属跳线精细度的同时会导致金属微带线之间的间隔变得很小，这对加工来说，无疑又是一个难题。

　　对于以上问题目前有不少学者提出了一些解决方案。PIETERS P等人［2］提出了采用多层薄膜镶嵌金属片（MCMD）技术来更加有效地实现耦合器、过滤器等一些无源器件的功能。此后，BIKINY A等人［3］又提出了相类似的多层厚膜技术来实现Ka波段的Lange耦合器。之前的文献中，更多地侧重于以介质基板的厚度为基础，对Lange耦合器进行改善。本文基于以上的研究成果，采用不同厚度和数量的介质基片，主要分析研究了基于Lange结构的耦合器性能、Lange结构中各参数对整个耦合器的性能、工作频带和尺寸的影响，以及影响的程度。

1Lange耦合器

　　普通的耦合线耦合器因其耦合太松而无法达到3 dB的耦合因素的要求。提高边缘耦合线之间的一种方法是用几根彼此平行的线，以便于线两边缘的杂散场对耦合的贡献。于是，LANGE J在1969年最早提出一种四端交叉指型定向耦合器。

　　图1Lange耦合器平面图这种想法最实际的实施如图1所示。为了达到紧耦合，此处用了相互连接的4根耦合线。它在一定程度上弥补了传统耦合器的不足。信号由端口1 输入，并在端口3和端口4等功率输出。端口2为隔离端，两输出端之间的相移为90°。4个端口通常采用的都是50 Ω传输线来进行阻抗匹配。4阶Lange耦合器的等效电路图如图2所示，它由4根导线耦合线结构组成。所有这些线都有同样的宽度和间距。这种结构因为在很宽的频率范围内补偿了奇模、偶模相速不相等，所以提高了耦合器性能，可以达到1~1.5图2Lange耦合器的等效电路图个倍频程。Lange耦合器是定向耦合器中的一种，在微波系统中被广泛使用，可以在射频放大器中用于功率合成。

　　DAVID M P［4］认为，在设计耦合线耦合器时，可采用偶奇模分析的方式。将电路分解为偶模激励和奇模激励的叠加，具体分析参见DAVID M P的《微波工程》，不再赘述。经过一番推倒，可得奇模和偶模的特性阻抗为：

　　其中，Z0e和Z0o分别为偶模和奇模的特征阻抗，C为电压耦合系数，Z0为特征阻抗。设计N线Lange耦合器的基本公式如下：

　　式中：R为阻抗比，Z0o为双耦合线奇模阻抗，Z0e为双耦合线偶模阻抗。

2仿真与结果分析

　　2.1多层技术

　　在对传统的Lange耦合器进行分析之后可知，虽然Lange结构的耦合器的优点相对明显，但是其缺点同样也是相对明显的。在对整个设计进行仿真的同时，发现在实现工艺上，耦合器的纤细的跳线对其产生了巨大的挑战，DUNAEV S N和FETISOV Y K提出的去掉跳线的方法是用一层介质将两层金属结构分隔开，由于其厚度薄到可以忽略，从而可以将跳线去掉，简化工艺。在设计的过程中，设计者可以通过多层重叠的方式来获得最后需要的参数。当然，多层技术还有一个非常重要的优点，就是它便于工业实现且成本低廉，这无疑对器件的工业化生产提供了强有力的保障。

　　2.2模型

　　分层技术只是在对实现工艺和性能上做了改进，耦合器的整体结构还是保持不变。这里采用介电常数εr=2.55的介质材料。整体结构设计了3块材料相同的介质基片和两层金属微带线。将它们按照一定的结构顺序进行叠层处理。从上到下依次为：上接地板、介质层、金属微带层、介质层、金属微带层、介质层、下接地板。最终的设计结构图3交指结构

　　是按照这样的一个介质层、微带层叠加排列而成的。交指结构如图3所示。

　　图4为Lange耦合器侧视图。从图4中可以看出，该多层Lange耦合器由图4Lange耦合器侧视图两部分组成：第一部分位于介质基板1与2中间，由金属层构成；第二部分在介质基板2与3之间的夹层中，同样由金属层构成。这样就可以在不使用金属跳线的情况下将Lange耦合器的耦合线连接在一起，这样做还有一个优势就是可以通过将相邻的耦合线平移来使得耦合度更好。

　　该耦合器的尺寸是通过参考文献［4］和［5］中所描述的经典理论来确定的。该Lange耦合器包含参数为w、s、l、H1、H2 。中心频率设置在2.5 GHz，耦合度为3 dB。输出参数为偶模与奇模阻抗，分别为52 Ω和176 Ω。

　　2.3优化与结果讨论

　　本文中，总共分为4个步骤来对耦合器进行设计与优化。首先，在工作频率内，最小化隔离度。优化目标如下：

　　Minimise F1=maxf∈X{S41(f)}

　　其中，S41(f) 为耦合器在频率f处的隔离度，f应在耦合器的工作频率内 ；X是频段内的一组采样频率，以用来评估耦合器的性能。

　　第二优化的目标是，当信号由端口1输入时，端口2与端口3的耦合最大，优化目标如下：

　　MinimiseF2=minf∈X{min{S21(f),S31(f)}}

　　其中，S21(f)和S31(f)为端口2与端口3 在频率f输出的耦合度。

　　第三个要优化的目标，就是使端口2与端口输出的能量差最小化，优化目标如下：

　　最后，要优化的目标是使得端口2与端口3之间的相位差最接近90°，优化目标如下：

　　Minimise F4=maxf∈X||∠S31(f)－∠S21(f)|－90°|

　　通过以上一系列的优化，可以发现，随着金属微带层之间的错位越来越大，耦合度愈来愈低，同时耦合区域向左偏移。针对这些现象可以进行以下调节：(1)可以调节金属微带线的线宽和指间缝隙间距的大小来增强耦合；(2)可以调节耦合线的长度来抵消耦合区的偏移。

　　因此，最终得到各参数的值为：w=0.4 mm，s=0.07 mm，l=19.15 mm，H1=0.762 mm，H2=0.224 mm。 在各端口（分别用1、2、3、4表示）已进行50 Ω阻抗匹配之后，从图5中可以看出，工作带宽为2 GHz。在中心频率处，耦合度|S31|为3 dB。在整个工作频带内，回波损耗均大于15 dB［16］且耦合端（端口3）与直通端（端口2）相位差均为90°±5°（如图6所示）。

3结论

　　本文设计了一个Lange正交多层耦合器。在相对带宽达到80%的前提下，耦合器拥有良好的耦合度和隔离度，并使得两输出端的相位差为90°，达到真正的正交耦合。图6相位差

参考文献

　　［1］ 徐立勤,仲进.用于LTE移动通信的宽带定向耦合器设计［J］.微型机与应用,2015,34(3):6062,66.

　　［2］ PIETERS P, BREBELS S, BEYNE E, et al. Generalized Analysis of Coupled Lines in Multilayer Microwave MCMD TechnologyApplication: Integrated Coplanar Lange Couplers［J］. IEEE Transactions on Microwave Theory & Techniques, 1999,47(9).

　　［3］ BIKINY A, QUENDO C.Kaband lange coupler in multilayer thickfilm technology［C］.Microwave Symposium Digest, 2009. MTT′09. IEEE MTTS International:10011004.

　　［4］ DAVID M P著.微波工程［M］.张肇仪,周乐柱,吴德明,等译.北京:电子工业出版社,2006.

　　［5］ PRESSER A.Interdigitated microstrip coupler design［J］. IEEE Transacotions on Microwave Theory and Techniques, 1978,26(10):801805.