正因为上述的原因,现在市场上的定向耦合器的隔离度仅仅只有-30dB左右,定向性通常不会超过20dB。本文所介绍的一种新型的改进方案,即是在耦合端添加高阻抗线,使得耦合端不匹配,有一定量的反射。这种反射能量经过微带线传输至隔离端,从而抵消部分隔离端的泄露能量,使得定向性大大提高。在接下来的实验中,可以看到,在指定频点,隔离度可以达到-50dB以下,定向性可以达到-30dB。
1 耦合器模型的理论分析和仿真
微带定向耦合器在ADS中的模型如图1所示。是一个四端口器件,中间是一段耦合线。四个端口分别连接于外部的50Ω端口。从5点到7点是高阻抗线,7端点接地,这个长度是一个变量。连接每个端口(3端口除外)的微带线宽度是2.25mm,长度是14.4mm,3端口连接的微带线宽度是1.4mm,长度是5mm。耦合线的长度是57.7mm,导带宽度是2.1mm,导带间距是O.45mm。本文主要讨论高阻抗线的作用,所以先将高阻抗线长度置于零。PCB板采用PTFE材料,介电常数是2.5,厚度是0.5cm。
首先利用理论分析方法分析该定向耦合器。利用ADS中的line calculation工具,可以得到各个条线的特性阻抗和电长度。连接1,2,4端口的微带线特性阻抗为36.24Ω,电长度为22.6°,连接3端口的微带线特性阻抗是50Ω,电长度为8.2°。耦合线的特性阻抗是37.5Ω,奇模阻抗为33.72Ω,偶模阻抗为41.73Ω,耦合度为-19.48dB,电长度92.4°。理论上说,如果耦合线的长度为90°,耦合的能量最大,耦合端电压最大,这从公式(2)可以看到。在ADS中,对这样一款定向耦合器的仿真结果如图2所示。