基于SIR结构的双频宽带耦合器

　　的功能是把输入的电磁能量按照一定的比例从不同的端口输出，具有功率分配功能。在微波技术中，用来监视功率、频率和频谱；把功率进行分配和合成；构成天线的收发开关、平衡混频器和测量电桥。由于在信号处理系统、通信等领域起着举足轻重的作用，所以寻找性能更好、功能独特的定向耦合器，一直是人们很感兴趣的一个领域。耦合器设计的要求最重要的包含四个端口的S参数和相位稳定，并且要求耦合器小型化以及制造成本低。

　　随着通信技术的发展，慢慢的变多通信系统要求耦合器工作在双频或多频段，例5.2-5.8GHz的无线局域网(WLAN)窄带系统频段；900MHz 和1.8GHz的GSM系统。近年来，很多人提出了双频耦合器的设计方法和结构，比如，采用型或T型代替四分之一波长传输线的耦合器；在耦合器的端口处加入开路枝节或短路枝节；改变耦合器上四分之一波长的分支传输线的参数。然而，这些双频耦合器的设计往往尺寸较大，并且只单独讨论了WLAN频段内或GSM频段内的窄带特性，而很少提及覆盖着两频段的宽带耦合特性，不能够满足此时多频、宽带的通信系统需要。

　　通过改变SIR结构上传输线的阻抗，该耦合器可以在工作的双频段（高低频段）上灵活控制谐振点的位置和带宽，以使散射参数符合指标。采用Zeland IE3D对SIR结构中的传输线各个参数进行研究，仿真结果为，通过改变在耦合器分支线中SIR结构的阻抗，能控制谐振点的位置，以满足所需的带宽。所设计实现的双频耦合器工作在1.8GHz-2.45GHz频段和5.2-5.8GHz频段，带宽分别是36%和22%，覆盖了WLAN系统的频段和GSM系统的频率。

　　该耦合器的结构如图1所示。为实现耦合器扩展工作带宽，我们在双频段内各自引入较多的谐振点，耦合器采用4段平行的传输线组成，长度约等于中心频率处的二分一波长。而L1和L4的长度约为中心频率处的四分一波长。通过奇偶模法分析该耦合器的A矩阵，从而初步得出耦合器各分支线的阻抗。

　　同时我们在L3处引用了SIR结构，如图2所示。通过调节SIR的W3和W1，能改变耦合器特性。图3和图4给出了采用Zeland IE3D的仿真结果。我们采用了相对介电常数为

　　能够准确的看出，随着W6增大，在高频段中的三个谐振点逐渐地往外扩，带宽相应地增加，而低频段处的三个谐振点逐渐地集中，带宽相应地变窄；当W5减小时，高频段中的带宽逐渐增加，而低频段的带宽变化不明显。从图中曲线可以看出，我们大家可以调节L5和L6的阻抗比，从而在两段频段处找出最优的S参数。

　　耦合器的设计模型如图5所示，该耦合器在介电常数为2.55，厚度为0.8mm的微带基片上设计并加工。图6是耦合器的实物照片。

　　图7至和图10为耦合器仿真和测量的S参数振幅曲线为输出端口间相位差的仿真图和测量图。表一给出了耦合器在1.8GHz、2.45GHz、5.2GHz、5.8GHz频点上四个端口的插入损耗和回波损耗、以及相位差。结果显示，耦合器在两个频段内具有较宽的通带，覆盖了低频段处1.8GHz -2.6 GHz和高频段处的5GHz-6GHz，实现了功率平分，且相位差为90度。在低频段处1.8GHz -2.6 GHz处输出端口2超前于端口3；而在高频段处的5GHz-6GHz处，端口2落后于端口3。

　　对比仿真结果和实测结果发现：在低频部分，两者吻合地比较好，在高频5.2/5.8GHz频段出现了稍微的偏差，分析原因主要在于介质板在高频时，其介电常数出现了偏差，并且加工的精度也带来了偏差。从整体上来看，两者的一致性还是很好的，说明了仿真的可行性。

　　本文介绍了一种分支线采用SIR结构的宽带双频耦合器。这种耦合器引用了四根S31的分支线，并在这些分支传输线上采用SIR结构。通过改变SIR结构上传输线的阻抗，该耦合器实现了在工作的双频段（高低频段）上带通特性，且可以灵活地调节谐振点的位置，有效地扩展带宽。在1.8-2.45GHz和5.2-5.8GHz两段频段内有较好的特性，既满足GSM的1.8GHz频段的系统，也满足无线局域网(WLAN)系统要求。