无线覆盖 》 Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｃｏｖｅｒａｇｅ ３ｄＢ定向耦合器的仿真设计与应用 ◎陈峰中广电广播电影电视设计研究院天线所 工程师 中广电广播电影电视设计研究院天线所 工程师 中广电广播电影电视设计研究院天线所 高级工程师 ◎孟凡涛◎李◎李斌杰 中广电广播电影电视设计研究院天线所 工程师 如图１所示。 摘要：本文全面地介绍了３ｄＢ定向耦合器的原理、设计 与工程应用等内容，并以ＦＭ ３ｄＢ定向耦合器为例做电磁 仿真设计，通过与实际加工产品的各项性能对比验证了 单节１／４ （ 为中心频率波 长）３ｄＢ耦合器 的内导体由两个等 该计算方法和仿真设计可满足工程需要，也验证设计手 段的科学性；该文提供了较多的理论和实测数据，提出 了工程中的各项电气指标要求，对射频定向耦合器技术 宽的平行耦合板构 成，耦合板长度 为中心频率波长 的１／４，各端口的 研究与应用具有一定的借鉴作用。 关谜词：功率分配器延迟线合路器桥式定阻抗合路 特性阻抗均为Ｚ。。 ３ｄＢ耦合器的电气 特性如下。 ０引言 ３ｄＢ定向耦合器在广播电视发射系统中有着广泛的应用。 它可将一路射频信号分配成幅度相等、相位差９０度的信号， 也可将两路幅度相等、相位差９０度的射频信号合为一路，因 １如图２所 示，当Ｐ１到１端 口时分成两路分别 到达端口２和端口 ４，功率大ｄｑ＇ｌ￣等， 此３ｄＢ耦合器具有功率合成和功率分配的性能。在广播电视 发射系统中，它多用于功率分配器、延迟线合路器、桥式定 端口４的相位滞后 ９０度。如果端口 ２和端１３： ４处是完 阻抗合路器等设备中。 １ ３ｄＢ定向耦合器的特性 通常应用于广 全匹配的（５０欧 姆）到达端Ｉ：３ ３的 功率为０。 ２如图３所 播电视发射系统中 的３ｄＢ定向耦合 器是是一个四端口 示，当２、４端１３ 器件，采用单节长 度为１／４ 平行板 耦合结构，其原理 １１４广播与电视技术 万方数据短路，功率从１口输入时理想状态下会从３端口完全输出。 ３如图４所示，当功率从２端口输入Ｐｌ／２相位是０度， 同时功率从４端口输入Ｐｌ／２相位是一９０度，从３端口会有功 ２０１１年第９期 《；善无线覆盖Ｉ■■■－Ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｃｏｖｅｒａｇｅ ｌ 首先确定最大耦合系数Ｃ，不同ｃ 时耦合端的相对输出 功率与电长度的关系如图５所示。 由图６可知在单频率时ｃ 取０．５时端口２和端口４有相 同功率输出，如果使端Ｉ＝１ ２和端口４有相近的功率输出可使 ｃ。取大于０ ５的值。 ３ｄＢ耦合器的主要尺寸如图６所示。 根据特性阻抗来确定主要结构尺寸，设ｔ＞Ｏ及ｂ。＝ｂ＋２ｔ 各结构尺寸与阻抗关系如公式（３）： Ｚ０。＝ １８８－３ 而Ｗ／ｂ＇＋ｗ／ｓ＋ ｌ— ／６ ￡ （３） 、 式中 ：！ 垒：！ 垒：： ： ＝ 十 ： ：！ ＋４．垒 甘矧 式中譬－ｏ￡ ． ３＋ １／）兀ｌ ＼一 ， ＋ １ 一 Ｓ／ｂ 等 ｌ以Ｗ作为变量，用试误法使ｚ。。和ｚ 逐渐逼近精确值。 率Ｐ１的完全输出ｊｔ￣ｔ，！ｒ的相位为一９Ｏ度；如果四个端口完全 匹配则１端口无功率输出。 ２．２仿真设计 通常使用Ａｎｓｏｆｔ公司的ＨＦＳＳ或ＣＳＴ公司的ＣＳＴ 在各端Ｅｌ都与特性阻抗为Ｚｎ的负载连接达到匹配状态时， 若有信号从端口１输入，则端Ｅｌ ２、４将有信号输出而隔离端 １３： ３没有输出。由于耦合信号（端口４的输出）的传播方向 与输入信号方向相反，所以这种耦合器是有反向定向的作用。 Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｓｔｕｄｉｏ（ＣＳＴ ＭＷＳ）－维结构电磁模拟软件来仿真。 以ＦＭ单节１／４ ３ｄＢ耦合器为例，根据２．１节中计算方 法取ｃ ＝Ｏ．５２５，ｔ＝５ ｍｍ，耦合带长度７７０ｍｍ（ＦＭ频段中心 频率９７．５ＭＨｚ的１／４ ），计算得出ｂ＝１ １５ｍｍ、Ｗ：９１ｍｍ、 ｓ＝１１ｍｍ。结构如图７所示。 ２单节１／４／１．３ｄＢ耦合器设计 ２．１结构尺寸计算方法 根据耦合线理论，存在于线中的波可分解为奇次型波（亦 称为不平衡波或反相波）和偶次型波（亦称为平衡波或同相 波）Ｚｏ＝√ｚ。 Ｚ。。；奇次型波依靠耦合带传输，其特性阻抗设 为 。；偶次型波依靠耦合带和屏蔽体传输，其特性阻抗设为 Ｚｏｅ；和与最大耦合系数Ｃ的关系如公式（１）、（２）： Ｚ ｏ， 叫而 －Ｚｏ氍Ｃ ２０１１年第９期 万方数据广播与电视技术 １１５ 无线覆盖 ＷｉｒｅｌｅｓｓＣｏｖｅｒａｇｅ 可使用仿真软件的优化功能， 对参数ｂ、Ｓ、Ｗ进行调整优化，各 尺寸优化后的仿真Ｓ参数见图８（由 于是完全对称结构只将１端口做为 输出端仿真）。 图８—１是ｓ１１参数，表征了反 射性能，通常ｓ１ １＜一２６ ５ｄＢ（对 应ＳＷＲ＜１ １）时便可满足工程使 用要求。图８—２是ｓ２１是表征耦 合性能参数，该值在频段内越接 近一３ｄＢ其 性能越好，通常要满足 ３．１５＜ｓ２１＜一２ ８５方可满足工程使 用要求。图８—３是ｓ３１是表征隔离 性能参数，通常ｓ１ １＜一３０ｄＢ时 便可满足工程使用要求。图８－４是 ｓ４１参数表征了传输性能，该值在 频段内越接近一３ｄＢ其性能越好， 通常一３．１５＜ｓ２１＜一２ ８５方可满足工 程使用要求。 ２．３样机测试验证 根据仿真尺寸加工样机，实测 的各Ｓ参数如图９所示。 图９—１是ＳＷＲ参数，样机 测试ＦＭ频段内最大ＳＷＲ＜Ｉ．０８。 图９—２是ｓ２１参数，满足 ３．１５＜ｓ２１＜一２ ８５的范围要求。图 ９—３是ｓ３１参数＜一３５ｄＢ。图９—４ 是ｓ４１参数符合一３ １５＜ｓ２１＜一２ ８５ 的范围要求。 以上样机Ｓ参数测试与仿真 模拟参数基本相近，可见使用软件 仿真设计是比较准确的。对于耦合 器和滤波器等腔体无源器件，使用 ＨＦＳＳ和ＣＳＴ两种软件仿真的结果 都比较准确。 馈系统的天线阵列（板状天线）在４个方向上天线馈电相位 ３ ３ｄＢ耦合器的工程应用 ３．１功分器 发射系统中可采用３ｄＢ耦合器做为功分器使用，在发射 依次差９０度，使用９０度移相器来实现相位差，根据１节１．中 ３ｄＢ耦合器功率分配性能，经过３ｄＢ耦合器分配后的两路功 率会有９０度相位差，因此可减少移相器的使用，并且３ｄＢ 耦合器比９０度移相器具有更好的频带特性（在较宽频段内的 机房内将发射机的功率分成两路再馈入天馈线系统。通常天 １１６广播与电视技术 万方数据２０１１年第９期 《 无线覆盖 Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｃｏｖｅｒａｇｅ 载连接而成，如图１ １所示。 图１ １中所示窄带输入是已经指定一特定频道（如在调频 广播中９０ＭＨｚ±０ １ ５ＭＨｚ），宽带输入是除窄带的指定频段以 外的其它频段输入；耦合器１把窄带信号平分成两路（两路 信号幅度差小于０ ３ｄＢ，并且两路信号的相位相差９０度左右） 相移都接近９０度）更利于天线阵列的宽频覆盖。 分别通过两路窄带滤波器到达耦合器２的１、３端口，两路窄 ３ｄＢ耦合器做为功分器使用的另一优势就是尺寸短，普 带信号相位满足１节３．中所述条件，通过耦合器２窄带频率 通变阻的功分器为达到宽频段匹配需要两节或三节１／４ 。 再合成输出于端口４；宽带输入从耦合器２的２端口输入，由 ３．２延迟线合路器 于窄带滤波器对于宽带频率几乎是全反射的，满足１节２中 延迟线合路器由两个３ｄＢ耦合器、一个５０欧姆的吸收 负载、两根长度为Ｌ１和Ｌ２的电缆组成，原理如图１０所示。 所述条件，从而宽带输入信号完全从输出端输出。将多个桥 式双工器单元级联就形成了多工合路器如图１ ２所示。 频率Ｆ１和频率Ｆ２分别从耦合器１的两隔离端输入，经 工程中使用桥式定阻抗合路器要求各输入有足够的隔离 过耦合器１分成两路后分别经过长度为Ｌ１和Ｌ２馈线，Ｌ１和 度，在双工单元中窄带输入到宽带输入的隔离度取决于３ｄＢ Ｌ２长度要满足公式（４）、（５）： 耦合器自身的隔离度，通常要达到一３０ ｄＢ以上；窄带输入到 Ｌ２一Ｌ１： ｍ＝０１，２ （４） 宽带输入的隔离度取决于３ｄＢ耦合器和滤波器的隔离度通常 Ｌ２一Ｌ１＝ｎＬ２ ｎ＝１．２，３ 、 ，分别对应Ｆ１、Ｆ２的 可达到一３５ ｄＢ以上。带通滤波器要有良好的选频特性，对通 波长 ｆ５） 带内的信号功率有很小的损耗（一般小于一０．５ｄＢ），而对带外 此时Ｆ１、Ｆ２在两路的相位满足１节３所述特性条件， 干扰信号功率有足够的衰减，一般要求衰减１ ５ｄＢ以上。圈 经过耦合器２后将频率Ｆ１和频率Ｆ２合成于同一出Ｅｌ。延迟 线合路器是低成本的合路方案，由于受连接电缆的长度， 参考文献 通常该种形式的合路器多用于ＵＨＦ频段。 ［１】张学田．发射技术．广播电视技术手册第６分册． ［２］李孝勖．天线．广播电视技术手册第７分册． ３．３桥式定阻抗合路器 ［３】甘本祓，吴万春．现代微波滤波器的结构与设计【Ｍ】．北京：科学 桥式定阻抗合路器由多个桥式双工器单元组成，每套桥 出版社，１９７４． 式双工器由两个３ｄＢ耦合器、两个带通滤波器和一个吸收负 ２０１１年第９期 万方数据广播与电视技术 ｌｌ７ 3dB定向耦合器的仿真设计与应用
作者：
作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：
陈峰， 孟凡涛， 李斌， 李杰
中广电广播电影电视设计研究院天线所广播与电视技术
Radio & TV Broadcast Engineering2011,38(9)
1.张学田 广播电视技术手册第6分册2.李孝勖 广播电视技术手册第7分册
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