微波笔记·带状线超宽带电桥设计

之前关于滤波器，电桥，功分器的文章初衷是想介绍一种通用方法，但写《如何设计一个带通滤波器》时有人问如何设计波导滤波器，第9期写《lange电桥的设计》时有人问微带电桥如何设计，在这里我想表达说微波无源的几种常用器件的原理都是基于传输线理论来的，设计原理和方法都是通用的，掌握一种结构形式的器件设计方法可以推广到其他结构的同类产品上。

有人建议我写一些有源电路，但我有源电路的经验有限，真正要清晰准确的表达出一些概念时时发现经验还是差了好多。我也正努力储备有源知识，最近正在学习一本叫《Frequency Synthesizers: Concept to Product》的书，想着可以作为微波笔记的一部分，我后面想在微波笔记中穿插一些这本书的学习心得，直到把这本书学习完成。也希望这种方式能被接受。本期还是以我擅长的超宽带电桥作为一个过渡。

带状线形式的电桥比较容易实现超宽带，也能通过宽边耦合结构实现较强的耦合。很适合做强耦合的超宽带电桥结构。我们知道两个8343电桥可以级联成一个3dB电桥，因此8343超宽带电桥在微带和带状线结构中非常流行。本文通过一个2GHz—18GHz带状线8343超宽带电桥的实例来讲述带状线超宽带电桥的设计。

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1、带状线超宽带8343电桥的结构形式

电桥的原理在《贝兹孔波导定向耦合器的实现》以及《lange电桥的设计》中有介绍，这里不做重复。带状线8343电桥的结构形式见图1所示。实际由三片介质片构成，中间介质片的正反两面刻画图形，上下介质片作为支撑。

图1、带状线8343电桥及3dB电桥结构

2、超宽带8343电桥的设计方法

1) 设计步骤

该电桥属于耦合传输线耦合器，设计时遵循如下步骤：

· 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
· 根据奇偶模阻抗计算每节耦合传输线的物理尺寸
· 电磁场仿真优化

2) 设计实例

a) 在ADS中建立模型确定耦合传输线节数及奇偶模阻抗

通过调谐及优化计算可得每节耦合传输线奇偶模阻抗见表格1：

表格1、各节耦合传输线奇偶模特性阻抗

	Ze1	Zo1	Ze2	Zo2	Ze3	Zo3	Ze4	Zo4	Ze5	Zo5
各节 阻抗	108.3	23.3	67.9	40.1	56.3	44.6	51	46.5	49.6	48.3

b) 用奇偶模阻抗计算各节耦合传输线物理尺寸

根据个人习惯选用rogers5008 Er=2.2的材料，作为带状线的介质。中间介质厚度t=0.127mm，上下介质厚度t=0.762mm，在polar SI9000或其他传输线计算工具中计算实际耦合传输线的物理尺寸。以Ze1=108.3，Zo1=23.3作为实例，见图1所示。

图2、奇偶模转化为物理尺寸

由于8343耦合器属于强耦合，在带状线中必须采用宽边耦合结构见图2所示才能实现。计算是根据经验迭代完成的，在《微带电路》一书中第三章耦合微带线一节有（Ze+Zo）/2=Z0的结论（奇模和偶模和除2等于单根线的特征阻抗）。先根据单根线阻抗计算线宽，然后调节两根线间距达到要求的奇偶模。通常情况下偶模由传输线宽度和上下层的支撑介质厚度决定的，奇模由中间层介质厚度，传输线宽度，以及两个传输线的交叠程度决定的。经过计算，各理论奇偶模阻抗就转换成了实际的带状线物理尺寸，数据见表格2所示。

表格2、由奇偶模得到的耦合线实际物理尺寸

	W1	O1	W2	O2	W3	O3	W4	O4	W5	O5
物理 尺寸	0.75	0.4	1.1	1.2	1.25	1.75	1.3	2.2	1.3	2.7
上下层介质：t=0.762mm 中间层介质：t=0.127mm 介质材料：rogers 5880 Er=2.2

c) 电磁场仿真优化

有了实际的物理尺寸就可以进行电磁场仿真验证了，在sonnet中建立实际的耦合器模型及直接仿真的结果见图3所示。可以看出理论给出的参数是非常准确的，由于为了仿真快速我网格精度用的0.05，如果为了追求准确可以将网格细分，或者通过将该电路划分成多个子电路进行精确设计。

图3、带状线无折叠宽带耦合器模型

图3所示的结构是一个反定向耦合器，这种耦合器不利于级联构成3dB耦合器，因此若想级联使用需对该耦合器进行折叠见图4。折叠后的耦合器直通路和耦合路位于同一方向，这种耦合器很方便进行级联构成3dB耦合器见图1所示。

图4、折叠式宽带耦合器模型

折叠后如果中间节不进行特殊处理会破坏耦合器的对称性，在能接受的情况下可以不用处理，但如果追求完美，可以适当对中间节进行对称交叉处理即可。对称交叉处理后对中间节的奇偶模参量影响可以通过奇偶模参数提取法详见第9期《lange电桥的设计》来确定。

文中为了节省仿真时间带状线铜箔采用的0厚度，实际设计时要考虑铜箔厚度。

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