之前關(guān)于濾波器，電橋，功分器的文章初衷是想介紹一種通用方法，但寫《如何設(shè)計(jì)一個(gè)帶通濾波器》時(shí)有人問(wèn)如何設(shè)計(jì)波導(dǎo)濾波器，第9期寫《lange電橋的設(shè)計(jì)》時(shí)有人問(wèn)微帶電橋如何設(shè)計(jì)，在這里我想表達(dá)說(shuō)微波無(wú)源的幾種常用器件的原理都是基于傳輸線理論來(lái)的，設(shè)計(jì)原理和方法都是通用的，掌握一種結(jié)構(gòu)形式的器件設(shè)計(jì)方法可以推廣到其他結(jié)構(gòu)的同類產(chǎn)品上。
有人建議我寫一些有源電路，但我有源電路的經(jīng)驗(yàn)有限，真正要清晰準(zhǔn)確的表達(dá)出一些概念時(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)經(jīng)驗(yàn)還是差了好多。我也正努力儲(chǔ)備有源知識(shí)，最近正在學(xué)習(xí)一本叫《Frequency Synthesizers: Concept to Product》的書(shū)，想著可以作為微波筆記的一部分，我后面想在微波筆記中穿插一些這本書(shū)的學(xué)習(xí)心得，直到把這本書(shū)學(xué)習(xí)完成。也希望這種方式能被接受。本期還是以我擅長(zhǎng)的超寬帶電橋作為一個(gè)過(guò)渡。
帶狀線形式的電橋比較容易實(shí)現(xiàn)超寬帶，也能通過(guò)寬邊耦合結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)較強(qiáng)的耦合。很適合做強(qiáng)耦合的超寬帶電橋結(jié)構(gòu)。我們知道兩個(gè)8343電橋可以級(jí)聯(lián)成一個(gè)3dB電橋，因此8343超寬帶電橋在微帶和帶狀線結(jié)構(gòu)中非常流行。本文通過(guò)一個(gè)2GHz—18GHz帶狀線8343超寬帶電橋的實(shí)例來(lái)講述帶狀線超寬帶電橋的設(shè)計(jì)。
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1、帶狀線超寬帶8343電橋的結(jié)構(gòu)形式
電橋的原理在《貝茲孔波導(dǎo)定向耦合器的實(shí)現(xiàn)》以及《lange電橋的設(shè)計(jì)》中有介紹，這里不做重復(fù)。帶狀線8343電橋的結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖1所示。實(shí)際由三片介質(zhì)片構(gòu)成，中間介質(zhì)片的正反兩面刻畫圖形，上下介質(zhì)片作為支撐。
圖1、帶狀線8343電橋及3dB電橋結(jié)構(gòu)
2、超寬帶8343電橋的設(shè)計(jì)方法
1) 設(shè)計(jì)步驟
該電橋?qū)儆隈詈蟼鬏斁€耦合器，設(shè)計(jì)時(shí)遵循如下步驟：
· 根據(jù)指標(biāo)查表或者在ADS等電路仿真軟件中確定耦合傳輸線節(jié)數(shù)及奇偶模阻抗
· 根據(jù)奇偶模阻抗計(jì)算每節(jié)耦合傳輸線的物理尺寸
· 電磁場(chǎng)仿真優(yōu)化
2) 設(shè)計(jì)實(shí)例
a) 在ADS中建立模型確定耦合傳輸線節(jié)數(shù)及奇偶模阻抗
通過(guò)調(diào)諧及優(yōu)化計(jì)算可得每節(jié)耦合傳輸線奇偶模阻抗見(jiàn)表格1：
表格1、各節(jié)耦合傳輸線奇偶模特性阻抗
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Ze1 |
Zo1 |
Ze2 |
Zo2 |
Ze3 |
Zo3 |
Ze4 |
Zo4 |
Ze5 |
Zo5 |
各節(jié)
阻抗 |
108.3 |
23.3 |
67.9 |
40.1 |
56.3 |
44.6 |
51 |
46.5 |
49.6 |
48.3 |
b) 用奇偶模阻抗計(jì)算各節(jié)耦合傳輸線物理尺寸
根據(jù)個(gè)人習(xí)慣選用rogers5008 Er=2.2的材料，作為帶狀線的介質(zhì)。中間介質(zhì)厚度t=0.127mm，上下介質(zhì)厚度t=0.762mm，在polar SI9000或其他傳輸線計(jì)算工具中計(jì)算實(shí)際耦合傳輸線的物理尺寸。以Ze1=108.3，Zo1=23.3作為實(shí)例，見(jiàn)圖1所示。
圖2、奇偶模轉(zhuǎn)化為物理尺寸
由于8343耦合器屬于強(qiáng)耦合，在帶狀線中必須采用寬邊耦合結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2所示才能實(shí)現(xiàn)。計(jì)算是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)迭代完成的，在《微帶電路》一書(shū)中第三章耦合微帶線一節(jié)有（Ze+Zo）/2=Z0的結(jié)論（奇模和偶模和除2等于單根線的特征阻抗）。先根據(jù)單根線阻抗計(jì)算線寬，然后調(diào)節(jié)兩根線間距達(dá)到要求的奇偶模。通常情況下偶模由傳輸線寬度和上下層的支撐介質(zhì)厚度決定的，奇模由中間層介質(zhì)厚度，傳輸線寬度，以及兩個(gè)傳輸線的交疊程度決定的。經(jīng)過(guò)計(jì)算，各理論奇偶模阻抗就轉(zhuǎn)換成了實(shí)際的帶狀線物理尺寸，數(shù)據(jù)見(jiàn)表格2所示。
表格2、由奇偶模得到的耦合線實(shí)際物理尺寸
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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 |
上下層介質(zhì)：t=0.762mm
中間層介質(zhì)：t=0.127mm
介質(zhì)材料：rogers 5880 Er=2.2 |
c) 電磁場(chǎng)仿真優(yōu)化
有了實(shí)際的物理尺寸就可以進(jìn)行電磁場(chǎng)仿真驗(yàn)證了，在sonnet中建立實(shí)際的耦合器模型及直接仿真的結(jié)果見(jiàn)圖3所示。可以看出理論給出的參數(shù)是非常準(zhǔn)確的，由于為了仿真快速我網(wǎng)格精度用的0.05，如果為了追求準(zhǔn)確可以將網(wǎng)格細(xì)分，或者通過(guò)將該電路劃分成多個(gè)子電路進(jìn)行精確設(shè)計(jì)。
圖3、帶狀線無(wú)折疊寬帶耦合器模型
圖3所示的結(jié)構(gòu)是一個(gè)反定向耦合器，這種耦合器不利于級(jí)聯(lián)構(gòu)成3dB耦合器，因此若想級(jí)聯(lián)使用需對(duì)該耦合器進(jìn)行折疊見(jiàn)圖4。折疊后的耦合器直通路和耦合路位于同一方向，這種耦合器很方便進(jìn)行級(jí)聯(lián)構(gòu)成3dB耦合器見(jiàn)圖1所示。
圖4、折疊式寬帶耦合器模型
折疊后如果中間節(jié)不進(jìn)行特殊處理會(huì)破壞耦合器的對(duì)稱性，在能接受的情況下可以不用處理，但如果追求完美，可以適當(dāng)對(duì)中間節(jié)進(jìn)行對(duì)稱交叉處理即可。對(duì)稱交叉處理后對(duì)中間節(jié)的奇偶模參量影響可以通過(guò)奇偶模參數(shù)提取法詳見(jiàn)第9期《lange電橋的設(shè)計(jì)》來(lái)確定。
文中為了節(jié)省仿真時(shí)間帶狀線銅箔采用的0厚度，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)要考慮銅箔厚度。
