微带窄边耦合器仿真设计案例分析

Coupler之五：非均匀介质的微带窄边耦合器。碎片三分钟，收获一丢丢。

上文说到非均匀介质中的奇偶模相速不等导致耦合器定向性不佳，现在看具体仿真事例：

虽然近端耦合度都是20dB，但远端隔离度有很大差异。

2.5GHz频点，带状双线远端隔离度达到46dB，定向性26dB；

2.5GHz频点，埋入式微带双线远端隔离度达到33dB，定向性有13dB；

2.5GHz频点，裸露式微带双线远端隔离度只有25dB，定向性只有5dB；

我们常说的微带耦合器，恰恰是上述裸露式微带双线耦合器，定向性最差，5dB。

带状双线的电磁场只位于均匀介质内；

埋入式和裸露式微带双线的电磁场一部分在介质内，一部分在空气中，所以说介质不均匀；

比较而言，埋入式的介质均匀性稍好于裸露式。

微带窄边耦合器仿真设计

设计耦合器步骤如下：

1、先按下边的电压耦合度k0公式，计算出奇模阻抗和偶模阻抗；

2、再在POLARSI9000软件中算出线宽和线间距（略）；

或者在HFSS中建立微带双线的对称面半模型，调整线宽和线间距，几次叠代即可拟合得到符合奇模阻抗Z0o和偶模阻抗Z0e的线宽和线间距；

奇模仿真和偶模仿真的对称面的边界条件按如下设置：

上文提到过，平行双线耦合器沿轴向（信号传播方向）正中间存在一个无形的镜面：

如果仿真奇模，就将对称镜面设置为PerfectE；

如果仿真偶模，就将对称镜面设置为PerfectH；

将微带双线对称镜面的一半模型的横截面，整个设置为Waveport，归一化阻抗50欧。

3、设置好其余边界条件和扫频范围，仿真完成，可观察TDR仿真结果：

也可以按照《003_差模阻抗共模阻抗奇模阻抗偶模阻抗都是些什么鬼？》中的ADS优化方法，仿真出差模阻抗和共模阻抗。再间接算出奇模阻抗和偶模阻抗。

再观察奇模相位和偶模相位：

同样的模型，同样的物理长度1200mil，同样的频点1.5365GHz，裸露式微带双线奇模相位90度，而偶模相位却是99度。

根据公式V = f * λ 就很容易知道奇模相速和偶模相速不等，奇模相速更快。

Vo= (1.5365*1000000000)*[(360/89.97)*(1200*0.0254*0.001)] = 187392544米/秒

Ve= (1.5365*1000000000)*[(360/98.89)*(1200*0.0254*0.001)] = 170489505米/秒

扯远了。

4、按照TDR仿真出来的线宽和线间距，初步建模：

按“1输入2直通3近耦4远耦“的习惯对端口做编号。

5、查看全端口阻抗匹配、耦合度、远端隔离度、相位等指标：

总结

根据上述仿真结果，可以对裸露式微带双线耦合器特征，做个总结了：

Ø 微带窄边耦合器能做到全端口无损匹配；耦合区的双线适当变细，以适应每个端口的阻抗匹配；

Ø 中心频率（最低）由耦合区长度等于λ/4导波波长决定；

Ø λ/4导波波长的中心频率（最低）及其奇数倍频点的耦合度最大；

Ø 最短电长度为λ/4导波波长；

Ø 耦合度由平行双线间隙决定；

Ø 耦合端与直通端的相位差为90度，与频率无关。

Ø 微带窄边耦合器适合于做弱耦合器，很难将耦合度做到强于10dB；

Ø 中心频点的定向性指标只能做到5dB左右；

编辑：黄飞