Ka频段3 dB定向耦合器设计

本文介绍了一种ka频段3 dB定向耦合器的设计方法。在微带环形电桥理论分析的基础上，实现了Ka频段带状线环形电桥的设计，通过波导–带状线过渡的设计，定向耦合器的所有端口为BJ400波导。仿真设计结果表明，在34~37 GHz范围内，定向耦合器所有端口电压驻波比优于1.2，输出端口的传输系数均优于−3.2 dB，隔离度大于30 dB，设计性能达到了预期设计目标。

3 dB 定向耦合器是现代通信系统中常用的射频器件，广泛应用于微波电路、射频测试系统、天线馈电系统中，尤其是单脉冲跟踪天线系统、射频微波电路系统，例如作为雷达系统的和差网络产生分路信号的和差叠加，实现雷达方向图的和差波束；在射频电路中实现信号的耦合、功分和合成，用来作为系统中的“加法器”和“减法器”，也可以结合其它器件构成反射型移相器。3 dB 电桥作为通信系统中重要的无源器件， 其性能指标[1]的优劣， 比如插入损耗、隔离度、驻波比等， 对整个系统的性能影响很大。

3 dB 定向耦合器常用的结构形式主要分为两大类，一类是平面结构，主要包括分支线定向耦合器、环形电桥[2]和耦合线定向耦合器[3]，多数采用的是微带线、带状线的平面结构，它的体积小，易于与其它器件集成。但由于平面结构通常采用微波介质板传输线形式，在高频应用时存在介质损耗较大的问题，同时也存在与波导天线系统无法集成的缺点。另一类是基于波导结构的定向耦合器、魔T 和波导环形电桥[4]等形式，该类耦合器具有传输损耗小，功率容量高的优点，但与基于微带、带状线的耦合器相比，存在体积大、结构不够紧凑等缺点。

针对目前常规3 dB 定向耦合器存在的问题，本文介绍了一种基于环形电桥的Ka 频段3 dB 定向耦合器的设计，在环形电桥理论分析的基础上，通过使用空气带线环形电桥来代替波导环形电桥，减小耦合器的体积，设计了波导–带状线过渡，实现了输入输出端口均为BJ400 矩形波导。通过仿真软件进行优化设计， Ka 频段3 dB 定向耦合器在34~37 GHz 频段范围内所有端口的电压驻波比优于1.2， 传输系数均大于−3.2 dB，相位一致性小于180˚ ± 3˚和差端口隔离度大于30 dB，设计性能达到了预期目标。

2. Ka 频段3 dB 定向耦合器组成和原理 天线的小型化设计是天线工作者不变的追求， Ka 频段常用的定向耦合器通常为魔T 或基于孔耦合的波导定向耦合器，普遍存在尺寸较大的问题，不利于阵列天线的集成设计。为改善这一问题，本文提出了基于带状线环形电桥结构的3 dB 定向耦合器形式。

定向耦合器主要由带状线环形电桥和波导–带状线过渡两部分组成。环形电桥又称为混合环，是一种典型的四端口180˚混合网络。180˚混合电桥是一种两输出端口具有180˚相位差的四端口网络，可以作为单脉冲天线的和差网络使用，理想的3 dB 180˚环形电桥的S 矩阵通过式(1)给出。

[ ]01101001100100211jS−−= (1)