摘 要： 針對我國LTE移動通信有TD-LTE和FDD-LTE兩種制式并具有1.8 GHz、2.3 GHz、 2.6 GHz等多個頻段的特點，設計了一個1.75 GHz~2.7 GHz的寬帶耦合器，此耦合器的頻段同時覆蓋WLAN的2.4 GHz段。該耦合器通過在輸入端加入匹配網絡優化了直通端和耦合端的性能，從而實現了寬帶特性。為了易于優化，在匹配網絡中加入了階梯阻抗結構。同時，運用缺陷地結構（DGS）改善了匹配網絡中微帶線的寬度以增加加工精確度。本文設計的耦合器采用常見的FR4作為基片材料，具有成本低、性能好、易于加工的優點，因此有良好的實用性。
關鍵詞： LTE；DGS；耦合器；寬帶；小型化；實用性
0 引言
隨著LTE移動通信牌照的發放，我國正式進入4G通信時代。而作為無線通信核心器件的定向耦合的設計就有了十分重要的現實意義。針對我國LTE移動通信有TD-LTE和FDD-LTE兩種制式并具有1.8 GHz、2.3 GHz、2.6 GHz等多個頻段的特點，設計一個1.75 GHz~2.7 GHz的寬帶定向耦合器將是一個可行的辦法。對于寬帶定向耦合的設計，已有一些文獻提出多種方法。如運用CB-CPW和微帶線多層縫隙耦合技術[1-2]，利用有機介質基片實現寬帶[3]，或通過半導體材料來拓展耦合器帶寬[4]等。本文在滿足工程應用的情況下，通過在輸入端加入匹配網絡來改善耦合器的耦合端和直通端的性能，從而實現寬帶特性[5-8]。為了增加加工精確度，在匹配網絡中加入缺陷地結構（DGS）改善了微帶線的寬度[9]。同時，階梯阻抗結構的引入使匹配網絡的調節更加靈活[10-11]。
1 耦合器的結構
1.1 匹配網絡結構
為了改善直通端和耦合端的特性，使其能達到寬帶的要求，在耦合器的輸入端加入如圖1所示的匹配網絡[5-8]，其中為λ/4的電長度。為了更好地調節耦合器的帶寬，在此匹配網絡中，引入了階梯阻抗結構[9-10]。通過調節Wz2和Wz3的寬度，可以比較顯著地調節耦合器的性能。根據參考文獻[5]中的公式推導，設本征阻抗為Z0，則Z1和Z2的值分別為0.829Z0與0.837Z0。圖2中給出S11隨Wz3的變化圖，從圖中可以看出，調節Wz3的大小可以顯著地改變S11。因此，在匹配網絡中引入階梯阻抗結構可以增加仿真優化的靈活度。
1.2 缺陷地結構（DGS）
為了增加匹配網絡中微帶線的寬度以便利于加工，在耦合器的接地面加入5個串聯的“啞鈴型”缺陷地結構（DGS），如圖3所示，其中灰色部分為金屬覆蓋面，空白處為刻蝕處，圖4所示為耦合器正面示意圖。參考文獻[9]中對“啞鈴型”缺陷地給出了詳細的理論分析，通過刻蝕缺陷圖案，可以改變電路襯底材料有效介電常數的分布，從而改變微帶線的分布電感和分布電容，使得由DGS構成的微帶線具有帶阻特性和慢波特性。通過優化，最終DGS的寬度為2.5 mm，總長度為35 mm。
1.3 耦合器的結構
針對我國LTE移動通信有TD-LTE和FDD-LTE兩種制式并具有1.8 GHz、2.3 GHz、2.6 GHz等多個頻段的特點，所設計的耦合器得覆蓋1.75 GHz~2.7 GHz頻段。根據參考文獻[5]和參考文獻[12]中的分析，采用厚度h=0.8 mm的FR4介質作為基片。耦合器結構如圖5，其尺寸為L×W=28.7 mm×104.3 mm。其各部件的具體尺寸如表1。
2 仿真與測試結果
利用Ansoft HFSS對耦合器進行仿真設計并進行了實物加工，圖6中給出了耦合器實物圖。用矢量網絡儀對實物進行測試，將測試結果與仿真結果進行對比。圖7中給出了輸入端和隔離端的S參數仿真與測試對比圖，從中可以看出，仿真數據與測試數據吻合良好，在 1.75 GHz~2.7 GHz頻段內，S11和S41都小于-12.5 dB，并且最低點處能達到-40 dB以下。在圖8中給出了直通端和耦合端的S參數仿真與測試對比圖，從中可以看出測試結果與仿真結果吻合良好，S21和S31都在 -5 dB左右，并且|S21-S31|≤1 dB。因此綜合此耦合輸入端、直通端、耦合端及隔離端的各S參數可知，此耦合器性能良好，達到了設計的要求，具有較強實用價值。
3 結束語
本文通過在普通對稱分支線耦合的輸入端加入具有階梯阻抗結構的匹配網絡，改善了耦合器直通端和耦合端的性能，使其具有了寬帶特性。選用0.8 mm厚度的FR4介質材料作為基片，利用Ansoft HFSS軟件設計仿真出一個頻段為1.75 GHz~2.7 GHz覆蓋TD-LTE、FDD-LTE及WLAN的寬帶耦合器。對其進行了實物加工。運用矢量網絡儀對實物進行測試，測試結果與仿真結果吻合良好。此耦合器性能良好，結構簡潔，成本低，易于加工，具有較強的實用價值。
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