微波笔记·Lange电桥的设计

微波笔记·Lange电桥的设计3dB电桥在微波电路中非常流行，90°的3dB电桥可以产生IQ信号，同时电桥在移相器，时延均衡器等器件中属于核心电路。但常规的微带双线耦合电路很难实现超宽带，强耦合电桥，同时由于微带耦合线的奇偶模有效介电常数不一样，即便可以实现强耦合，但由于信号在奇偶模电路中的相速度不一致，耦合越强相速差越大，对电桥的性能恶化越大。Lange电桥在微带电路中非常流行，该桥结构紧凑，可以在微带结构中实现宽带强耦合。在特征参数获取方面，lange桥的交指多线耦合比常规的双线耦合要复杂的多，这样也给lange桥设计带来一定的难度，本文介绍一种lange桥的简单设计方法。文中所有的仿真文件见链接：/s/114nQvl0hALMcY7cjkMbC9Q密码：mg5f1、宽带耦合电桥的基本原理宽带耦合传输线耦合器理论讲解比较好的书个人推荐《现代微波滤波器结构与设计》下册第15章的内容。耦合传输线耦合器及等效电路见图1所示。书中对于多节耦合器级联有下列观点：·多节耦合传输线定向耦合器的电路同1/4波长多节阻抗变换滤波器电路等效；对于对称型，耦合线节数必须是奇数，对于非对称型，耦合线节数可以是任意节；耦合器的传输等于阻抗变换滤波器的传输，耦合器的耦合等于阻抗变换滤波器的回波。·耦合传输线定向耦合器的耦合路和传输路相位相差90°。图1、多节耦合传输线定向耦合器示意图及等效电路2、耦合传输线耦合器的叠加原理若把几个匹配的定向耦合器级联起来，则他们级联后的作用就如同一个定向耦合器一样，级联后的响应符合角度叠加原理。耦合器的叠加原理详见《贝兹孔波导定向耦合器的实现》。耦合线定向耦合器叠加时需对端口进行折叠，如图2所示。图2、耦合传输线耦合器耦合度叠加示意图3、Lange桥原理Lange桥的核心是用多线（常见的4线）耦合替代常见的双线耦合，从而在微带平面电路中实现较强的耦合。lange桥常见的形式见图3，理解lange桥比较好的论文推荐：《InterdigitatedStriplineQuadratureHybrid》lange

《SimplifiedDesignofLangeCoupler》DARKOKAJFEZ,

《DesignEquationsforanInterdigitatedDirectionalCoupler》WENPINOU图3、lange桥模型其中后面两篇是lange桥设计时的理论指导，理论的核心是将多线耦合等效成双线耦合，个人尝试了《SimplifiedDesignofLangeCoupler》中的等效方法，但是等效结果比较差。这里采用了一种比较简便准确的多线耦合同双线耦合的等效方法，方法步骤如下：1)电磁仿真软件仿真得到多线的SNP2)ADS中建立图4的模型，让双线耦合的响应同多线耦合的响应相同，通过ADS的优化功能便可得出多线和双线的等效参数。图4、多线耦合等效为双线耦合的参数提取4、Lange桥的设计耦合传输线耦合器设计时遵循如下步骤：1)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

2)根据奇偶模阻抗计算每节耦合传输线的物理尺寸

3)电磁场仿真优化这里用一个6~18GHz的-8.343dB（两个级联可以成-3dB电桥）的lange桥设计作为实例，介绍超宽带lange桥的设计方法。·耦合传输线节数及奇偶模阻抗确定在ADS中建立图5所示的对称耦合传输线耦合器模型，若使耦合度在6~18GHz带宽内保持-8.343dB，则至少需要三节，各节参数见表格1。表格1、传输线节数及奇偶模阻抗第一节第二节第三节奇模阻抗4729.247偶模阻抗5589.655图5、耦合线节数和奇偶模阻抗计算模型及结果·根据理想奇偶模阻抗确定实际物理尺寸根据表格1的奇偶模阻抗可以看出第一节和第三节属于弱耦合，可以直接采用双线耦合。第二节耦合很强建议采用4线耦合。对于双线耦合可以通过polarSi9000软件或者其他阻抗计算软件计算出实际的物理尺寸。对于第二节的4线耦合通过上面讲的参数提取法来获取4线的物理尺寸。通过计算可以得到各节耦合传输线的物理尺寸见表格2、根据理想奇偶模阻抗确定的实际物理尺寸理想阻抗第一节第二节第三节L约等于2.5mm奇模阻抗4729.247偶模阻抗5589.655实际尺寸类型双线耦合4线耦合双线耦合W（mm）0.350.050.35S（mm）·电磁场仿真优化根据上面获取的耦合传输线耦合器物理尺寸在sonnet中建立模型见图6所示，为了使该耦合器便于级联采用了折叠式。模型未经过特殊优化，上述参数首次仿真的结构见图6所示，通过结果可以看出上面的设计方法获得的仿真初值是很准确的。相信通过几次迭代调整，该耦合器可以达到比较好的响应。图6、宽带-8.343dB

lange桥的模型