基于3dB 耦合器的G 波段4 路功分器研究

韩玉朝 孔令甲 李德才

（中国电子科技集团公司第十三研究所 河北省石家庄市 050051）

太赫兹波广义上一般指频率在100GHz～10THz(波长为3mm～30μm)范围内的电磁波，其分别在长波和短波方向与毫米波和红外线存在一定的重叠区域，因太赫兹位于电磁波谱上由电子学向光子学过渡的特殊位置，具有非常优良的特性，加之其在安检、成像、通信、天文观测等多个领域展现出独特的优势，近年来已经引起世界各国的广泛关注，成为全球科学研究的前沿和热点之一。

在太赫兹无线通信中，单个器件的输出功率随频率的升高而受到限制，为了满足太赫兹波段较大功率输出的需求，组件设计中必然要用到功率分配和合成网络，功分器在电路末端的反向使用可以将多路能量进行合成，达到大功率输出的目的。常见的微波功分器有微带功分器、波导功分器和基片波导功分器等，在太赫兹频段，传统微带结构因介质损耗和辐射损耗等缺点已明显不适用；而波导功分器因其在功率、损耗和带宽方面的优势，广泛应用于宽带通信、视频成像、大功率发射机及相控阵雷达等方面。当前国内外对于太赫兹波导功分器的研究已广泛存在，2011 年Universidad Politécnica de Valencia 的Daniel S E、Miguel F B、Mariano B E 等学者提出了一种新型的适用于太赫兹波段的低损耗多层介质矩形波导，他们用此种结构设计了一个工作于950GHz的功分器，此种功分器不会产生高次模，能将能量正确的分配到两个输出端口，只有很少的能量损失，各输出端口的插损约为3.54dB。

在太赫兹频段，目前常用的波导功分器结构有E 面分支线电桥、H 面裂缝电桥。四端口魔T 结构也可以实现高隔离度，但鉴于立体结构相较复杂，在太赫兹频段由于尺寸结构小而不易实现，且对装配要求极高，所以不常被使用；而在太赫兹波段，E 面分支线电桥对耦合缝隙的加工精度要求极高，往往只有几十微米，实际加工中很难达到而令人望而却步；本文介绍的3dB 耦合器结构属于H 面裂缝电桥。

1 原理分析

本文介绍了一种基于3dB 耦合器的G 波段4 路功分器的设计方法，是属于H 面裂缝电桥，其结构如图1 所示。该结构在平行的两路波导之间的窄墙上切出一段固定长度的耦合缝隙，即图1 中的W2，左右结构对称。这种波导耦合器主要由耦合区和传输区两部分组成，波在传输区为单模传输，只允许主模TE模通过，当波传输到耦合区时，激励起TE模和TE模的混合模式，再传输到后面的传输区时，又分解为TE模进行传输。

图1： 3dB 耦合器模型

图1 中，P1 为信号输入端口，P2 为直通端口，P3 为耦合端口，P4 为隔离端口。微波信号自P1 端口输入，其中一部分会沿着主波导传输到直通端口P2，即传输区；另一部分会从主波导通过耦合缝隙进入平行波导传输到耦合端口P3，即耦合区。通过调整耦合缝隙宽度W2 的值，可以在直通端口和耦合端口得到等功率能量的信号，即实现功率等分。在实际应用中隔离端口P4 需要接匹配负载。

G波段标准的矩形波导内截面尺寸为1.09mm×0.55mm，为了提高传输效率和带宽，降低仿真难度，3dB 耦合器采用非标准波导进行传输。经过实际仿真优化，选择波导内截面尺寸为0.851mm×0.477mm，即图1 中L=0.851mm，波导的短边长度为0.477mm，此情况下，仿真效果最佳，且传输效率高。在实际工程应用中，输入输出端口一般采用标准波导与外界对接，因此3dB 耦合器的模型需要通过变换过渡为标准波导。另外，为了使主副波导之间的耦合裂缝段只能传输TE和TE两种模式，W2 需要选取适当的值，根据奇偶模叠加原则，假设在输入端口P1、隔离端口P4 有电场幅度相等的奇偶模两种激励模式，相当于把P1 端口输入的电磁波等效为P1、P4 端口输入的波叠加，再根据奇偶禁戒规则，分析偶模激励会在波导裂缝耦合区域产生TE波，而奇模激励会在波导裂缝耦合区域产生TE波，根据各自的波长以及功分器直通端口P2和耦合端口P3输出功率相等的原则，即可计算出W2 的值，本模型中W2 取0.562mm。

根据上述理论分析，结合仿真优化，当图1 中各尺寸取表1 中所示值时，直通端口P2 和耦合端口P3 的输出功率相等，且信号能进行良好的传输。

表1： 3dB 耦合器尺寸表

2 仿真设计

基于上述详细分析，分三部分进行逐步建模，具体如下：

2.1 3dB耦合器模型

3dB 耦合器是G 波段4 路功分器的基础，根据表1 中3dB 耦合器的尺寸取值，建立基本模型如图2 所示。

图2： 3dB 耦合器模型

参照图1 的说明设置各个端口，经过仿真与设计优化，在目标频带210GHz ～220 GHz 内，3dB 耦合器的输入输出端口回波损耗优于-20dB，插入损耗优于3.2dB，直通端口与耦合端口的隔离度优于15dB，仿真结果如图3、图4 所示，G 波段信号实现良好传输。

图3： 插入损耗仿真结果

图4： 输入输出端口回波损耗仿真结果

2.2 标准波导端口的功分器模型

在实际工程应用中，输入输出端口往往不会是非标准波导，总是希望对外接口使用标准波导，这就要求将3dB 耦合器传输过程中的非标准波导通过系列变换，过渡为标准波导。通过理论分析与实际仿真相结合，本模型中采用两级台阶逐级过渡，可以更好的实现过渡匹配。其中第一级台阶的高度为0.037mm，长度0.589mm，宽度0.928mm；第二级台阶的高度为0.035mm，宽度1.1mm，已转换为标准波导。根据上述分析，建模如图5 所示：

图5： 标准波导端口模型

为了提高仿真效率，信号输入端口仍采用非标准波导结构，结果可参考其余端口；根据实际工程应用，在隔离端口处需加吸收负载对波进行吸收，吸收负载选用斜坡面结构，端口回波优于-20dB，材料介电常数为15。参照图1 中的说明设置各个端口，经过仿真与设计优化，在目标频带210GHz ～220GHz 内，标准波导端口的功分器回波损耗优于-18dB，插入损耗优于3.2dB，直通端口与耦合端口的隔离度优于15dB，仿真结果如图6 所示，G 波段信号实现良好传输，可满足工程上应用。

图6： 回波损耗&插入损耗仿真结果

2.3 G波段4路功分器模型：

基于上述仿真模型与结果，结合实际加工可实现性，将上述双路功分器级联形成G 波段的4 路功分器，基本建模如图7 所示。

图7： G 波段四路功分器模型

按照图7 中的标示设置P1 ～P5 共5 个端口，其中P1为功率输入端口，P2 ～P5 为四个功率输出端口，P6 ～P8为隔离端口，在实际工程应用中需接吸收负载。经过仿真与设计优化，在目标频带210GHz ～220GHz 内，G 波段4 路功分器的回波损耗优于-15dB，插入损耗优于6.5dB，直通端口与耦合端口的隔离度优于15dB。仿真结果如图8、图9所示，根据仿真结果分析，该模型可满足实际工程上应用。

图8： 插入损耗仿真结果

图9： 回波损耗仿真结果

3 实际产品设计与测试

按照分析的设计思路与仿真结果，结合实际加工可行性，将模型拆分成三部分进行加工，分别为功分下腔体、功分上腔体以及吸收负载腔体，实际加工的结构图如图10 所示。

图10： 实际加工的功分腔体结构图

为了方便评估，加工了两套相同的4 路功分器以及一个4 路直通结构，如图11 所示，用螺钉将两个4 路功分器通过直通固定连接，利用上下变频器件在矢量网络分析仪上进行测试，得到的结果去除上下变频和直通结构的损耗再除以2，即为单个4 路功分器结构的插入损耗，结果如图12 所示。

图11： 对背功分器测试结构

图12： 单个4 路功分器的插入损耗

由上述测试结果可看出：在目标频带内，4 路功分器的插入损耗优于7.0dB，稍偏大于仿真值6.5dB，这主要是由于产品频段较高，实际机加工的精度、内表面的平整度与仿真设置值有所偏差；再加上该频段无法直接测试，需要通过上下变频器件将频率变换到可测试范围，变相的引入了其它器件等额外因素，导致测试结果比仿真稍稍偏差。另外因测试条件限制，无法直接测试输入输出端口的回波损耗，只能通过仿真结果结合插入损耗的实际测试结果，初步判定实际加工结构可满足工程应用。

4 结论

本文介绍了一种基于3dB 耦合器的G 波段4 路功分器的设计，对其工作原理和仿真设计做了详细分析。通过仿真，G 波段4 路功分器在目标频带210GHz ～220GHz 内的回波损耗优于-15dB，插入损耗优于6.5dB。根据仿真结果加工了实际产品并进行测试，由于加工精度及测试误差等因素，实测的插入损耗约7.0dB。根据理论仿真分析与实测结果，基本判定该结构可以满足工程应用的需求。