非均勻介質的微帶窄邊耦合器

說到非均勻介質中的奇偶模相速不等導致耦合器定向性不佳，現在看具體仿真事例：

雖然近端耦合度都是20dB，但遠端隔離度有很大差異。

2.5GHz頻點，帶狀雙線遠端隔離度達到46dB，定向性26dB；

2.5GHz頻點，埋入式微帶雙線遠端隔離度達到33dB，定向性有13dB；

2.5GHz頻點，裸露式微帶雙線遠端隔離度只有25dB，定向性只有5dB；

我們常說的微帶耦合器，恰恰是上述裸露式微帶雙線耦合器，定向性最差，5dB。

帶狀雙線的電磁場只位于均勻介質內；

埋入式和裸露式微帶雙線的電磁場一部分在介質內，一部分在空氣中，所以說介質不均勻；

比較而言，埋入式的介質均勻性稍好于裸露式。

微帶窄邊耦合器仿真設計

設計耦合器步驟如下：

1、先按下邊的電壓耦合度k0公式，計算出奇模阻抗和偶模阻抗；

2、再在POLAR SI9000軟件中算出線寬和線間距（略）；

或者在HFSS中建立微帶雙線的對稱面半模型，調整線寬和線間距，幾次疊代即可擬合得到符合奇模阻抗Z0o和偶模阻抗Z0e的線寬和線間距；

奇模仿真和偶模仿真的對稱面的邊界條件按如下設置：

上文提到過，平行雙線耦合器沿軸向（信號傳播方向）正中間存在一個無形的鏡面：

如果仿真奇模，就將對稱鏡面設置為PerfectE；

如果仿真偶模，就將對稱鏡面設置為PerfectH；

將微帶雙線對稱鏡面的一半模型的橫截面，整個設置為Waveport，歸一化阻抗50歐。

3、設置好其余邊界條件和掃頻范圍，仿真完成，可觀察TDR仿真結果：

也可以按照ADS優化方法，仿真出差模阻抗和共模阻抗。再間接算出奇模阻抗和偶模阻抗。

再觀察奇模相位和偶模相位：

同樣的模型，同樣的物理長度1200mil，同樣的頻點1.5365GHz，裸露式微帶雙線奇模相位90度，而偶模相位卻是99度。

根據公式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

扯遠了。

4、按照TDR仿真出來的線寬和線間距，初步建模：

按“1輸入2直通3近耦4遠耦“的習慣對端口做編號。

5、查看全端口阻抗匹配、耦合度、遠端隔離度、相位等指標：

根據上述仿真結果，可以對裸露式微帶雙線耦合器特征，做個總結了：

? 微帶窄邊耦合器能做到全端口無損匹配；耦合區的雙線適當變細，以適應每個端口的阻抗匹配；

? 中心頻率（最低）由耦合區長度等于λ/4導波波長決定；

? λ/4導波波長的中心頻率（最低）及其奇數倍頻點的耦合度最大；

? 最短電長度為λ/4導波波長；

? 耦合度由平行雙線間隙決定；

? 耦合端與直通端的相位差為90度，與頻率無關。

? 微帶窄邊耦合器適合于做弱耦合器，很難將耦合度做到強于10dB；

? 中心頻點的定向性指標只能做到5dB左右；

如何提高定向性指標？且看后文講解5種解決方案。