微波筆記以設(shè)計(jì)實(shí)例的方式介紹各類常用微波射頻電路設(shè)計(jì)方法，每周一篇原創(chuàng)。后續(xù)陸續(xù)推出電橋、開關(guān)、移相等內(nèi)容。如有想看到的內(nèi)容或技術(shù)問題，可以在文尾寫下留言。微波射頻網(wǎng)將從每一期留言中選取一位留言獲點(diǎn)贊最多的網(wǎng)友，贈送行業(yè)圖書。本期獎品為《微帶電路》圖書。

3dB電橋在微波電路中非常流行，90°的3dB電橋可以產(chǎn)生IQ信號，同時電橋在移相器，時延均衡器等器件中屬于核心電路。但常規(guī)的微帶雙線耦合電路很難實(shí)現(xiàn)超寬帶，強(qiáng)耦合電橋，同時由于微帶耦合線的奇偶模有效介電常數(shù)不一樣，即便可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)耦合，但由于信號在奇偶模電路中的相速度不一致，耦合越強(qiáng)相速差越大，對電橋的性能惡化越大。

Lange電橋在微帶電路中非常流行，該橋結(jié)構(gòu)緊湊，可以在微帶結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)寬帶強(qiáng)耦合。在特征參數(shù)獲取方面，lange橋的交指多線耦合比常規(guī)的雙線耦合要復(fù)雜的多，這樣也給lange橋設(shè)計(jì)帶來一定的難度，本文介紹一種lange橋的簡單設(shè)計(jì)方法。

1、寬帶耦合電橋的基本原理

寬帶耦合傳輸線耦合器理論講解比較好的書個人推薦《現(xiàn)代微波濾波器結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)》下冊第15章的內(nèi)容。耦合傳輸線耦合器及等效電路見圖1所示。書中對于多節(jié)耦合器級聯(lián)有下列觀點(diǎn)：

多節(jié)耦合傳輸線定向耦合器的電路同1/4波長多節(jié)阻抗變換濾波器電路等效；對于對稱型，耦合線節(jié)數(shù)必須是奇數(shù)，對于非對稱型，耦合線節(jié)數(shù)可以是任意節(jié)；耦合器的傳輸?shù)扔谧杩棺儞Q濾波器的傳輸，耦合器的耦合等于阻抗變換濾波器的回波。

耦合傳輸線定向耦合器的耦合路和傳輸路相位相差90°。

圖1、多節(jié)耦合傳輸線定向耦合器示意圖及等效電路

2、耦合傳輸線耦合器的疊加原理

若把幾個匹配的定向耦合器級聯(lián)起來，則他們級聯(lián)后的作用就如同一個定向耦合器一樣，級聯(lián)后的響應(yīng)符合角度疊加原理。耦合器的疊加原理詳見《貝茲孔波導(dǎo)定向耦合器的實(shí)現(xiàn)》。耦合線定向耦合器疊加時需對端口進(jìn)行折疊，如圖2所示。

圖2、耦合傳輸線耦合器耦合度疊加示意圖

3、Lange橋原理

Lange橋的核心是用多線（常見的4線）耦合替代常見的雙線耦合，從而在微帶平面電路中實(shí)現(xiàn)較強(qiáng)的耦合。lange橋常見的形式見圖3，理解lange橋比較好的論文推薦：

《Interdigitated Stripline Quadrature Hybrid》lange《Simplified Design of Lange Coupler》DARKO KAJFEZ,《Design Equations for an Interdigitated Directional Coupler》WEN PIN OU

圖3、lange橋模型

其中后面兩篇是lange橋設(shè)計(jì)時的理論指導(dǎo)，理論的核心是將多線耦合等效成雙線耦合，個人嘗試了《Simplified Design of Lange Coupler》中的等效方法，但是等效結(jié)果比較差。這里采用了一種比較簡便準(zhǔn)確的多線耦合同雙線耦合的等效方法，方法步驟如下：

1) 電磁仿真軟件仿真得到多線的SNP

2) ADS中建立圖4的模型，讓雙線耦合的響應(yīng)同多線耦合的響應(yīng)相同，通過ADS的優(yōu)化功能便可得出多線和雙線的等效參數(shù)。

圖4、多線耦合等效為雙線耦合的參數(shù)提取

4、Lange橋的設(shè)計(jì)

耦合傳輸線耦合器設(shè)計(jì)時遵循如下步驟：

1) 根據(jù)指標(biāo)查表或者在ADS等電路仿真軟件中確定耦合傳輸線節(jié)數(shù)及奇偶模阻抗2) 根據(jù)奇偶模阻抗計(jì)算每節(jié)耦合傳輸線的物理尺寸3) 電磁場仿真優(yōu)化

這里用一個6~18GHz的-8.343dB（兩個級聯(lián)可以成-3dB電橋）的lange橋設(shè)計(jì)作為實(shí)例，介紹超寬帶lange橋的設(shè)計(jì)方法。

· 耦合傳輸線節(jié)數(shù)及奇偶模阻抗確定

在ADS中建立圖5所示的對稱耦合傳輸線耦合器模型，若使耦合度在6~18GHz帶寬內(nèi)保持-8.343dB，則至少需要三節(jié)，各節(jié)參數(shù)見表格1。

表格1、傳輸線節(jié)數(shù)及奇偶模阻抗

圖5、耦合線節(jié)數(shù)和奇偶模阻抗計(jì)算模型及結(jié)果

· 根據(jù)理想奇偶模阻抗確定實(shí)際物理尺寸

根據(jù)表格1的奇偶模阻抗可以看出第一節(jié)和第三節(jié)屬于弱耦合，可以直接采用雙線耦合。第二節(jié)耦合很強(qiáng)建議采用4線耦合。

對于雙線耦合可以通過polar Si9000軟件或者其他阻抗計(jì)算軟件計(jì)算出實(shí)際的物理尺寸。

對于第二節(jié)的4線耦合通過上面講的參數(shù)提取法來獲取4線的物理尺寸。通過計(jì)算可以得到各節(jié)耦合傳輸線的物理尺寸見

表格2、根據(jù)理想奇偶模阻抗確定的實(shí)際物理尺寸

· 電磁場仿真優(yōu)化

根據(jù)上面獲取的耦合傳輸線耦合器物理尺寸在sonnet中建立模型見圖6所示，為了使該耦合器便于級聯(lián)采用了折疊式。模型未經(jīng)過特殊優(yōu)化，上述參數(shù)首次仿真的結(jié)構(gòu)見圖6所示，通過結(jié)果可以看出上面的設(shè)計(jì)方法獲得的仿真初值是很準(zhǔn)確的。相信通過幾次迭代調(diào)整，該耦合器可以達(dá)到比較好的響應(yīng)。

圖6、寬帶-8.343dB lange橋的模型及結(jié)果

得到一個理想的-8.343dB耦合器后，通過兩個耦合器級聯(lián)便可得到一個-3dB的耦合器。實(shí)例中的lange橋設(shè)計(jì)有意識的同常見的lange橋結(jié)構(gòu)形式做了一些差異，希望通過對此差異的思考可以更深刻的理解lange橋的設(shè)計(jì)。