定向耦合器^[1]作为微波电路中重要的无源器件，可以在输入输出端口间实现功率分配，并保持一定的相位差，广泛应用于混频器、平衡放大器以及阵列天线馈电网络等方面。近年来，基于不同传输线结构的高性能定向耦合器不断出现，如波导^[2]、基片集成波导^[3]、微带线^[4]和悬置带状线^[5–6]等。悬置带状线中的电场主要分布在空气腔中，具有损耗低、色散低、等效介电常数低以及电磁兼容性好等优点。然而传统的悬置带状线由金属腔体构成，加工相对复杂、成本较高。新型介质集成悬置线(SISL)^[7-9]采用印制电路板(printed circuit board，PCB)加工工艺替代金属腔体加工，保留了悬置带状线的优点，同时具有成本低、重量轻和自封装等优势。方同轴传输线^[10]具有宽频带、低色散以及结构稳定的特点，在航天领域得到了应用。本文提出了一种新型SISL分支线定向耦合器，在SISL的基础上借鉴同轴结构的优势，将空气腔中心填充表面敷铜、由金属通孔包围的介质基板，使耦合器分支线形成类似于同轴的传输结构，进一步减小了色散，提高了结构的稳定性。采用同轴接头进行直接馈电，省去过渡结构，既缩小了尺寸，又降低了损耗。

1 介质集成悬置线结构及设计

图1为SISL的三维结构图，由5层双面敷铜的介质基板构成，介质基板和金属层自上而下分别命名如图1所示。将第2层和第4层介质基板局部切除形成空气腔，在空气腔周围由金属通孔模拟金属波导的边界条件，实现电磁屏蔽，其横截面如图2所示。5层介质基板（substrate，Sub）材料均为FR-4，微波电路设计在Sub3的上层G5金属层。

根据参考文献[11]，SISL传输线的等效介电常数为

${\varepsilon _{\rm{e}}} = \frac{{{h_3} + {h_4}}}{h}\left( {1 + \frac{{{h_2}{\varepsilon _{\rm{r}}}}}{{{h_4}{\varepsilon _{\rm{r}}} + {h_3}}}} \right)$

(1)

式中：h=h₂+h₃+h₄，其中，h₂、h₃、h₄分别为第2、3、4层介质基板的厚度； ${\varepsilon _{\rm{r}}}$ 为介质基板相对介电常数。

特征阻抗为

${Z_{\rm{0}}} = \frac{{{Z_{\rm{0}}}^\prime }}{{\sqrt {{\varepsilon _{\rm{e}}}} }}$

式中

${Z_{\rm{0}}}^\prime = \frac{{120{\rm{{\text{π}} }}({h_3} + {h_4})}}{{{w_{\rm{s}}}}}$

其中 ${w_{\rm{s}}}$ 为金属导带的宽度。

本设计采用同轴直接馈电，在选择介质基板高度和空气腔宽度时，应使SMA接头的法兰盘完全遮盖空气腔，形成封闭结构，并且使耦合器馈线的金属导带宽度大于同轴接头探针宽度。

设计介质基板厚度h₁=0.6 mm，h₂=1 mm，h₃=0.6 mm，h₄=1 mm，h₅=0.6 mm；空气腔宽度w_a=8 mm。保持其他参数不变，改变第3层介质基板Sub3上面的金属导带宽度w_s，SISL特征阻抗变化趋势如图3所示。选择合适的线宽，即可得到需要的SISL特征阻抗。

2 分支线定向耦合器原理及设计

如图4所示，分支线定向耦合器由2条主线和2条分支线组成，其中分支线的长度和间距均为 ${1 / 4}$ 波长。所有端口均匹配，从端口1输入的功率平均分配给端口2和端口3，且两输出端口之间存在90°相移，端口4隔离。图4中，λ_g为中心频率工作波长，Z₀为归一化阻抗。

耦合器散射参数^[12]为

$ {S} = - \frac{1}{{\sqrt 2 }}\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} 0&j&1&0 \\ j&0&0&1 \\ 1&0&0&j \\ 0&1&j&0 \end{array}} \right] $

基于上述原理，设计一款中心频率工作于2.45 GHz的SISL分支线定向耦合器，其金属导带所在的G5金属层结构如图5(a)所示。在正交混合网络的中心敷铜，使每一条支线都保持相同尺寸的SISL传输通路，通路两侧用金属通孔模拟金属边界条件，实现电磁屏蔽。介质基板堆叠利用金属通孔进行定位，铆钉穿过金属通孔将5层介质基板铆接在一起，实现SISL结构的自封装。

由上述分析可知，若通过介质堆叠形成空气腔，需要将Sub2拆分成5块介质基板，其形状尺寸如图5(b)所示。其中Sub2-3的存在不仅提高了SISL结构的稳定性，而且具有降低色散、减小损耗的优势。由图4可知，耦合器各分支线设计初始线长为四分之一波长，可由式(1)计算得SISL等效介电常数，进而求得初始线长。分支线特征阻抗分别为 $Z_0 $ 和 $Z_0/ \sqrt 2$ ，初始线宽可由图3特征阻抗和线宽w_s的关系得到。实际尺寸为：W₀=2.4 mm，L₀=10 mm，W₁=4 mm，L₁=28 mm，W₂=2.4 mm，L₂=28.5 mm。

为验证SISL分支线定向耦合器的低损耗特性，利用HFSS仿真工具进行全波仿真。设计相同工作频率的微带（microstrip）分支线定向耦合器，介质基板采用厚度为0.6 mm的FR-4，对比2种结构的损耗曲线如图6所示。

由文献[13]可知功率损耗P_loss计算公式为

${P_{\rm{loss}}} = 1 - {\left| {{S_{11}}} \right|^2} - {\left| {{S_{21}}} \right|^2} - {\left| {{S_{31}}} \right|^2} - {\left| {{S_{41}}} \right|^2}$

仿真结果表明，SISL定向耦合器的损耗在整个频段内均远低于微带线结构，并且随着频率的升高，二者之间的差别越来越大，印证了SISL定向耦合器的低损耗特性。

3 测试结果与分析

耦合器整体尺寸为53.6 mm×58.3 mm×3.8 mm，实物如图7和图8所示。在实际加工时，将SMA接头的法兰盘焊接到SISL结构G1层和G10层，实现共同接地。在Sub1和Sub5耦合器端口处增加一排金属通孔，缩短电流路径，改善过渡结构的电性能。

定向耦合器仿真与实测结果如图9和图10所示，测试仪器使用Agilent矢量网络分析仪。在中心频率2.45 GHz处，回波损耗和隔离度均优于28 dB。频率在2.3~2.6 GHz时，回波损耗和隔离度均高于20 dB；传输端口|S₂₁|为−3.12 dB，幅度不平衡度为±0.18 dB；耦合端口|S₃₁|为−3.39 dB，幅度不平衡度为±0.15 dB；输出端口之间的相位差为90°±1°。SISL结构等效介电常数低，受介质基板参数影响很小，因此仿真与实测结果吻合良好。

表1为本设计与其他文献中定向耦合器性能对比，其中相对带宽的指标为回波损耗和隔离度，均优于20 dB。由表1可知，SISL不仅以低成本的介质基板实现了耦合器优良的电性能，并且具有损耗小、自封装等优势，工程应用价值较高。

4 结论

本文设计了一种中心频率工作于2.45 GHz的新型基于SISL分支线3 dB定向耦合器，与传统耦合器结构相比，主要具有如下特点。

1)提出一种基于SISL分支线3 dB定向耦合器结构，将第2层和第4层介质基板分解，使耦合器的每条支路保持相同的SISL传输结构，降低了色散，提高了结构稳定性。

2)馈电方式采用同轴直接馈电，去掉过渡结构，在介质基板的馈电端口处添加金属通孔提高电性能，既减小了尺寸，又降低了电路损耗。

3)基于SISL传输线结构，利用金属通孔模拟金属波导边界条件，电磁波主要在空气中传播，具有损耗小、受介质基板参数影响小、电磁兼容性好和自封装等优势。