基于LTCC工艺的3dB耦合器设计(3)

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1.1.1 集总耦合器

集总耦合器多在集总 π 型或 T 型网络的基础上构建，这种分布网络可等效为一个具有一定特性阻抗和电长度的传输线部分，且此等效仅在单一频率上成立。集总耦合器适用于中低频段，当目标频率较低时，为了满足器件小型化的根本宗旨，减小耦合器的尺寸，只能选用集总元件耦合器。文献[5]针对集总耦合器的设计提出了 2 种较为常用的匹配方法：一种采用导纳反转器和并联谐振电路，电感值较低，但需要较多的器件，带宽较窄；另一种采用串联谐振电路，所需器件数较少，带宽较宽。

1.1.2 半集总耦合器

半集总耦合器与集总耦合器的基本原理相似，以长度远小于传统分支线耦合器的短传输线部分为基础，两端接并联电容，所占面积相比传统的分支线耦合器大幅减少，并且可以使用标准的印制电路板进行加工而不需要装置集总元件、键合线或者过孔，适用于小型无线通信系统中耦合器的设计。文献[6]中 SS Liao, JT Peng 等人利用对称或非对称的 T 型传输线结构等效传统 λ / 4 传输线，设计出了半集总耦合器。

1.1.3 微带耦合器

顾名思义，微带耦合器是以带状线或微带线完成其耦合功能的，形式多种多样，主要有耦合线定向耦合器、微带分支线定向耦合器、Lange 耦合器等。

（1）耦合线定向耦合器，这种耦合器通过调整两条邻近放置的金属导带的相对位置、形状等要素达成一定的功率分配比例,从而满足各种设备的使用要求，结构简单但频带不宽，为了增加带宽，常采用多个单节平行耦合线耦合器级联的方法[7]。文献综述

（2）微带分支线定向耦合器，这种耦合器由主线、副线及若干耦合分支线构成，其直通和耦合端口的输出相位相差 90 度，整体结构具有高度对称性。由于设计单节分支线耦合器时的数据是建立在耦合器工作于中心频率点的基础上，当频率偏离中心频率时，微带的阻抗和相位等参数都将发生变化，进而导致耦合器的隔离度、耦合度变差，因此微带分支线耦合器的带宽十分有限，同时因为分支线的长度为四分之一波长，该耦合器的面积也较大。对分支线耦合器来说，增加带宽常用的方法就是将多节分支线级联，但这样会使得器件的尺寸进一步增大。

（3）Lange 耦合器[8]，普通平面宽带耦合线的耦合较松，很难达到 3dB 的强耦合，为了实现强耦合的要求，常将几根耦合线平行交叉放置，使得每根线只跟临近线耦合，提高了边缘杂散场对耦合的贡献，这就是 20 世纪 60 年代 Lange.J 提出的 Lange 平面叉指电桥结构，该设计有效补偿了奇偶模相速不等，拓展了频带。但是，这种结构有

着细长的交指耦合线、窄小的耦合间距以及纤细的跨接焊线，一般的印刷工艺很难满足如此高的精度要求，随着近年来低温共烧陶瓷（LTCC）工艺的不断研发，这个问题被轻松解决，Lange 耦合器终于实现了批量生产。

综上所述，以往因为生产工艺和基板材质的原因，耦合器大多使用单层结构，占用面积大，器件尺寸偏大，虽然可以使用折线等结构来减小其占用的面积，但是限于单层结构的线间距、承受功率等问题，想把器件长度降到十分之一波长以下几乎不可能[9]。参考半导体芯片的设计理念，研究人员萌生了采用低温共烧陶瓷（LTCC）工艺来实现器件的三维结构进而改进耦合器各项性能的想法。