【经验】宽边和边缘带状线耦合器的设计方法

时间： 2018-05-23 来源：Rogers

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PCB板材,高频层压板,RT/duroid 5870,RT/duroid 5880

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本文通过Rogers PCB板材详细讲解宽边和边缘带状线耦合器的设计方法，对耦合器的设计具有很大的参考意义。

设计人员希望通过设计一个四端口带状线耦合器器件，在两条线路之间以所需比例分割射频功率。对于此设计，耦合器应由两条平行的带状线传输线组成，它们具有相等的宽度，与地平面的距离相等，并且它们之间的距离相等，在设计频率下运行1/4波长的距离。连接到两条线的两端被排列在耦合区域之外并具有设计特征阻抗（Z0）。端口1和2在驱动线路上，耦合线路的端口3与端口2相邻，端口4与端口1相邻。最大耦合处于设计频率，并表示为端口4与端口1的功率比，用分贝表示（dB）单位。理想情况下，端口1上的所有功率入射在端口2和4之间分离，而没有到端口3。由于dB单位是-10log₁₀（功率比），较高的耦合系数由较低的正dB值表示。3dB表示端口2和4之间近似相等的功率分配，而10dB表示与另一条线路的9到1分离或更低的耦合。

为了便于耦合带状线器件的设计，下面展示了特性阻抗Z0和以分贝（dB）为单位的耦合系数与线间距和线宽相关的公式。通常用于高耦合的带状线宽边耦合器由如图1所示，三个电路板在接地层之间形成两个信号层。通常用于低耦合的带状线边沿耦合器只需要两个带单一信号层的电路板，如图2所示。

图1

图2

公式的D，Z0和V之间的某些关系对于宽边和边沿耦合器是共同的，如A部分所示。注意，对于B部分中的宽边情况，符号s和w表示线间距和线宽与总地平面间距。总地平面间距是三块板的厚度的总和。注意，对于C部分中的沿边情况，符号w，s和b分别表示宽度，间隔和地平面间距的尺寸单位值。

对两种情况都做了几个假设：

1.导体的厚度被认为可以忽略不计。

2.耦合线具有相同的宽度。

3.耦合线两侧的地平面距离相等。

4.电介质材料完全填充未被导体占据的地平面之间的空间，这是通过结合实现的条件。

5.所有介电材料层具有相同的相对介电常数。

宽边耦合器

D =以dB为单位的耦合系数

ZO =以欧姆为单位的整体特征阻抗

V =电压比

s =行距与地平面间距的比值

er =相对介电常数或介电常数

tanh^-1 (i) = i的弧双曲正切

K（k）=第一类与模数k的椭圆积分，K（k）可以由一个收敛的无限级数来确定。

边缘耦合器

使用w，s和b值来获得ZOe和ZOo的值，然后用它们来获得D和ZO。

w =线的宽度

s =行之间的间距

b =地平面间距

tanh（i）= i的双曲正切

coth（i）= i = 1 / tanh（i）的双曲余切值

针对上述设计理论，通过对ROGERS公司的RT/duroid 6002,RT/duroid 5870,RT/duroid 5880,RT/duroid 6006,RT/duroid 6010等高频层压板进行具体设计实验，结果如下表所示：

类型	边缘距	中心板距	线板距	耦合宽度	间距比	板间距	线距	线宽	耦合系数	整体阻抗比
5880	0.031	0.005	0.200	1.47	9.83	0.031	0.005	0.025	9.74	68.35
5870	0.031	0.005	0.200	1.47	9.55	0.031	0.005	0.025	9.74	66.59
6002	0.030	0.005	0.060	1.88	22.53	0.030	0.005	0.020	9.30	64.96
6006	0.050	0.010	0.100	2.22	17.50	0.025	0.005	0.015	9.65	44.77
6010	0.050	0.010	0.125	2.11	11.39	0.025	0.005	0.010	8.89	43.78
TMM-3	0.060	0.015	0.200	2.42	17.36	0.030	0.005	0.025	9.95	55.47
TMM-4	0.060	0.005	0.200	2.42	14.80	0.030	0.005	0.020	9.30	52.50
TMM-6	0.050	0.005	0.200	2.76	11.81	0.025	0.005	0.015	9.65	48.36
TMM-10	0.050	0.005	0.175	2.82	10.68	0.025	0.005	0.010	8.89	46.10

通过对表格对比发现：

使用宽边和边缘带状线耦合器的设计方法所有PCB板材的边缘距均小于0.06mm，中心板距小于0.015mm，线板距小于0.2mm，板间距最大为0.031，说明使用该方法可以显著优化器件的耦合边缘性能；

耦合宽度最大为2.82，最小可达1.47，耦合性能优异；

间距比最大为22.53，线距为统一的0.005mm，线宽均不超过0.025mm，有利于减小PCB的尺寸，提高EMC性能。

耦合系数较小，整体阻抗比均小于60，说明系统的耦合性能优异。实验说明：宽边和边缘带状线耦合器的设计方法可以很好的提高PCB的性能。

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