作為一個(gè)射頻工程師，能夠留名青史的不多。我們大家所熟悉的除了Smith 大神和Wilkinson 大神，另一個(gè)就是Julius Lange 了。Smith圓圖和Wilkinson功分器都不用再多做介紹了。我們今天來(lái)講述一下另一個(gè)留名射頻史的工程師 Julius Lange 和他的Lange 耦合器

No.1 Lange 耦合器的歷史

我們先聽(tīng)一下Dr. Lange 是如何講述這段發(fā)明的故事的

“In 1969 we at Texas Instruments were building microwave amplifiers on thin film ceramic substrates. We were using the scheme invented by Engelbrecht at Bell Labs, which required 3-dB quadrature couplers. The challenge was to get tight coupling on single layer microstrip. On the other hand our transistors had too much coupling between the interdigitated base and emitter fingers. So why not an interdigitated coupler? I built it; and it did not work well. Then I remembered that geometric symmetry guarantees quadrature, a 90° split between the outputs. So I moved some of the crossovers from the ends to the middle; and it worked! We had a microstrip interdigitated quadrature coupler with low loss and wide, one octave, bandwidth. ”

1969年，當(dāng)時(shí)在TI工作的Dr. Lange 接到了一個(gè)棘手的項(xiàng)目。當(dāng)時(shí)的TI要研發(fā)一款基于陶瓷基板的射頻放大器，在這個(gè)放大器里面需要一個(gè)3dB耦合器，然而在當(dāng)時(shí)的條件下，微帶耦合器很難實(shí)現(xiàn)3dB的緊耦合。即使現(xiàn)在，在同層PCB上，靠窄邊耦合，也很難實(shí)現(xiàn)如此大的強(qiáng)耦合。如果這個(gè)問(wèn)題給你，你會(huì)怎么解決呢？很快我們都會(huì)想到了交指，用交指來(lái)實(shí)現(xiàn)微帶線(xiàn)見(jiàn)的強(qiáng)耦合，這個(gè)在現(xiàn)在濾波器設(shè)計(jì)中會(huì)經(jīng)常用到，比如下面這張圖。實(shí)際上 Lange也想到了這個(gè)方法，但是在實(shí)際設(shè)計(jì)中又遇到了對(duì)稱(chēng)性的問(wèn)題，在這一個(gè)一個(gè)問(wèn)題的排查解決過(guò)程中，一個(gè)偉大的耦合器就此產(chǎn)生——Lange耦合器。

J. Lange 是幸運(yùn)的，他接到了一個(gè)好項(xiàng)目，讓他有機(jī)會(huì)去尋找這個(gè)問(wèn)題的解決方法。換做是你，也許這個(gè)耦合器前面加的就是你自己的名字。不能怪我們不夠聰明，只能說(shuō)自己生的太晚了。

Dr. Lange 緊接著就發(fā)表了這篇著名的論文“Interdigitated Strip-Line Quadrature Hybrid”，當(dāng)然也擁有了這個(gè)耦合器的專(zhuān)利US3516024。（需要的同學(xué)可以在公眾號(hào)對(duì)話(huà)框輸入 Lange，獲得下載鏈接。）

No.2 Lange 耦合器的原理

Lange耦合器是一種正交混合耦合器，在輸出端口（端口2和端口3）之間有90°的相位差。Lange耦合器的微帶電路設(shè)計(jì)如下圖所示。為了達(dá)到強(qiáng)耦合，此處用了四根相連接的耦合線(xiàn)，這種耦合線(xiàn)很容易實(shí)現(xiàn)強(qiáng)耦合，并且有一倍頻程以上的帶寬。其難點(diǎn)是實(shí)際加工比較困難，主要是線(xiàn)比較窄且間隙很小，另外的橫跨在線(xiàn)之間的連接線(xiàn)也很難實(shí)現(xiàn)。

于是人們就把原始的Lange耦合器做了展開(kāi)設(shè)計(jì)，如下圖所示。

展開(kāi)型的Lange耦合器設(shè)計(jì)就稍微簡(jiǎn)單點(diǎn)，但是原理同Lange原型一樣。展開(kāi)型的Lange耦合器可以用等效電路模擬，如下圖所示，它由四根導(dǎo)線(xiàn)組成，所有這些導(dǎo)線(xiàn)都有相同的線(xiàn)寬和間隙。如果我們假設(shè)每根導(dǎo)線(xiàn)只與相鄰的導(dǎo)線(xiàn)進(jìn)行耦合，忽略較遠(yuǎn)的導(dǎo)線(xiàn)的耦合，那么其等效電路可以展開(kāi)成兩根平行耦合線(xiàn)。然后就可以用耦合線(xiàn)的分析方法去分析Lange耦合器。

分析方法我們不再詳述，具體可參考論文“A NOVEL APPROACH TO THE DESIGN AND IMPLEMENTATION OF 3 dB LANGE COUPLER FOR MMIC Ka-BAND QPSK MODULATOR”

比較方便的是很多的射頻仿真軟件上集成了Lange 耦合器的模型，我們可以直接調(diào)用模型進(jìn)行仿真。比如ADS里面的這個(gè)模型。

我們調(diào)用這個(gè)模型就可以進(jìn)行仿真。

小木匠說(shuō)：這個(gè)看似復(fù)雜的Lange耦合器，其實(shí)原理也很簡(jiǎn)單。我們?cè)诮鉀Q實(shí)際問(wèn)題的時(shí)候，很多時(shí)候，自然而然的就解開(kāi)了。所以，不要怕出問(wèn)題。沒(méi)問(wèn)題才是最可怕的。當(dāng)你解開(kāi)時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)，其實(shí)原理就是這么簡(jiǎn)單。這也是我們?cè)?a href="http://m.makelele.cn/v/tag/1225/" target="_blank">5G射頻圈兒不斷地去嚼書(shū)本，去啃基礎(chǔ)知識(shí)的原因。

這個(gè)交指結(jié)構(gòu)在微波濾波器設(shè)計(jì)中會(huì)經(jīng)常用到，尤其是在寬帶電容耦合情況下。

關(guān)于Lange耦合器的一些論文和專(zhuān)利下載請(qǐng)?jiān)诠娞?hào)對(duì)話(huà)框輸入：Lange 獲取下載鏈接。

審核編輯：湯梓紅