作為一個射頻工程師，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。我們今天來講述一下另一個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，當時在TI工作的Dr. Lange 接到了一個棘手的項目。當時的TI要研發(fā)一款基于陶瓷基板的射頻放大器，在這個放大器里面需要一個3dB耦合器，然而在當時的條件下，微帶耦合器很難實現(xiàn)3dB的緊耦合。即使現(xiàn)在，在同層PCB上，靠窄邊耦合，也很難實現(xiàn)如此大的強耦合。如果這個問題給你，你會怎么解決呢？很快我們都會想到了交指，用交指來實現(xiàn)微帶線見的強耦合，這個在現(xiàn)在濾波器設計中會經(jīng)常用到，比如下面這張圖。實際上 Lange也想到了這個方法，但是在實際設計中又遇到了對稱性的問題，在這一個一個問題的排查解決過程中，一個偉大的耦合器就此產(chǎn)生——Lange耦合器。

J. Lange 是幸運的，他接到了一個好項目，讓他有機會去尋找這個問題的解決方法。換做是你，也許這個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”，當然也擁有了這個耦合器的專利US3516024。（需要的同學可以在公眾號對話框輸入 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計如下圖所示。為了達到強耦合，此處用了四根相連接的耦合線，這種耦合線很容易實現(xiàn)強耦合，并且有一倍頻程以上的帶寬。其難點是實際加工比較困難，主要是線比較窄且間隙很小，另外的橫跨在線之間的連接線也很難實現(xiàn)。

于是人們就把原始的Lange耦合器做了展開設計，如下圖所示。

展開型的Lange耦合器設計就稍微簡單點，但是原理同Lange原型一樣。展開型的Lange耦合器可以用等效電路模擬，如下圖所示，它由四根導線組成，所有這些導線都有相同的線寬和間隙。如果我們假設每根導線只與相鄰的導線進行耦合，忽略較遠的導線的耦合，那么其等效電路可以展開成兩根平行耦合線。然后就可以用耦合線的分析方法去分析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)用模型進行仿真。比如ADS里面的這個模型。

我們調(diào)用這個模型就可以進行仿真。

小木匠說：這個看似復雜的Lange耦合器，其實原理也很簡單。我們在解決實際問題的時候，很多時候，自然而然的就解開了。所以，不要怕出問題。沒問題才是最可怕的。當你解開時，會發(fā)現(xiàn)，其實原理就是這么簡單。這也是我們在5G射頻圈兒不斷地去嚼書本，去啃基礎知識的原因。

這個交指結構在微波濾波器設計中會經(jīng)常用到，尤其是在寬帶電容耦合情況下。

關于Lange耦合器的一些論文和專利下載請在公眾號對話框輸入：Lange 獲取下載鏈接。

審核編輯：湯梓紅