彻底颠覆传统耦合器设计！2-bit 片段结构让定向耦合器实现宽频高定向性

在 RF / 微波系统中，定向耦合器就像 “信号分拣员”，负责精准分离正向、反向功率，其性能直接决定通信、雷达等设备的稳定性。但传统设计始终绕不开三大痛点：依赖工程师经验预设结构、精细结构难实现、宽频与高定向性难以兼顾。

而《Design of Planar Directional Coupler using 2-Bit Fragment Structures》一文，提出了基于 2-bit 片段结构（2-bit FTS）的自动优化方案，彻底打破传统设计瓶颈，用 “编码 + 算法” 实现了定向耦合器的高效创新设计。今天就结合文章图例，拆解这项黑科技！

 核心创新 1：2-bit FTS 编码 —— 给 “设计单元格” 装上新工具

传统 1-bit 片段结构（FTS）只能实现 “有金属 / 空” 两种状态，想做精细结构就得大幅扩大设计矩阵，优化难度直接翻倍。而 2-bit FTS 的核心突破，是给每个离散单元格加了 “精细操作选项”。

1. 四种核心元素，覆盖精细结构需求

论文设计了四种 2-bit 编码对应的片段元素，就像给设计师准备了四套基础工具：

00：空单元格（无金属）01：水平细线（宽度 s=0.2mm，适配 PCB 加工精度）10：垂直细线（延伸 w₁=0.34mm、w₂=0.3mm，确保和相邻单元格连接）11：全金属单元格

关键细节：通过参数 g=0.1mm 设置微小间隙，让相邻单元格天然形成间隙耦合，为宽频性能打下基础。

2. 简单编码流程，高效生成设计矩阵

不用复杂操作，只需 5 步就能生成包含精细结构的设计矩阵：

把 PCB 上的耦合器设计空间，拆分成 m×n 个小单元格；给每个单元格分配 “0/1”（1 = 金属，0 = 空），形成 1-bit 基础矩阵；加一层 “控制矩阵”，给 1-bit 代码配 “1/0”，组合成 2-bit 编码；最终 “11 = 全金属、10 = 垂直线、01 = 水平线、00 = 空”；生成的 2-bit 设计矩阵仅为 1-bit 的两倍，却能实现传统 1-bit 需要超大矩阵才能做到的精细结构，大幅降低优化难度。

核心创新 2：无预设自动优化 —— 让 AI 当 “专属设计师”

传统定向耦合器设计，工程师得先预设耦合线、谐振器等结构，再反复调试参数，耗时又依赖经验。而 2-bit FTS 方案实现了 “零预设、全自动化” 设计：

1. 流程全自动化，无需人工干预

第一步：定义设计空间（论文中是 5.15mm×8.2mm，拆分成 12×6 个单元格）；第二步：设定 5 个核心目标函数（覆盖耦合度、带宽、隔离度等关键指标）；第三步：用 MOEA/D-GO 算法搜索最优 2-bit 设计矩阵，50 次迭代后直接输出物理布局；关键优势：全程不用预设任何结构（比如传统的耦合线、补偿元件），输入性能指标就能得到最优结构，像 “AI 设计师” 一样自主完成设计。

2. 实物布局直观呈现

• 图 3 是 20-dB 耦合器的优化布局：通过 2-bit 编码的精细组合，天然形成了适配宽频的间隙耦合结构，无需额外开槽；

• 图 5 是 10-dB 耦合器的实物布局：对称设计确保性能稳定，所有精细线条和间隙都由算法自动优化生成，加工后完全符合设计预期。

核心创新 3：性能全面突破 —— 宽频、高定向、紧凑三者兼得

再好的设计方案，最终要靠性能说话。论文通过实物制作与测试，验证了 2-bit FTS 方案的超强实力：

1. 关键性能数据（基于 FR4 基板，1.6mm 厚度）

• 20-dB 耦合器（图 4）：1.5-2.5GHz 频段（50% 相对带宽），最小定向性 27.5dB、最大 49dB，插入损耗≤0.8dB，隔离度最高 69dB，耦合度稳定在 20dB±0.5dB；

• 10-dB 耦合器（图 6）：1.62-2.34GHz 频段（36% 相对带宽），

峰值定向性达 58dB

（同类产品顶尖水平），最小定向性 27.5dB，相位差稳定在 90°±0.5°，实测隔离度最高 68dB；紧凑尺寸：设计面积仅 0.25×0.1λg（λg 为导波波长），比同类宽频耦合器更小巧，易集成到设备中。

2. 同类产品对比

和传统 10-dB 定向耦合器相比，2-bit FTS 方案的优势一目了然：

带宽 36%，远超文献 [7] 的 8.7%、文献 [10] 的 24%；峰值定向性 58dB，大幅领先文献 [4] 的 28dB、文献 [7] 的 40dB；尺寸保持紧凑，无需多层结构或特殊材料，降低量产成本。

应用场景：从通信到雷达，全场景适配

这项创新设计并非实验室产物，而是完全面向实际应用：

RF / 微波系统：适配各类通信设备的信号检测需求，提升系统稳定性；无线通信设备：宽频特性适配多频段通信，高定向性减少信号干扰；雷达与传感设备：紧凑尺寸 + 高精准度，满足设备小型化、高性能需求；工业电子：适配 PCB 批量加工，无需特殊工艺，降低生产门槛。

技术启示：设计范式的彻底转变

2-bit FTS 方案的成功，核心在于它跳出了 “依赖经验、手动调试” 的传统思维，用 “编码 + 算法” 重构了定向耦合器的设计逻辑：

不用 “预设结构”，而是让算法挖掘设计空间潜力；不用 “扩大矩阵”，就能高效实现精细结构；不用 “妥协性能”，实现了宽频、高定向、紧凑的三者兼顾。

这种 “输入指标→算法优化→输出结构” 的自动化设计范式，不仅为定向耦合器设计提供了新路径，更有望推广到各类平面微波电路，推动电子设备设计进入 “AI 自主创新” 时代。

总结：不止是耦合器，更是设计思维的革新

这项基于 2-bit FTS 的创新设计，用 58dB 峰值定向性、36% 宽频带、紧凑尺寸的硬核性能，解决了传统定向耦合器的长期痛点。它证明了：电子电路设计可以摆脱对经验的依赖，用 “编码 + 算法” 实现高效、精准的创新。

你觉得这项技术还能应用在哪些微波电路设计中？欢迎在评论区留言讨论！

注释：文章截图来自论文，仅供学习参考，如有侵权，请联系删除。

原文下载：DOI: 10.1109/NEMO49486.2020.9343552

加入知识星球，获取更多资料