1、定向耦合器论文波形发生器论文 波段小型化定向耦合器的设计 摘要:本文简述了定向耦合器的基本原理及其应用。经过理论分析、电气结构 的设计、电磁场软件仿真，并给出了实际加工测试的结果。通过试验验证了该 设计方法的正确性。根据本文介绍的方法，可以设计其它频率的或面耦合方式 的定向耦合器。 关键词:小型化;偶奇模;仿真;定向耦合器 一、引言 定向耦合器在微波技术中广泛应用。监视微波信号、合成和分配等。尤其 是在微波大功率系统中，通过定向耦合器从主线中，耦合一部分能量，测量微 波信号的功率、频率和频谱。定向耦合器有各种各样的类型和结构形式，从传 输线类型来分有波导、同轴、带线和微带定向耦合器等。根据不同
2、的系统，对 定向耦合器的耦合强度、平坦度和具体的结构形式要求也不同。本文介绍一种 大功率定向耦合器，结构采用带线的侧耦合方式，其电路简单、方向性好、可 靠性高，体积小，适应电子技术的发展要求，可应用于通讯和雷达系统，也可 以成为混频器的组成部分。 二、定向耦合器的分析 定向耦合器是一个的四端口网络，它有输入端口、直通端口、耦合端口和 隔离端口。主要的技术指标有耦合度、定向性。耦合度为输入功率与耦合功率 比的分贝值；定向性为耦合功率与隔离端口的功率比的分贝值。耦合度由系统 的要求决定，在理想情况下隔离端应该没有功率输出，定向性为无穷大，实际 情况中隔离端口有一些功率输出，显然，输出功率越小越好。
3、 一般的四端口定向耦合器，可采用网络理论散射矩阵来分析它们的共性， 定向耦合器一般情况下都是可逆的，所以有：，其中，i、j 互不相等。本文 设计的定向耦合器工作频率为 600MHz800MHz。频率比较低，考虑到体积小、 大功率的要求，因此，选用的传输线的结构为带线形式，端口可以采用同轴线 或微带线输出，在耦合方式上，采用平行耦合线的形式，结构可以认为对称的， 传输线上的损耗可以忽略，对于端口完全匹配的情况下，则平行耦合带线，由 四分之一波长等宽的耦合平行线段组成，结构形式有边缘耦合和中心耦合。中 心耦合的直通传输线和耦合传输线不在一个平面上，耦合线的空间位置重叠且 平行。边缘耦合定向耦合器通
4、过直通传输线和耦合传输线的侧面，在一个共面 进行能量交换。平行耦合带线的分析，通常采用偶奇模法分析，偶模激励下， 两导体带上具有数量相等符号相反的电荷，对称面为磁壁，偶模的分布电容比 孤立的带线的分布电容小。与此相对应的是奇模的分布电容比孤立的带线的分 布电容大，可以看到偶奇模的特性阻抗是不相同的。 平行耦合带线的输入端的激励，分解为偶奇模的激励，可以将耦合线的问 题，归纳到特性阻抗分别为偶奇模特性阻抗的孤立传输线，利用叠加原理得到 全对称的四端口网络结构的 S 参数矩阵： 其中： 为耦合区的电长度。在相同结构的对称耦合线上，它们所决定的特性 阻抗是不同的。各端口理想匹配条件为，此时隔离端无能
5、量输出。即，可以实 现定向耦合器的功能。 三、 定向耦合器的设计 平行耦合带线的关键尺寸为耦合带线的宽度及间距。根据中心频率的耦合 度的要求，计算出偶奇模的特性阻抗，由此可以得到定向耦合器的结构尺寸。 设计要求：设计 20dB 的耦合带线定向耦合器，空气填充介质，选取带线的厚 度为，工作频率，输入与输出端的特性阻抗为。 根据无反射条件以及耦合带线奇偶模的特性阻抗与耦合度的关系，可以得 到。因此可以确定带线的宽度及间隙的近似数值 对于四分之一波长的平行耦合线，取耦合段长度近似为：。 需要指出的是在耦合段以外的区域，主、辅线的引线之间应该避免寄生耦 合。可以采取增加两者之间的距离；耦合段存在着相互
6、线影响，单线的特性阻 抗必须与标准线的特性阻抗相等，因此耦合段部分的线宽与引出线是不相同的。 对于微波器件普遍存在着理论计算与实际结果之间的误差。由于波长短， 影响的因素多且不能忽略，通过实践过程中，对器件的尺寸进行修改，预期达 到设计的技术指标，需要的时间较长，我们采用了电磁场仿真软件，对设计的 定向耦合器的理论数值进行仿真。 建立定向耦合器的腔体、平行耦合线的模型。将腔体的内表面定义为理想 的导体面，同时选取腔体尺寸为 110 mm30 mm10mm。将平行耦合线定义为 材料为铜的导体，尺寸在设计的基础上并多次修改，最终的传输线耦合部分的 尺寸为 104 mm9 mm1mm，间隙为 4 m
7、m。对定向耦合器的四个端口需要进行 匹配设计，实际上，由于尺寸的限制，端口反射损耗并不是很理想。最后，对 端口加上激励电磁场，在工作频率范围内仿真并得到结果。 四、定向耦合器的结果 设计的结果只是理论值，经过电磁场软件仿真后，还需要通过实验进行检 验和效正，根据设计的结果加工元件的尺寸，此后还有大量的工作在于测量、 调试和修改设计尺寸，最终达到预定的技术指标。 在仿真过程中，对定向耦合器的模型，不断修改结构尺寸，经过多次计算， 最终得到的结果如图 1。 图 1 定向耦合器的仿真结果 根据仿真的结果进行加工和调试，最终在网络分析仪上进行测量，测量结 果如表 1 表 1 定向耦合器的测量结果 比较
8、仿真结果与测量结果：耦合度两者均为 20dB，方向性有一些区别， 端口的驻波也有所不同，与理论分析的结果相吻合。 本文介绍了四分之一波长定向耦合器的设计公式的推导，及工程实用中实 现器件功能的实用的设计步骤和仿真方法，经过实验测量并且与仿真结果比较。 充分证明了该设计方法的正确性和可行性，具有十分重大的工程使用价值。 参考文献 1 张爽 , 王家礼 超宽带定向耦合器的设计J 无线电工程 2003 年 12 期 2 张德斌 , 凌天庆 一种高定向性宽频带微带定向耦合器的研究J 微 波学报，2001 年 4 期 3 林为干 微波网络M国防工业出版社，1978 4 甘本祓 冯亚伯等 微波技术M(第一分册) 西北电讯工程学院，1978 5 王新稳 李萍 微波技术与天线M 电子工业出版社，2003
