定向耦合器论文波形发生器论文

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。 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 mm。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