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550MHZ,3dB定向耦合器的设计通信与电子信息系 应用电子技术摘要微波技术中的定向耦合器，在微波系统中起着对微波能量的定向传输、分配、衰减等作用。本文主要介绍一种简单的定向耦合器设计，以条带线为技术，其机械参数为条带的宽度，以及条带间隔与接地板间隔之间的归一化参数。电参数为介电常数，特性阻抗，归一化偶模阻抗：利用文献12中推导出的公式和归一化偶模阻抗值，制造一个中心频率为550MHz3dB定向耦合器。关键字：微波 定向耦合器 耦合 条带引言我的实习单位是中国电子科技集团公司第五十一研究所，又称上海微波设备研究所。我的任务主要是各微波模块的焊接，安装 与调试。微波技术是近代科学研究的重要成就之一。几时年来它已发展成了比较成熟的学科，在雷达、通信、导航、电子对抗等许多领域得到了广泛的应用。雷达或称雷达检测和定位，也许是微波技术最有优势的应用。由于微波具有频率高，频带宽，信息量大的特点，所以被广泛应用于各种通信业务，包括微波多路通信，微波中继通信，移动通信和卫星通信。移动通信和互联网是当今世界电信业发展最快、市场潜力最大、前景最广阔的两大业务。它从早期短波频段及电子管技术发展到公众移动电话系统，无线寻呼系统,以及至今的移动计算机及移动多媒体，还有我们随处可见的各种手机等,其前景一片光明。 微波技术中的任何一个微波系统都是由许多功能不同的微波元件和电路组成，与低频电路中集总参数的电感、电容和电阻元件不同，微波元件由微波传输线构成，在系统中起着对微波能量的定向传输、分配、衰减、储存、隔离、滤波、相位控制、波形转换、阻抗匹配和变换的作用。作为微波原件中的一种定向耦合器又称方向耦合器，因为这种器件的输入和输出信号间除了幅度关系外，还有一定的方向性关系。定向耦合器是一种通用的微波/毫米波部件，可用于信号的隔离、分离和混合，如功率的监测、源输出功率稳幅、信号源隔离、传输和反射的扫频测试等。主要技术指标有方向性、驻波比、耦合度、插入损耗。现在国内外研究定向耦合器都向体积小、功率容量大、频带宽、插入损耗小，有良好的驻波比和方向性等发展。如今已研制出的高性能的耦合器，如中国电子科技集团公司第四十一研究所研制的耦合器，频率范围可从30kHz达到110GHz，耦合度也有3dB、10dB、20dB各种型号，且它的功率有的可以达到10KW，例如AV70606耦合器，它在保证方向性大于30dB的情况下，功率就可达到10KW。甚至有些公司在耦合度控制在10dB的情况下，它的回波损耗可以低于-50到-60dB，甚至更低。然而在某些特性场合，对耦合器的要求也是越来越高，因而更加优良的耦合器也有待我们去研究。 正文：一耦合传输线定向耦合器 耦合传输线可以做成具有非常优良的宽带性能的定向耦合器，并且对于所有频率和所有各种不同耦合度在理论上都可达到无穷大的定向性和恒定输入阻抗。这种形状的基本定向耦合器简于图1 , 它简单地由一对耦合传输线所组成。如图所示，耦合波的幅度近似地随频率正弦变化。图1所示耦合器形式，文献1已作了基本分析，这种耦合器的最大耦合发生在耦合长度等于1/4 的奇倍数时。通常这种耦合器在中心频率设计1/4 ,可得到较宽的频带和均匀的耦合度，为了使尺寸最小，并且中等带宽达2:1，四分之一耦合范围是最合适的。将中间的1/4 耦合器耦合得较两端的1/4 耦合为紧，则可得到最大平滑或等起伏的响应。耦合传输线的耦合方向是向后的而不是向前的。因此，如一个讯号被馈入一个口，则耦合讯号就从其相邻的口输出，而其对角一只则被隔离。例如图口1被激励，则耦合波从口2发出，而在口4则无讯号。在一个理想的无损耗的结构，从口3输出的功率简单地等于输入功率减去耦合功率。简单的理解，即1端输入，2端耦合输出，3端直通，4端隔离端。二任务提出及方案选择设计一个中心频率550MHz，3dB定向耦合器指标如下：1 频率范围：370750 MHz2 耦合度：30.5dB3 定向性：13dB4 输入/输出驻波比：1.55 输入/输出接头：50 欧SMA同轴连接头耦合器的耦合方式选择应该是易于加工，制作，体积小，重量轻。一个1/4 型耦合器传输线可以用于一个倍频程而近似地保持恒定耦合度。 三设计理论依据定向耦合器耦合传输线理论分析的结果，在各端的特性阻抗为Z0时，在端2耦合电压V2 对端1输入电压之比： (1)而直通臂的口3的电压V3 为： (2)在口4的电压V4在所有频率为零。在此，为耦合区域的电长度。在算术中心频率为四分之一波长，系数K是在中心频率耦合系数的幅度。依奇模和偶模特性阻抗系数K为定义为： (3)其中Z1是奇模特性阻抗（当条带电位是相等但相反时，一个条带对地的阻抗）而Z2偶模特性阻抗（当条带是同样电位时，一个条带对地的阻抗）。 (4) (5) (6) (7) (8)其中 Cf2 和 Cf1 分别为奇模和偶模单位长度的边缘电容，为条带线截面的媒质相对的介电常数。这个关系在下面的条件内有效： (9) (10)这些条件意味着条带在相对边缘的边缘场是隔离的，因此，边缘电容是不依靠条带宽度，边缘电容仅仅是s/b 的函数，并且由下式给出 (11) (12)条带宽度w可以从式（7）和（8）中消去，结果为： (13)奇模和偶模边缘电容是不独立的，它们可以从式（11）和（12）中求得 (14)带入（13）得 (15)从这里得到s/b。从耦合器材料选择，从条带到接地板的距离d已知。显然地，对于0厚度 (16)s和b考虑是已知量，现可以表示 (17) (18)从式（7）能获得w/b表达式 (19)Cf2仅仅是 s/b的函数。四计算结果选择中心频带耦合为2.83dB, 代入式（5）（6），通过计算Z1=20.1欧姆，Z2=124.5欧姆。从式（15）求得 s/b=0.09，对于材料厚度 t= 1.58mm， S和B 的尺寸从式（17），（18）分别得0.30mm和3.5mm。 为2.32，从式（7）得 w/b =0.42,结果条带宽 w为1.448mm时，在 为2.32时条带长度是89.9mm。图2 耦合器截面图2 耦合器截面耦合器上下盖板和中间薄板均选择介电常数为2.65聚四氟乙烯玻璃布增强板，成熟的印制版加工工艺使得该电路能很方便地加工，不会使性能有显著的降低。微小型连接器更有助于保持体积和重量至最小。最终的耦合器的总尺寸仅为114*19*20mm，整个的重要包括连接器只有300克。该耦合器的测量结果，从375750MHz，耦合变化为0 .5db。在频带中间定向性相当高，超过30 分贝，在频带边缘降低到18分贝左右, 驻波SWR小于1.3。五实验延伸所有条带定向耦合器，在理论和实验之间一致性非常好，3dB四分之一波长耦合器在2：1频带内几乎具有恒定耦合度，而对称的TEM模耦合传输线定向耦合器的综合方法，参照大量的文献，都有比较完整的叙述，利用文献中提供的公式和归一化偶模阻抗值，能够得到较为精确的实际尺寸，耦合器的初步测试结果与理论上耦合响应颇为一致，但是其方向性较差，这可归于各级过渡的不连续性，由于耦合级之间的阶梯所引起的内部反射，可以采用折线方法加以修正。这在四分之三波长耦合器中将会碰到。折线的几何尺寸，通过大量实验的手段确定，如图3.图3结论微小型条带线耦合器可以从本文给出的设计资料和制造技术来设计制造，设计程序已减少到几个简单的公式和图表。这个程序，虽然简单，但对于薄条带线的情况已足够准确，这种制造技术可以到4GHz。要制造一个性能优良的耦合器，必须对其所有呈现的不连续性加以修正，包括耦合线与50 欧姆带状线的直角弯角和 50 欧姆带线状与 SMA 座之间的连接，通过大量的实验手段获得了最佳值，使耦合器匹配良好。利用以上叙述的方法，已经成功地制造了一个中心频率550MHz，3dB 的定向耦合器，它的性能达到了规定的要求。在我实习期间，可以说我接触到了许多关于微波专业的知识，对各种微波模块进行了安装与调试，如功分器、滤波器、耦合器、鉴相器等。虽然，这些我以前从未接触过，但通过师傅的教导，我现在已经对这些器件的原理都有了不同程度的了解，但我知道我现在了解的只不过都是基础，深知了解这些是远远不够的。所以，既然我选择了这个行业，知道了自己的不足，那我就要在今后的工作中做到三点：多看、多问、多学，从而不断使自己提高。为此我希望能在不久的将来能够从现在对模块的安装与调试，做到对模块的设计，从而在所里能创出属于自己的一片新天地。致谢本论文的设计主要是我在实习单位的师傅李元的悉心指导下完成的。可以说李师傅在我进五十一所后，不论在学习上还是在工作中，都给了无微不至的关怀，每当我在工作中碰到困难和不懂的问题都能耐心的和我讲解，可以说他让我受益匪浅。从这次的论文课题开题到课题的设计，学作等一系列问题都是在他的细心指导下完成的。经过进半年的实习时间下来，李师傅渊博的专业知识，精益求精的工作作风，严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远，让我在不断提高专业知识的同时，也提高了个人素质，相信也必将在今后的工作和学习中继续指引我前进。在此对李师傅表示我最诚挚的谢意！我还要感谢大学三年给我很大指导和帮助的辅导员钱慧娟，能成为她的学生是我的荣幸，在此瑾向钱老师表示我最诚挚的谢意！同时，还要感谢我大学的实习指导老师苏桂英。最后，感谢我的家人，是他们在我的学习和生活上给予了我巨大的物质和精神上的支持，让我不怕困难，勇往直前，坚持到底！谢谢他们！参考文献：1. J. PAUL. Shelton “Impedances of Offset Parallel-Coupled Strip Transmission Lines” MTT-14 , No .1 January 1996 , PP . 7-15.