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硕十论文 宽频带l t c c 微波3 d b 定向耦合器的研究与设计 摘要 现代电子对抗系统、测量仪器系统的发展，使得微波系统覆盖了越来越宽的频带； 随着人们对便携化，集成化的不断追求，作为微波系统中广泛使用的定向耦合器，人们 对其带宽和体积提出了更高的要求。众所周知，多节宽边耦合带状线定向耦合器和l a n g e 耦合器可以达到宽频带、高性能。然而单节宽边耦合带状线耦合器的带宽一般只有一个 倍频程左右，而l a n g e 耦合器中有些互联必须使用金丝键合实现跳线或采用其它复杂工 艺实现跨接互联。本文设计均用l t c c ( l o wt e m p e r a t u r ec o f i r e dc e r a m i c ) 叠层技术实 现，l t c c 作为提高射频电路集成度的模块技术成为了当前的研究热点和重点。 本文从基础理论出发，实现了三款宽频带l t c c 微波3 d b 定向耦合器，其显著优点 是性能优、体积小、可靠性高、电性能一致性好、成本低且适于大批量生产。所设计三 款宽频带l t c c 微波3 d b 定向耦合器的工作频率分别为：2 0 0 m h z , - 6 0 0 m h z 、 1 7 g h z 一2 0 g h z 、2 g h z - - 6 g h z 。其中2 0 0 m h z 一6 0 0 m h z 、1 7 g h z 。2 0 g h z 采用单节宽边 耦合带状线结构，2 g h z - - 6 g h z 耦合器是l a n g e 结构结合l t c c 工艺，实现l a n g e 桥中 电路的跨接互联，最终实现了微型、宽频带、高性能定向耦合器。对2 0 0 m h z , - 6 0 0 m h z 、 1 7 g h z 一2 0 g h z 两款定向耦合器进行了加工和测试，结果如下： 2 0 0 m h z , q s 0 0 m h z 定向耦合器，体积1 7 m i n x1 2 m m x1 8 m m ，实测插损0 4 d b ，驻波 1 2 5 ，隔离2 0 d b ，幅度平衡0 3 d b ，相位平衡9 0 + _ 3 。，平均功率容量8 0 w 。 1 7 g h z 2 0 g h z 定向耦合器，体积6 3 5 m m x 5 0 8 m m x1 3 6 m m ，实测插损0 4 d b ， 驻波1 2 8 ，隔离1 8 d b ，幅度平衡0 3 5 d b ，相位平衡9 0 + _ 3 。，平均功率容量3 5 w 。 2 g h z 一6 g h zl a n g e 定向耦合器，体积7 0 m mx2 2 1 4 m m ，软件仿真是插损o 3 d b ， 驻波1 2 8 ，隔离1 8 d b ，幅度平衡l d b ，相位平衡9 0 + _ 3 。 设计结果与测试结果吻合良好。 本文工作是国家自然科学基金项目( 基金号：6 0 6 7 1 0 3 8 ) “基于封装的数字波束形 成射频系统基础研究”的一部分。 关键字：微型化，宽频带，定向耦合器，l a n g e ，低温共烧陶瓷( l t c c ) a b s t r a c t 硕i ：论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e me l e c t r o n i cc o u n t e r m e a s u r e ss y s t e ma n dm e a s u r i n g i n s t r u m e n ts y s t e m ，m i c r o w a v es y s t e mf r e q u e n t l yb e c o m e sw i d e ra n dw i d e r p e o p l ep u ta h i g h e rb a n d w i d t ha n ds i z er e q u i r e m e n t sf o rd i r e c t i o n a lc o u p l e ra st h ec o n s t a n tp u r s u i to f p o r t a b i l i t ya n di n t e g r a t i o n ，w h i c hi sw i d e l yu s e di nm i c r o w a v es y s t e m a sw ea l lk n o w , m u l t i p l eb r o a d s i d e c o u p l e ds t r i p l i n ed i r e c t i o n a lc o u p l e r sa n dl a n g ec o u p l e r sc a na c h i e v e w i d eb a n d w i d t ha n d h i g hp e r f o r m a n c e h o w e v e r , t h e b a n d w i d t ho fa s i n g l e b r o a d s i d e - c o u p l e ds t f i p l i n ec o u p l e ri so n l yo n e o c t a v eo rs o l a n g ec o u p l e rh a v et ou s eg o l d o rj u m p e rw i r ep r e s sw e l d e rw e l d i n g t h ed e s i g no ft h i sp a p e ri sa l lr e a l i z e db yl t c c ( l o w t e m p e r a t u r ec o f i r e dc e r a m i c ，l t c c ) t e c h n o l o g y a so n et e c h n o l o g yo fi n c r e a s i n gr f m o d u l ei n t e g r a t i o n ，l t c ch a sb e c o m et h ec u r r e n tr e s e a r c hf o c u sa n de m p h a s i s t h i sp a p e rs t a r tf r o mb a s i ct h e o r y , a c h i e v et h et h r e eb r o a d - b a n dm i c r o w a v el t c c3 d b d i r e c t i o n a lc o u p l e r , i t ss i g n i f i c a n ta d v a n t a g ei se x c e l l e n tp e r f o r m a n c e ，s m a l ls i z e ，h i g h r e l i a b i l i t y , e l e c t r i c a lp e r f o r m a n c ea n dg o o dc o n s i s t e n c y , s u i t a b l ef o rm a s sp r o d u c t i o na n dl o w c o s t f r e q u e n c yf r o ml o wt oh i g hw e r e2 0 0 m h z 6 0 0 m h z 、1 7 g h z 一2 0 g h z 、2 g h z , - 6 g h z r e s p e c t i v e l y 2 0 0 m h z - 6 0 0 m h z 、1 7 g h z 一2 0 g h zu s eb r o a d s i d e c o u p l e ds t r i p l i n es t r u c t u r e 2 g h z 一6 g h z c o u p l e rs t r u c t u r ed e s i g nc o m b i n e sw i t hl t c ct e c h n o l o g y , b yi m p r o v i n gt h ea i r b r i d g el a n g e ，i tr e a l i z e sab r o a d b a n dc o u p l e ra n ds m a l lv o l u m e i nt h i sp a p e r , w i t h o u tg o l d b o n d i n g ，l a n g e se l e c t r i c a lp e r f o r m a n c ei si ng o o dc o n s i s t e n c y , t h u ss u i t a b l ef o rb a t c h h e r e t h et w od i r e c t i o n a lc o u p l e r s2 0 0 m h z 6 0 0 m h z 、1 7 g h z 一2 o g h zw e r eb e i n gp r o d u c e da n d t e s t e d t h i ss t u d yi sp a r to ft h es t u d yo ft h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( f u n dn u m b e r ：6 0 6 7 10 38 ) ”p a c k a g eo fd i g i t a lb e a m f o r m i n gb a s e do nr a d i of r e q u e n c ys y s t e m f o rb a s i cr e s e a r c h ” k e y w o r d ：m i n i a t u r i z e d ，b a n d w i d t h ，d i r e c t i o n a lc o u p l e r ，l a n g e ，l o wt e m p e r a t u r e c o f i r e dc e r a m i c ( l t c c ) 1 1 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：耸丝逢 2 。jd 年6 月巧日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：山f d 年6 月巧日 硕上论文 宽频带l t c c 微波3 d b 定向耦合器的研究与设计 1 绪论 1 1 定向耦合器概述 定向耦合器是微波系统中广泛使用的一种分路元件，它的本质是将微波信号功 率按一定的比例进行分配，同时改变信号的相位l l 】。它是一种具有方向性的功率分配器 件，它能从主传输系统的正向传输波中按一定的比例分出部分功率，并且基本上不从反 射波中分出功率。定向耦合器是一种四端口无源器件，通常由称为主线( 直通线) 和副线 ( 耦合线) 的两段彼此靠近的传输线构成。主线和副线之间通过一定的耦合机制( 例如小孔 耦合、分支耦合，缝隙耦合、平行耦合线段等) 将主线的一部分( 或全部) 功率耦合到 副线中，并且要求功率只在副线的一个端口有功率输出，而另一端口无功率输出。如果 主线中信号的输入端口改变，则副线中信号的输出端口与无功率输出的端口也会随之互 换，也就是说输入端和耦合端是有一定的方向性关系，因此将该器件称为定向耦合器1 2 j 。 微波频段的电磁波能穿透电离层，使得微波技术在通信、雷达、遥感、气象以及科学 研究等方面得到了极其广泛的应用【3 l 。由于微波技术在军事应用领域的重要地位，又使 得微波成为微波通信、雷达应用领域最为敏感的课题之一。在微波系统中，定向耦合器 是一种应用及其广泛的微波器件，例如在矢量网络分析仪、功率合成及微波接收机中的 混频器等都要应用定向耦合器。特别是3 d b 定向耦合器更是一个不可或缺的重要元件， 其大量使用于射频电路【4 】。由于微波集成电路有源电路部分已经形成一定规格，很难大 幅度减小其体积，所以减小微波无源电路的体积就变得极为重要。随着微波集成电路 ( m i c ) 、单片微波集成电路( m m i c ) 和半导体工艺技术的迅速发展，电路集成度的迅 速提高，人们对微波器件性能的期望值越来越高。特别是对微波定向耦合器，人们总是 希望其频带越来越宽，体积越来越小，通用性越来越强。而由微带线、带状线等传输线 构成的定向耦合器，具有频带宽，结构紧凑，便于小型化，制造方便等优点，所以得到 了大规模使用。用微带线设计的微波元器件，可以直接做在电路板上，具有所占空间小、 易于和其它电路元件连接的特点。因为微带线具有上述特点，所以用它来做微波电路将有 助于大幅度提高微波电路的集成度。 现代射频电路和微波测量系统中，定向耦合器的应用十分广泛，其中，微带结构定向 耦合器作为微波集成电路的无源部分，在提高电路的集成度方面得到越来越多的应用。 国内外目前微带定向耦合器的研究主要集中在： ( 1 ) 耦合线定向耦合器，这种定向耦合器通过调整两条邻近放置的金属导带的相 对位置、形状等来达到一定的功率分配，从而满足各种设备的使用要求。随着通信技术 与宽频雷达的快速发展，对宽频带微波元件的研究也越来越深入。增加耦合线定向耦合 器频带的经典方法主要有( a ) 将多个单节平行耦合线定向耦合器级联来增加带科5 。( b ) 1 l 绪论 硕十论文 将不同耦合度的耦合器交叉串联增加带宽。 方法，补偿奇偶模相速度差异，增加带科6 1 。 端接补偿电容结构增加带宽等【7 】【8 1 。 ( 2 ) l a n g e 耦厶器 9 】 ( c ) 采用多层折叠式结构和边缘锯齿化的 ( d ) 采用渐变线结构耦合器增加带宽。( e ) 为了得到大于6 d b 的强耦合，普通耦合线的耦合太松，难以达到要求。提高边缘耦 合线之间耦合的一种方法是将几根耦合线平行放置，以使得两边缘的杂散场对于耦合有 贡献。这种设计有助于补偿奇偶模相速不相等，同时也提高了带宽。这就是2 0 世纪6 0 年代，l a n g e j 提出的l a n g e 插指电桥结构。增加带宽，补偿奇偶模相速不相等的另一 种方法是在导带上进行覆膜，加一层介质和一层导体。l a n g e 耦合器的主要缺点是不实 用，耦合线非常窄，紧靠在一起，又必须加横跨在线之间的连接线，这对工艺的要求是 很高的，以往是用薄膜工艺的金丝压焊跳线，或者空气桥结构，现在l t c c 工艺解决了 这个问题，l t c c 工艺线宽和两线之间的距离最少可以做到6 0 p ，充分结合工艺和设计 要求就可做出符合条件的l a n g e 耦合器。 ( 3 ) 微带分支定向耦合器，这种耦合器由主线、副线及若干耦合分支线构成。微 带分支线耦合器固然设计加工都比较简单，但是频带窄、性能较差；这是因为它的介质 是非均匀的，部分是介质基片，部分是空气。这就导致了耦合器微带传输线上的奇偶模 相速不等，奇偶模波长不等，从而引起了耦合器的定向性变差。由于单节分支线耦合器 设计所依据的所有公式都是假定定向耦合器工作于中心频率所对应波长，当偏离中心频 率时，驻波和隔离就会变坏，耦合度也将偏离中心频率时的值，所以微带分支定向耦合器 的带宽是有限的，由于每条分支线的长度都是波长的四分之一，所以体积也是很大的。 i t o y o d a 1 0 1 和r a g h uk s e t t a l u r i 1 1 j 利用m m i c 多层折叠式结构，来减小分支线耦合器的 体积。w g i p p r i c h 用短耦合线取代分支线耦合器中的旁支线，进一步减小体积，得到多 分支结构【l2 。廖时三等人设计的鱼骨型微带分支线定向耦合器，缺点是支线之间易发生 耦合。为了增加带宽，最常用的方法就是增加分支线的数目。但是这样体积也随之增大， 因此对其大幅度小型化是有很大难度的【1 3 j 。 1 2l t c c 工艺及其流程 l t c c ( 低温共烧陶瓷，l o wt e m p e r a t u r ec o f i r e dc e r a m i c ) 技术是m c m ( 多芯片 组件，m u l t i c h i p m o u d u l e ) 技术的一种训。低温共烧陶瓷( l t c c ) 技术是在厚膜混合集 成电路和高温共烧陶瓷技术基础上，扬长避短，发展起来的互连封装技术，经过二十多 年的发展，己经成为微电子互连封装最理想的技术，也是实现电子产品小型化、轻量化、 高可靠性和低成本的关键技术之一【1 5 】。 l t c c 的工艺流程比较复杂，如下图1 2 1 所示【1 6 1 【1 7 1 。 2 硕上论文宽频带l t c c 微波3 d b 定向耦合器的研究与设计 图1 2 1l t c c 工艺流程图 原料合成：将原料按一定配比制成符合产品设计要求的粉料。 浆料制备：在合成好的原料中加入粘合剂，溶剂，添加剂等，制成流延浆料。 流延成型：浆料以薄膜为载体，按设计要求流延成型，制成生瓷片( 带状) 。 切片：将生瓷片( 带状) 切成可供后道加工的方片。 打孔：在生瓷片上打上定位孔、识别孑l 。 内电极印刷：按设计要求在生瓷片上印刷电极电路。 叠层：将印刷好电极的生瓷片按规定的秩序进行加压叠层。 等静压：将叠层好的瓷板在温水等静压机种加压，使瓷板内部更加紧密牢固。 切割：将压好的瓷板按尺寸切割成产品形状。 排胶成烧：将产品中的脂、胶等低分子物去掉，煅烧成瓷。 外电极印刷：在产品的外侧印上导电电极。 测试分选：在自动测试分选机上对产品的外观、电性能进行分选测试，不合格品自 动去掉。 1 3 传统工艺与l t c c 工艺对比1 1 8 l i l 9 1 1 2 0 l 这里以l a n g e 的制作过程为例，做一个简要的对比。首先介绍一下经典的先光刻后 电镀工艺：制版j 溅射_ 光刻一电镀j 金丝跳线短接。这实际是一种加法工艺，先通过 蒸发或者溅射在陶瓷基片上生成膜层，再光刻腐蚀出线条，最后再压焊金丝连接孤立图 形进行电镀加厚，这种方法虽然比较简单，但是效率很低。 空气桥( a i r - b r i d g e ) 是一种三维金属固态互连结构，采用半导体工艺方法在制作微 带电路的同时直接制作在电路基片上。空气桥，就是以空气作为桥梁，在两个不相邻的 微带上托起互连的金属线。相对于引线焊接互连，能有效的减少寄生电感，增加互连的 可靠性，彻底摆脱了金丝感性和压接困难这两大不足，有效地减少了交叉线之间的耦合 和线条对地的电容。 空气桥的设计和制作过程比较复杂，出于性能与可靠性的考虑，在设计时必须对桥 十论女 宽、桥与导体搭接部分的长度、桥蚝、隔离层尺寸、桥高、金属桥体的厚度、封装特性 等因素谨慎考虑，在制作中必须控制桥墩位冠、桥与底层微带附着力、桥体形状、桥体 金属致密性等方面，防l = 错位、桥粱、桥墩与微带线之间的脱离与垮塌。可见薄膜工艺 设计过程极其复杂，成本也较高，不能满足快速、大批量的要求。 l t c c 能够成为微电子互连封装最理想的技术，是实现电子产品小型化、轻量化、 高可靠性和低成本的关键技术之一。返主要是由于l t c c 技术所具有的特点决定的它 们是： ( 1 ) 高频特性优良：陶瓷材料具有优良的高频高q 特性，低介电常数、较小的插入 损耗和赵好的介质损耗角正切等特性，使用电导率高的a 屿a g ，c u 等金属材料作为导体 材料，有利于提高电路系统的品质因子。 ( 2 ) 多层布线技术： 町将无源组件埋入多层电路基板中，采用多层陶瓷结构实现电阻、电容、电感以及 微波功能器件等的内埋，从而形成特定功能的微波组件，有利于提高电路的组装密度， 减少整机重量，实现微波组件的小型化。 ( 3 ) 并行加工工艺：l t c c 工艺流程有别于厚膜多层基扳技术，厚膜多层顺序；印刷 干燥 烧结的工艺流程，l t c c 采用不同层并行进行打孔、印刷、十燥，对每一层生瓷 片进行检查筛选以后，去掉不合格产品或进行修正后一并叠压，一次烧结，从而优化了 生产，获得了高的成品率，降低了成本。 ( 4 ) 提高产品特性：采用腔体实现芯片的埋置，可以减少键合线产生的寄生参量、容 易布置去耦电容、实现各个芯片单元间的相互屏蔽，实现互连基板和封装外壳的一体化， 在提高封装密度、减小体积、减轻重量的同时改善微波特性、提高可靠性，l t c c 基板 集成电路如图13 1 。 图13 1l t c c 基板集成电路 硕士论文宽频带l t c c 微波3 d b 定向耦合器的研究与设计 1 4 本文的主要工作 本文所研究的宽频带l t c c 微波3 d b 定向耦合器是由宽边耦合线结构和l a n g e 结构 组成。因此，首先对耦合器的基本定义、功能、分类、性能指标，以及通用的构成宽频 带的方法进行了介绍，并采用l t c c 工艺，利用宽边耦合线理论设计了定向耦合器 2 0 0 m h z , - , 6 0 0 m h z 、1 7 g h z , - , 2 0 g h z 。然后结合l t c c 工艺对l a n g e 耦合器进行了设计， 并对其中存在的问题进行了研究和改进，对于其设计过程进行了详细的研究。本文具体 工作安排如下： 第一章：简要介绍定向耦合器应用领域和研究现状。将l t c c 工艺与传统工艺进行 了简要的对比。阐述了l t c c 技术的优势，以及l t c c 的主要应用领域。然后对本文的 研究内容进行总结，并说明了本文的研究意义。 第二章：定向耦合器的理论基础。首先系统的介绍了定向耦合器的定义、功能、以 及分类方法；其次系统的介绍了定向耦合器的主要参数，包括实际应用中所关注的几个 重要指标；第三用微波网络的方法分析定向耦合器的构成条件，第四，对耦合器的几 个重要特性进行分析。 第三章：用奇偶模分析法对宽边耦合带状线耦合器和l a n g e 耦合器进行分析，并详 细推导两类耦合器的奇偶模计算公式。 第四章：耦合器的仿真与实现。这是本文的重点，首先利用第三章的结论，可以求 出宽边耦合带状线耦合器和l a n g e 耦合器的参数；其次利用a d s 进行原理图电路的仿 真。第三介绍设计中实现定向耦合器的方法，并研究改善定向耦合器性能的方法，第四， 将仿真参数结合l t c c 工艺条件在三维实现；并对l a n g e 耦合器进行结构的改进，包括 覆膜和去除通孔，这样就简化了结构，降低了工艺加工难度。 第五章对加工的样品进行测试，结果分析。 第六章总结与展望。总结本论文的主要研究结果及其贡献，并对下一步的工作提 出几点建议。 5 2 定向耦合器的理论基础硕i 二论文 2 定向耦合器的理论基础 2 1 定向耦合器的功能和分类 定向耦合器是把两根传输线近距离放置，使一根传输线上的功率可以通过电磁耦合 传输到另外一根传输线上的一种微波无源器件。它的两个输出端口的信号幅度可以相等 也可以不相等，输出信号相位可以是9 0 0 也可以是1 8 0 0 。一种应用特别广泛的是3 d b 的 定向耦合器，这种耦合器的两输出端口的信号幅度是相等的，同时两输出端口的相位相 差9 0 0 ，又称为3 d b 正交型定向耦合器。定向耦合器的输入信号和耦合信号还有一定的 方向性关系，如图2 1 1 是一个后向耦合器的示意图，该耦合器的副线耦合信号输出方 向和主线输入信号的传输方向相反，反之，则为前向耦合器，如图2 1 2 端h 3 ( 耦合端口) 端口1 ( 输入端口) 端v 1 3 ( 隔离端口) 图2 1 1 后向耦合器的示意图 端1 5 1 4 ( 隅离端口) 端口2 ( 直通端口) 端1 2 1 4 耦合端口) 9 _ 鬣凌覆翟銎至琵琵琵涵呻 端口1 ， 直通线 。士 端口2 ( 输入端v i ) v- o 亭( 直通端口) i z 0 上 图2 i 2 前向耦合器的示意图 后向型3 d b 正交定向耦合器应用广泛，也是耦合器中较为典型的，它的两路输出信 号相互正交。它的四个端口之间相对关系如表2 1 1 所示 定向耦合器的种类和形式多样，结构差异也很大，工作原理也不相同。可以从不同 的角度对定向耦合器分类【2 l 】： 按构成耦合器的传输线的种类的不同，可以分为带状线定向耦合器，微带线定向耦 合器，波导定向耦合器，同轴线定向耦合器，圆波导定向耦合器等。 6 硕十论文宽频带l t c c 微波3 d b 定向耦合器的研究与设计 按构成耦合器的耦合方式的不同可以分为微带分支定向耦合器，平行耦合线定向耦 合器，孔定向耦合器，匹配双t 。孔耦合又可以分为单孔耦合，双孔及多孔耦合，十字 孔耦合。 表2 1 13 d b 正交耦合器端口之间的相位关系 输入信号输入端口输出信号相位 相位端口l端口2端口3端口4 端口1 0 9 0 0e 隔离端 0 端口2 0 9 0 0隔离端0 端曰30隔离端 0 9 0 0 端口4隔离端00 9 0 0 按照耦合度的不同可以分为强耦合和弱耦合两类，一般认为耦合度大于6 d b 为强耦 合，其中3 d b 定向耦合器的使用范围及其广泛。 按照构成耦合器的节数的不同又可以分为单节和多节定向耦合器。 2 2 定向耦合器的主要技术指标 定向耦合器是四端口元件，通过合理选择耦合结构及尺寸可以使定向耦合器的性能 指标达到所需的要求。一种定向耦合器的使用场合不同，对其性能指标的要求也不同。 后向耦合器的示意图2 2 1 的端口p i 、p d 、p c ，p s 分别对应输入端口，直通端口，耦合 端口，隔离端口。设计和工程中常用技术指标有以下几种2 2 】： 输入端用 耦合端p c 直通端p d l 一 c 。_ 1 离端胎 2 2 1 定向耦合器不恿图 2 2 1 耦合度： 定义为输入端的输入功率用与耦合端的输出功率尸c 之比，记为k ，常用抛表示， 即 k c 1 0 1 9 尝 ( 2 2 - 1 ) 尸尸f 称为功率耦合系数。 7 2 定向耦合器的理论基础硕一i ：论文 疋的数值越大，耦合端口的输出功率越小，耦合度越弱，3 d b 时耦合端的信号的功 率是输入端信号功率的一半。不同场合应用的定向耦合器的耦合度的大小也不相同，其 结构形式也不一样。 2 2 2 方向性： 定义为耦合端的输出功率p c 与隔离端口的输出功率n 之比，记为k d , 用船表示， 则为： k d = 1 0 1 9 塞( 锄 ( 2 2 2 ) 理想情况下，各个端口都完全匹配，所以隔离端的功率输出n 为零，k d 为无穷大。 但实际上由于设计以及工艺等各方面的原因，隔离端e 1 总是有一定的功率输出，设计中 k d 越大越好。 2 2 3 隔离度： 隔离度又称定向性，定义为输入端输入功率尸f 与隔离端的输出功率n 之比，用 k s 表示，则 k s = 1 0 l g p - 纂- ( d b ) ( 2 2 3 ) 耦合度、隔离和方向性的关系如下： 尉= 1 。l g 塞( 招) = 1 0 l g e 笔- ( a s ) 一l o l g 罢= k s x c( 2 ? 本文设计的为群= 3 d b ，因此肠，尉两个中只要有一个确定，另一个的数值也就 确定了，仿真设计中习惯只看胎。 2 2 4 输入驻波比 定义为端口p d 、p c 、p s 均接匹配负载时，输入端口尸f 的驻波比。 在中心频率处匹配良好，所以定向耦合器在偏离中心频率时驻波会变差。 t v s w r = ：坐娶 圪。为驻波电压幅度最大值， 为驻波电压幅度最小值。 2 2 5 工作带宽的各种定义1 2 3 i ： 由于耦合器只 ( 2 2 5 ) 带宽定义为定向耦合器的各个性能指标完全符合使用要求时的频率范围。常用定向 耦合器带宽的定义有绝对带宽、相对带宽、倍频程、带宽比。 带宽( 绝对带宽) 8 硕上论文 宽频带l t c c 微波3 d b 定向耦合器的研究与设计 a f = l 一厶 上式中l 为耦合器的最大工作频率，厶为耦合器的最小工作频率。 倍频程 ， m a x = 2 ” 厂 j m m ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) 其中n 即为倍频程数。 相对带宽= 竽1 0 0 ( 2 2 8 ) 其中五为通带中心频率，即厶：厶坠 叠 2 2 6 幅度相位一致性 实际设计生产中通常会对直通端和耦合端输出信号的幅度和相位进行限制，衡量的 指标根据a n a r e n 公司的定义： 磁嘲性 1 0 1 0 8 南砌1 0 l 昭南 亿2 1 0 ) 相位一致性 p h c p h d 其中：矾为耦合端口信号相位， 尸吃为直通端1 2 1 信号相位。 2 2 7 插入损耗 定义为输入信号功率与两路输出信号功率和的比值； n a n a r e l l 的定义 尼= 1 0 1 0 9 屹面 设计中的定义 i l = 1 0 l o g 局p - - j ( 2 2 11 ) ( 2 2 1 2 ) ( 2 2 13 ) 这里，插入损耗= 耦合损耗+ 传输损耗，耦合损耗( 即耦合度) 在本设计中为3 d b ， 因此可以求得传输损耗。 2 3 定向耦合器网络理论1 2 4 l 9 2 定向耦合器的理论基础 硕上论文 定向耦合器是四端1 ：3 网络的一种，无源微波器件，用于功率的合成或功率分配，下面 用微波网络理论对耦合器进行分析。这里假定四个端口完全匹配，网络为互易的且无耗。 定向耦合器是四端口网络，该网络的s 参数： s = 由于定向耦合器的四个端1 ：3 的完全匹配，所以各端1 2 1 无反射，即： s 。= 是：= s ，一一0 由于四端口网络为互易网络，所以 最，2s ：，墨。= s ，墨：= 是，墨。= s 。，墨：= 是。，墨，= s 。 四端口的s 参数变成 s = s ，s 。 是。最。 0 s 4 s 4 0 ( 2 3 1 ) ( 2 3 2 ) ( 2 3 3 ) ( 2 3 4 ) 若网络是无耗的，则从幺正性或能量守恒条件可以得出1 0 个方程2 5 1 2 6 1 。现在，让 矩阵的第一行和第二行相乘，第三行和第四行相乘： s 3 是3 + 既是4 = 0( 2 3 5 a ) s 4 s 3 + 瓯是3 = 0( 2 3 5 b ) 用s ：。乘以式2 3 5 a ，用s l 。乘以式( 2 3 5 b ) ，并将两者结果相减，得到 s ：( 刚2 一m 2 ) = o ( 2 3 6 ) 同样，让第一和第三行，第二和第四行相乘可得： 墨2 是3 + 踮墨4 = 0 ( 2 3 7 a ) s 4 s 2 + 岛岛3 = 0 ( 2 3 7 b ) 现在用s 1 ：乘以( 2 3 6 a ) ，用s 3 4 乘以( 2 3 6 b ) ，并将两式结果相减，得到 是。( i s ：1 2 一l s 。1 2 ) = o ( 2 3 8 ) 同时满足( 2 3 6 ) h x g i x - 芪( 2 3 8 ) 的一种途径是，令s 4 = 是3 = 0 ，结果成为定向耦合器。 然后，使式( 2 3 4 ) 与各行自乘，可以得出下列方程： l o 硕十论文 宽频带l t c c 微波3 d b 定向耦合器的研究与设计 ( 附+ 附) = 1 ( 2 3 9 a ) ( i s , ：1 2 + | 是。1 2 ) = l ( 2 3 9 b ) ( 酬2 + 剐2 ) = 1 ( 2 3 9 c ) ( 酬2 + 剐2 ) = 1 ( 2 3 9 d ) 可以得出i s i ，l = i 。i ，i s ：i = i s 。i ，通过选择四个端口中三个端口的相位参考点，可 以进行进一步的简化。选择s ：= = 仅，& ，= 1 3 e 月和曼。= d p 抑，此处0 【和1 3 是实数， 0 和q 是待定的相位常数( 它们之间有一个可以自由选定，另一个为第一个的相对值) 。 式( 2 3 4 ) 中第二行和第三行相乘可得 s 3 + 瓯s 4 = o ( 2 3 1 0 ) 它给出的待定相位常数之间的关系为 0 + t o = 冗+ 2 n n ( 2 3 1 1 ) 若我们略去2 r e 的整数倍，则在实际中我们有两种选择： 1 对称耦合器：0 = t o = 兀2 。选择有振幅1 3 的那些项的相位相等。则矩阵有下 歹i j 形式： s = 0o c 仅0 j 1 3 0 0 1 3 j 1 3 0 0 + j 1 3 00 c 伐o ( 2 3 1 2 ) 2 反对称耦合器：0 = 0 ，q = 7 c ，选择有振幅1 3 的那些项的相位相差1 8 0 0 。则散 射矩阵有如下形式： s = 0o 【 o 0 p 0 0 1 3 p 0 0 p 0o 【 o ( 2 3 1 3 ) 这两个耦合器的差别是在参考平面的选取上。此外，振幅0 【和p 不是相互孤立的， 按照( 1 s ：1 2 + i s ，1 2 ) = 1 得出 戗2 - i - p2 = 1 ( 2 3 1 4 ) 所以除了相位参考点之外，一个理想的耦合器只有一个自由度。 满足式( 2 3 6 ) 和式( 2 3 8 ) 的另一种解s ：= s ，= 是，= 是。= 0 ，这是两个去耦二 端口网络情况，不再讨论。得出结论：任何互易、无耗、匹配的四端口网络是一个理想 2 定向耦台器的理论基础 顿士论文 定向耦台器。 正交混合网络既是3 d b 定向耦台器，这里q = p = 少府，端口i 作为输入时，端口2 v z 和端口3 的输出信号之问有9 0 0 相移( o = 中= ，2 ) ，没有功率耦合到端( 隔离端) ，所以 散射矩阵为： s = 2 4 定向耦合器的重要特性”i i ”i j 1 00 0 0 1 j 2 4 1 相移和频率的关系 平行耦合线耦合器的直通端口和耦合端口的相位有一定对应关系。如果直通端口的 相位定为0 。，则耦合输出端口的相位为9 0 0 当耦合器具有匹配良好时，可以证明它在所 有频率上都有9 0 。的相移 显然，这些耦合器在中心频率处中有9 0 。电长度线，这和中心频率处获得最大的耦 台幅度直接相关，但是这跟直通端和耦合端之间的9 0 。相移没有直接关系。相位差的独 立于频率即与频率没有直接关系，相位差是和奇偶模阻抗相对应的，这对于宽频带耦 合器设计非常重要，下面给出证明： 端口1 z f t 端e 1 2 乙 2 4l 单传输线示意图 首先对构成定向耦合器的单根传输线的相移关系进行分析。如图2 41 设单根传输 线的长度l ，特征阻抗z ，两终端负载的阻抗均为砷，源端所加的电压k ，图中用复 指数形式表示前向和后向传输的波。输入端初始的分压为v = k ( z ：( z 。+ 乏) ) 反射系数 p = ( z o t ) ( 乙+ 互) ，它决定了反射波的电压幅度。因为终端阻抗均为z 所以尽管 在传输线上存在多重反射，但传输线两端的反射系数仍为p ，这种反射的无穷级数可以 用数学方法证明，最终得到一个闭式简化结果，可以表示为如下的形式： ，圳习0 磺士论文宽频带l t c c 微波3 d b 定向耦合器的研究与设计 , re 一 + v p e j p l 。一“) + v p 2 ej b ( 2 + 2 ) + 阡3 e j z4 1 ) + v p 4 p ，p ( 州“ = ( 娩4 + v p e “”x i + ( 严e ”) ”) = ( v e - j p 2 + v p e 。o “) o p 2 e - 】) l 这里九为波长，1 3 = a m 为相移常数。从上式可阻看出传输线上任意一点的电压是 由初始的前向电压分量和反向电压分量以及常量因子( 1 一p f 州) 共同决定的冷z - o 可以求得输入端的电压，令f l 可以求得传输线另一端的电压。 2 。1 。g ( 【p 0 是终端回波损耗。丽l + l p l 是终端口驻波。 这些结果可阻运用捌对耦合传输线的奇偶模分析之中。首先对每种模式单独使用传 输线理论进行分析然后再将两种模式电压结合起来就得n t 耦合传输线的总响应。 咋= + p z ；匝匿三二二至叵二二j 卿_ 。 互髭；：= 主：二岂篡： t t = + r ： 上 上， 咋2 + ” 2 42 耦台线耦台器示意图 一对耦合传输线如图2 42 所示，耦合传输线有奇模和偶模两种波的传输模式，可 以两种模式中的一种单独对传输线波进行分析。从图2 42 可以得到如下一些电路参数： c 表母臻 纠c 寿_ ) 伴老 旺一” v = 圪+ 。p = 2 兀肛 其中和吃分别为奇模和偶模输入端电压，只和分别为奇模和偶模反射系数， z o 和五分别为耦合传输线的奇模和偶模特性阻抗，v 为输入总电压，奇偶模的波传播 2 定向耦合器的理论基础硕上论文 常数相等均用1 3 表示。从图2 4 2 可以看出加到输入端1 2 1 的电压( 2 v ) 是奇模电压和偶 模电压之和。耦合输出端电压等于偶模电压源中减去奇模电压源( 奇模电压源与偶模电 压源反相) ，所以耦合端没有任何电压源，它上面的净电压为0 。端口边界条件清晰表明 奇偶模在输入端口同相，而在耦合端1 2 1 反相。奇偶模与输入端和耦合端信号传播方向有 着重要联系。这些关系是以奇偶模阻抗的形式定义的。当 三 乙= ( 乙z o ) 2 ( 2 4 2 ) 成立时，综合式2 4 1 可以得到下面的一些推论： ( a ) 模式反射系数幅度相等，符号相反，即= 一，e 0 ( 2 4 3 ) ( b ) 输入的偶模电压与奇模电压幅度之差等于奇偶模反射分量之和，这是一个非 常重要的关系，即 l v , , i - i v , o i ：i p , i l v , , l + i s o i i v , o l ：i v l i s e l ：i v l i p o l ( 2 4 4 ) 其中f v , e i 阢i ( c ) 所有端口的奇模和偶模电压幅度相等，即 j v , o l ( 1 + p o ) = l 圪i ( 1 + ) ( 2 4 5 ) ( d ) 奇偶模式传播常数相等，即 p 。= 1 3 。= p ( 2 4 6 ) ( 2 ) 下面给出耦合传输线任意一点的电压公式，图2 4 2 中，坐标z 处耦合线上电 压和直通线上电压巧的电压可以分别用下面的两个公式来求得： 圪= 等一1 v , o e - j 9 矿z + e o p o e j l 3 ( z - 2 1 ) 亿4 m = 笔筹+ 1 v f o e - j l l 矿z + v t o p o e + j f l ( z - 2 t ) 亿4 剐 7 一 1 一口e 一，删) 。 1 一砰p 一邝( 2 ，) 1 。7 上面等式是将传输线的激励分成奇模电压和偶模电压而得到的。耦合器四个端口的 电压可以利用上面两个等式在相应的传输线上令z = o 或z = l 而求得。在耦合线上利用前 面的式( 2 4 3 ) - ( 2 4 6 ) 给出的模式关系并令z = o 可以得到耦合端口电压 吼私= 珥辩 卿， 在直通线上，令z = i 得 巧i ：，= = 墅堕：笔兰辨= 丽v e o - - l e e l ) ( 2 4 。) 1 4 硕上论文宽频带l t c c 微波3 d b 定向耦合器的研究与设计 注意到上式中v 2 和取的分母部分相同，下面求两部分的相位差： 耦合端1 2 分子部分电压相位： 。，= t a i l 。1f 窖熹驾羔1 ：t a n 一( 胁( 一p ，+ 必) ) = 一p ，+ 磋( 2 4 3 l1 + c o s ( - 2 p ，+ 7 c ) ，j 、一“ z 从2 4 1 0 可以看出直通的端1 3 相位0 ，= 一1 3 t ，可以推出结论偶和端v i 相位超前直通 端1 2 相位9 0 0 ，并且该相移和耦合线长度l 、工作频率无关。 2 4 2 隔离度和输入端1 3 驻波分析 现在分析单节耦合传输线的输入端口和隔离端口的电特性。根据前面得到的结论， 在式2 4 8 中，令z = o 得到输入端口电压 v i 错+ 黪= 矿 亿4 m ， 隔离端口电压通过式2 4 9 中令z = o 得： _ = 焉一鬻- o 仁4 m ， 一t z 万一t 乏万- u u j 川 从而可以得到隔离端口电压为0 ，而输入端1 3 的电压为v ，是输入端口两种模式电压 的之和的一半。这是由于输入阻抗z m 和源阻抗匹配的分压造成的。 隔离端口的偶模输入电压大于奇模输入电压，但总的电压为零。这是由于偶模反射 系数是负的，而奇模反射系数的正的，所以两种模式的输入和反射电压在隔离端口之和 为零： v , e ( 1 + ) + v , o ( 1 + e o ) = 0 。 由于输入端1 3 和其它端1 3 均匹配到乙，这就意味着没有网络电压反射到输入端1 3 ， 同理隔离端1 3 和输入电压的关系也是一样的。 结论：在理想情况下，由于输入端口反射电压为0 ，隔离端口总电压也为0 ，所以 隔离度与输入端1 3 的回波损耗均为无穷大。实际上，由于设计以及工艺等各方面的原因， 输入端1 3 回波损耗和隔离度并不是无穷大。方向性好，就要求高隔离，高隔离就要求高 的回波损耗。这其中就涉及匹配和奇偶模