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定向耦合器论文
摘要
定向耦合器在射频电路中有着重要作用，既可作分支器件及功率检测部件，又可作为放大器的反馈元件。
本文在介绍了课题背景的基础上，首先简要阐述了定向耦合器的基本原理、种类以及相关应用。
接着又具体介绍了几种定向耦合器的原理，包括波导双孔、双分支、平行耦合微带和隔离器。
最后放眼国内外的研究现状，从而对本课题的方向有了较好的把握。
电路的设计部分是实物制作的基础，设计电路时首先要对多个电路方案进行对比分析，找出实际最容易制作而性能最佳的方案，最终我们选择了集中参数形式的并联耦合电路。
其次要注意材料的选取，在第三章中我们着重讨论了磁芯的种类、作用和特性参数，从理论上分析了各种磁芯可能对耦合器产生的影响。
在实物制作阶段，我们分别选取了大小磁环来制作多个耦合器，并利用网分测量每一个的耦合度和隔离度，经过多次调试选出其中性能最好的。
然后用这个达到要求指标的定向耦合器进行功率测试，最后对数据进行分析得出结论。
关键词：
定向耦合器原理电路磁芯功率测试
Abstract
DirectionalcouplerintheRFcircuithasanimportantrole,bothasabranchofthedeviceandthepowerdetectionunit,butalsoasanamplifierofthefeedbackelement.
Thispaperintroducesthetopiconthebasisofbackground,brieflydescribesthebasicprinciplesofthedirectionalcoupler,types,andrelatedapplications.Thenhedescribesseveralspecificprincipleofthedirectionalcoupler,includingwaveguideholes,twobranchesinparallelcoupledmicrostripandisolators.FinallyLookingresearchstatus,andthusthedirectionofthisprojecthaveabettergrasp.
Circuitdesignpartisthebasisofphysicalproduction,firstwhendesigningcircuitsformultiplecircuitschemeswereanalyzedtoidentifythemosteasytomakeandtheactualperformanceofthebestsolutionweultimatelychoselumpedparametercircuitcoupledinparallelform.Second,wemustpayattentiontotheselectionofmaterials,inthethirdchapter,wefocusedonthecoretypes,functionsandparameters,fromthetheoreticalanalysisofvariouscoresmayimpactonthecoupler.
In-kindproductionstage,wewereselectedtoproduceapluralityofringsizecoupler,anduseanetworkofmeasuringthedegreeofcouplingeachandisolation,afterseveraldebuggingelectoneofthebestperformance.Andthenusethistoachievetherequiredtargetsdirectionalcouplerforpowertesting,thefinalconclusionsdrawnfromtheanalysisofthedata.
Keywords:
directionalcouplersprinciplecircuitcorepowertest
1绪论
1.1课题背景和研究意义
定向耦合器是微波系统中应用广泛的一种微波器件，它的本质是将微波信号按一定的定向耦合器比例进行功率分配。
定向耦合器由传输线构成，同轴线、矩形波导、圆波导、带状线和微带线都可构成定向耦合器，所以从结构来看定向耦合器种类繁多，差异很大。
但从它的耦合机理来看主要分为四种，即小孔耦合、平行耦合、分支耦合以及匹配双T。
图1-1双定向耦合器示意图
定向耦合器在20世纪50年代初以前，几乎所有的微波设备都采用金属波导和同轴线电路，那个时候的定向耦合器也多为波导小孔耦合定向耦合器[1]，其理论依据是Bethe小孔耦合理论，Cohn和Levy等人也做了很多贡献。
随着航空和航天技术的发展，要求微波电路和系统做到小型化、轻量化和性能可靠，于是出现了带状线和微带线。
随后由于微波电路与系统的需要有相继出现了鳍线、槽线、共面波导和共面带状线等微波集成传输线。
这样就出现了各种传输线定向耦合器。
第一个真正意义上的定向耦合器由H.A.Wheeler在1944年设计实现，Wheeler使用了一对长为四分之一中心频率波长的圆柱来实现电场与磁场的能量相互耦合，遗憾的是这种方法只能实现一个倍频程的带宽。
1.2定向耦合器的种类和应用
1.2.1定向耦合器的种类
（1）按传输线的类型来分类：
波导型、同轴线型、带状与微带线型等。
（2）按耦合方式分类：
分支线耦合、平行线耦合、小孔耦合等。
（3）按耦合输出的相位分类：
90°定向耦合器、180°定向耦合器等。
（4）按耦合输出的方向分类：
同相定向耦合器与反向定向耦合器等。
1.2.2应用
（1）利用定向耦合器可以获得一部分能量，可用于监测功率、频率和频谱。
在雷达系统里的应用，有线电视系统里的应用，基站系统里的应用等等。
（2）利用定向耦合器组成反射计，可测量插入衰减、回波损耗、驻波比等。
（3）在移动通信系统里，尤其是室内分布系统，采用大量的定向耦合器，实现系统信号覆盖。
（4）在微波测量功率时，利用定向耦合器扩大测量功率范围，作用类似于衰减器。
定向耦合器的应用实例：
图1-2测量负载的端口驻波比
图1-3测量功分器各个的端口驻波比
图1-4测量耦合器各个的端口驻波比
1.3几种定向耦合器的实现方式
耦合器-波导双孔定向耦合器
波导双孔定向耦合器是最简单的波导定向耦合器，主、副波导通过其公共窄壁上两个相距d=（2n+1）λg0/4的小孔实现耦合其中，λg0是中心频率所对应的波导波长，n为正整数，一般取n=0。
耦合孔一般是圆形，也可以是其它形状。
当工作在中心频率时，βd=π/2，此时D→∞;当偏离中心频率时，secβd具有一定的数值，此时D不再为无穷大。
实际上双孔耦合器即使在中心频率上，其定向性也不是无穷大，而只能在30dB左右。
总之，波导双孔定向耦合器是依靠波的相互干涉而实现主波导的定向输出，在耦合口上同相叠加，在隔离口上反相抵消。
为了增加定向耦合器的耦合度，拓宽工作频带，可采用多孔定向耦合器。
耦合器-双分支定向耦合器
双分支定向耦合器由主线、副线和两条分支线组成,其中分支线的长度和间距均为中心波长的1/4。
设主线入口线“①”的特性阻抗为,主线出口线“②”的特性阻抗为（k为阻抗变换比）,副线隔离端“④”的特性阻抗为,副线耦合端“③”的特性阻抗为,平行连接线的特性阻抗为Z0p,两个分支线特性阻抗分别为和。
下面来讨论双分支定向耦合器的工作原理。
假设输入电压信号从端口“①”经A点输入,则到达D点的信号有两路,一路是由分支线直达,其波行程为λg/4,另一路由A→B→C→D,波行程为3λg/4；故两条路径到达的波行程差为λg/2,相应的相位差为π,即相位相反。
因此若选择合适的特性阻抗,使到达的两路信号的振幅相等,则端口“④”处的两路信号相互抵消,从而实现隔离。
同样由A→C的两路信号为同相信号,故在端口“③”有耦合输出信号,即端口“③”为耦合端。
耦合端输出信号的大小同样取决于各线的特性阻抗。
下面给出微带双分支定向耦合器的设计公式。
设耦合端“③”的反射波电压为|U3r|,则该耦合器的耦合度为：
可见，只要给出要求的耦合度C及阻抗变换比k,即可由上式算得|U3r|,进而算得各线特性阻抗,从而可设计出相应的定向耦合器。
对于耦合度为3dB、阻抗变换比k=1的特殊定向耦合器,称为3dB定向耦合器,它通常用在平衡混频电路中。
此时
此时散射矩阵为
分支线定向耦合器的带宽受λg/4的限制,一般可做到,若要求频带更宽,可采用多节分支耦合器。
耦合器-平行耦合微带定向耦合器
平行耦合微带定向耦合器是一种反向定向耦合器,其耦合输出端与主输入端在同一侧面,如图1-5所示,端口“①”为输入口,端口“②”为直通口,端口“③”为耦合口,端口“④”为隔离口。
图1-5平行耦合微带定向耦合器
耦合器-隔离器
隔离器也叫反向器，电磁波正向通过它时几乎无衰减，反向通过时衰减很大。
常用的隔离器有谐振式和场移式两种[2]。
1）谐振式隔离器
由于铁氧体具有各向异性，因此在恒定磁场Hi作用下，与Hi方向成左、右螺旋关系的左、右圆极化旋转磁场具有不同的导磁率（分别设为μ-和μ+）。
设在含铁氧体材料的微波传输线上的某一点，沿+z方向传输左旋磁场，沿-z方向传输右旋磁场，两者传输相同距离，但对应的磁导率不同，故左右旋磁场相速不同，所产生相移也就不同，这就是铁氧体相移不可逆性。
另一方面，铁氧体具有铁磁谐振效应和圆极化磁场的谐振吸收效应。
所谓铁氧体的铁磁谐振效应，是指当磁场的工作频率ω等于铁氧体的谐振角频率ω0时，铁氧体对微波能量的吸收达到最大值。
而对圆极化磁场来说，左、右旋极化磁场具有不同的磁导率,从而两者也有不同的吸收特性。
对反向传输的右旋极化磁场，磁导率为μ+，它具有铁磁谐振效应，而对正向传输的左极化磁场，磁导率为μ-，它不存在铁磁谐振特性,这就是圆极化磁场的谐振效应。
铁氧体谐振式隔离器正是利用了铁氧体的这一特性制成的。
图1-6谐振式隔离器的铁氧体位置
铁氧体谐振式隔离器就是在波导的某个恰当位置上放置铁氧体片而制成的,在这个位置上，往一个方向传输的是右旋磁场,另一方向上传输的是左旋磁场。
图1-6所示的矩形波导在x=x1处放置了铁氧体,下面来确定铁氧体片放置的位置。
对于矩形波导TE10模而言,其磁场只有x分量和z分量,两者存在π/2的相差。
在矩形波导宽边中心处,磁场只有Hx分量,即磁场矢量是线极化的,且幅度随时间周期性变化,但其方向总是x方向;在其它位置上,若|Hx|≠|Hz|,则合成磁场矢量是椭圆极化的,并以宽边中心为对称轴,波导两边为极化性质相反的两个磁场;当在某个位置x1上有|Hx|=|Hz|时,合成磁场是圆极化的,进一步分析表明,对TE10模来说,在x=x1处沿+z方向传输的圆极化磁场不与恒定磁场方向成右手螺旋关系,即为左旋磁场,而沿-z方向传输的圆极化磁场则是右旋磁场。
可见，应在波导x=x1处放置铁氧体片,并加上如图1-6所示的恒定磁场,使Hi与传输波的工作频率ω满足
ω=ω0=γHi
式中，ω0为铁氧体片的铁磁谐振频率；γ=2.8×103/4πHz•m/A,为电子旋磁比。
这时,沿+z方向传输的波几乎无衰减通过,而沿-z方向传输的波因满足圆极化谐振条件而被强烈吸收,从而构成了谐振式隔离器。
应该指出的是，若在波导的对称位置x=x2=a-x1处放置铁氧体，则沿+z方向传输的波因满足圆极化谐振条件而被强烈吸收,-z方向传输的波则几乎无衰减地通过。
也就是单向传输的方向与前述情形正好相反。
另外，由于波导部分填充铁氧体，主模TE10的场会有所变化，因此实际铁氧体的位置与计算的略有差异。
2）场移式隔离器
场移式隔离器是根据铁氧体对两个方向传输的波型产生的场移作用不同而制成的。
它在铁氧体片侧面加上衰减片,由于两个方向传输所产生场的偏离不同，使沿正向（-z方向）传输波的电场偏向无衰减片的一侧，而沿反向（+z方向）传输波的电场偏向衰减片的一侧,从而实现了正向衰减很小而反向衰减很大的隔离功能。
由于场移式隔离器具有体积小，重量轻，结构简单且有较宽的工作频带等特点,因此在小功率场合得到了较为广泛的应用。
3）输入驻波比ρ
在各端口都匹配的情况下，我们将输入端口的驻波系数称为输入驻波比，记作ρ，对于具体的隔离器,希望ρ值接近于1。
1.4研究现状
随着微波应用范围的日益扩大，定向耦合器己成为许多微波系统和设备中的一个重要部件，因而，国内外有关定向耦合器的研究很多。
而随着不同的工程实践的需求，出现了各种各样的定向耦合器。
下面我们对其中一些类型的定向耦合器的研究状况进行简单的阐述[3]：
选模定向耦合器。
在高功率微波系统中，一般都采用过模圆波导作为主波导以传输足够高的功率，微波源在过模波导中将激励起多个模式，定性和定量地分析这些模式成份，就是模式识别器的任务。
以往人们提出的各种模式识别方法，有的无法同时完成定性和定量分析的双重任务，有的仅适用单模系统，且一般都不能用于高功率单次脉冲系统。
选模定向耦合器的利用，则为解决这一任务提供了最方便和可靠的途径。
它不仅具有动态性和实时性的优点，而且尤其适合于高功率单次脉冲微波系统模式定性和定量的测量，选模定向耦合器的实现，为高功率单次脉冲微波的实时功率测量提供了一种更可靠更精确的方法。
由于选模定向祸合器的单模性，其耦合度可以精确的标定，从而克服了在利用探针耦合进行微波功率测量时探针耦合度无法精确定标的缺点。
而多模选模定向耦合器的使用，对系统中的模式组成得到定性和定量分析的同时，也进行了功率测量，将模式鉴别和功率测量利用同一元件一次完成。
铁氧体定向耦合器。
铁氧体定向耦合器是用高强度漆包线绕在铁氧体高频磁环或磁芯上做成。
这种定向耦合器实质上是用电感线圈代替分布参数的电感，用电容器代替分布电容，有时也称其为集中参数定向耦合器。
在定向耦合器设计中，使用铁氧体能有效增加带宽，减小尺寸和生产成本，同时提高了功率。
在微波测量仪器中使用这种定向祸合器可以降低成本，提高测量精度，有着广阔的应用前景。
硅纳米线定向耦合器。
最近日本NEC公司和日本光电子工业与技术发展协会及东京大学的科学家们成功研制出硅纳米线定向耦合器，该硅纳米线定向耦合器比传统用的玻璃光纤、基于半导体二氧化硅或铌酸锂波导制作的耦合器尺寸小得多。
与传统光导定向耦合器的几毫米的长度相比较，硅纳米线定向耦合器的总长小于或等于五十微米。
由于硅芯与二氧化硅包层之间的折射率差很大（分别为3.5和1.5），硅纳米线波导的S形弯曲的曲率半径小得多，所以弯曲损耗小。
此外，传统的光导定向耦合器的典型耦合长度为几百微米甚至为几毫米，而硅纳米线定向耦合器的耦合长度小于十微米。
2方案选择
2.1定向耦合器的原理
2.1.1定向耦合器的技术指标[4]
包括频率范围、主线衰减、耦合度、方向性、隔离度、回波损耗、带内波动等。
（1）工作频带
定向耦合器的功能实现主要依靠波程相位的关系，也就是说与频率有关。
（2）主线衰减
主线衰减并不表示定向耦合器本身损耗的大小，其包括本身损耗和耦合端的功率分离所引起的损耗两部分。
所以，当耦合度越大，主线衰减也会增加。
。
（3）耦合度
描述耦合输出端口与主路输入端口的比例关系，通常用分贝表示，Ac的值越大，表明定向耦合器的耦合输出越小，Ac的值越小，表明定向耦合器的耦合输出越大。
常见的3db定向耦合器为强耦合定向耦合器，20db或者30db的定向耦合器为弱耦合定向耦合器。
耦合度不同，结构要求也会不一样。
（4）方向性
描述耦合输出端口与耦合支路隔离端口的比例关系。
理想情况下，方向性为无限大。
方向性就是隔离度与耦合度的差值，其值越大表明性能越好，通常定向耦合器的方向度要求在20db以上。
方向性和隔离度都是表示定向耦合器定向性能的好坏的，方向性是定向耦合器最重要的参数。
对于理想的定向耦合器，其隔离度为无穷大，此时P4=0，则输入功率：
以上所提到的定向耦合器的参数，是定向耦合器的个性参数。
此外，还有属于电子传输器件的共性参数。
（5）隔离度
描述主路输入端口与耦合支路隔离端口的比例关系。
Ar的值越大，表明隔离端输出的信号越小，隔离性能越好。
理想情况下，隔离端是没有信号输出的，隔离度为无限大，但实际情况总是与理想相去甚远。
描述定向耦合器特性的三个指标间有严格的关系，即：
方向性=隔离度-耦合度。
（6）回波损耗（驻波比）
回波损耗是负载的匹配特性，回波损耗定义为当信号通过端口时，入射信号与反射信号之比，一般用dB表示。
回波损耗（dB）=10Log（Pin/Pr）=Pin（dBm）-Pr（dBm）
图2-1功率示意图
回波损耗（Lr）、反射系数（ρ）、驻波比（VSWR）之间的数学关系如下
Lr=20Log（1/ρ）或ρ=1/10Lr/20
VSWR=（1+ρ）/（1-ρ）或ρ=（VSWR-1）/（VSWR+1）
回波损耗（Lr）、反射系数（ρ）、驻波比（VSWR）之间关系如表2-1，一般当回波损耗大于20dB（驻波比小于1.2）为良好匹配，回波损耗大于14dB（驻波比小于1.5）时为工程可以接受的匹配。
表2-1回波损耗、反射系数、驻波比三者之间的关系
回波损耗（Lr）
电压反射系数（ρ）
驻波比（VSWR）
10
0.32
1.92
11
0.28
1.78
12
0.25
1.67
13
0.22
1.58
14
0.20
1.50
15
0.18
1.43
16
0.16
1.38
17
0.14
1.33
18
0.13
1.29
19
0.11
1.25
20
0.10
1.22
（7）带内波动
带内波动又称为幅频特性。
在功分器的工作频带内，不同频率的总损耗会有所差异，幅频特性是指在指定工作频带内总损耗随频率变化的程度，一般用指定频带内最大损耗和最小损耗的差值表示，单位为dBp-p/工作带宽。
测试方法：
Ø点频法
Ø扫频法
工程上要求在工作频带内，带内波动小于0.3dBp-p/工作带宽.
2.1.2定向耦合器的原理
主线中传输的功率通过多种途径耦合到副线,并互相干涉而在副线中只沿一个方向传输[5]。
图2-2为矩形波导定向耦合器的三种典型耦合结构。
a是相距1/4导波长的双孔耦合;b是间距和长度都等于1/4导波长的双串联分支线耦合；c是在裂缝区域内TE和TE两种传播模式的连续耦合。
以a和b两种结构为例，从端口①输入的信号分两路耦合到副线后，朝端口④方向因行程相等而同相叠加，有输出；朝③方向则行程相差1/2导波长而反相抵消，被隔离而无输出。
图2-2矩形波导定向耦合器的三种典型耦合结构
微带定向耦合器有两种典型的耦合结构。
一种是间距和长度都等于1/4导波长的双并联的分支线耦合,另外一种是在平行区域内电场和磁场两种结构连续耦合。
2.2耦合方式
2.2.1分布参数与集中参数[6]
定向耦合器在射频电路中有着重要作用，可作分支器及功率检测部件。
定向耦合器作为功率检测部件时，在发射机的功率控制、功率指示以及整机保护中都有着重要作用。
定向耦合器具有以下两个主要特征：
第一，用来耦合或分流信号，第二，耦合或分流是有方向性的。
定向耦合器与大多数射频部件一样亦有分布参数和集中参数之分。
分布参数定向耦合器是通过微带线之间的耦合来实现的，因此这类器件的尺寸有与工作波长紧密相关，存在着如相对带宽窄，尺寸大等缺点，基本不适用于短波频段。
集中参数定向耦合器是变压器的混接网络。
因此集中参数定向耦合器等基本特点与变压器一样即相对带宽大，并且尺寸小，适用的典型频率为几百兆赫兹以下。
定向耦合器中的双定向耦合器在通信发射机中得到广泛应用。
因此本次设计选用的定向耦合器为集中参数形式。
2.2.2串联耦合与并联耦合[7]
在短波频段，变压器的分布参数对电路的影响极小，使得其在这一频段内有着广泛的应用。
变压器可用来耦合信号，耦合有两种方式，一种是串联耦合，另一种为并联耦合，所谓串联耦合是指耦合变压器的初级串接在电源与主线负载之间的耦合，并联耦合是指耦合变压器的初级与电源、主线端负载并联的耦合。
这两种耦合方式，在以不同的主线端作为输入时，耦合端极性的变化是不同的。
对于串联耦合，耦合端的极性与以哪一个主线端作为输入有关，而并联耦合时耦合端的极性与以哪一个主线端作为输入无关，而这种差别正是实现定向耦合的基础。
图2-3为变压器串联耦合电路，图2-4为变压器并联耦合电路。
在图2-3中，A和B为主线端，C为耦合端，其中ns为匝比，TS为串联耦合变压器，当信号从主线端A输入时，耦合端c的极性与输入端相同，而以B端作为输入肘-耦合端的极性与输入端相反。
在图2-4中．A和B为主线端，D为耦合端，其中np为匝比，Tp为并联耦合变压器，耦合端D的输出功率与以哪一个主线作为输入无关，并且耦合端的极性始终与输入端信号的极性相同。
如果我们把串联和并联同肘耦合，并且使其耦合到同一负载（耦合端）上的功率相同．那么就可实现定向耦合。
图2-5为由变压器串联、并联以及魔T组成的定向耦合器原理图。
图2-3变压器串联耦合电路
图2-4变压器并联耦合电路
图2-5变压器串并联同时耦合
图2-5中的Tps为变压器魔T，其它符号意义同前。
当信号从A端输入时（图2-5a）通过并联耦台变压器耦合至魔T的P端的极性与通过串联耦合变压器耦合至魔T的s端的极性相反。
适当调整匝比ns和np有可能使两路耦台信号的电压相同，此时魔T作等幅反相合成．耦合功率在D端输出．C端输出为零。
如果信号从B端输入（图2-5b），此时通过串联耦合变压器TS和并联耦合变压器Tp耦合至魔T的S端和P端的极性相同，两路耦合信号在魔T作等幅同相功率合成，合成的耦合信号在C端输出，而D端输出为零。
所以，在理想情况下，以A端为输入时，耦合端是D，隔离端是C；以B端为输入时，耦合端是C，隔离端是D。
2.3匝数的选择
双定向耦合器的实现电路有多种，其中图2-5所示的电路为变压器串并联同时耦合的双定向耦合器，其需要一个三线传输线变压器魔T．在绕制时，三线的最佳奇模特性阻抗Z00和最佳偶模特性阻抗Zoe。
都较难确定，在实际制作时较少采用。
图2-6所示的电路为双定向耦合器电路中的一种，为本文要重点分析的集中参数形式双定向耦合器电路。
它由两个单定向耦合器组合而成，由于省掉了一个三线传输线变压器魔T，所以实际制作绕制和调试都较简单，适合生产制作，另外其各项性能指标都能做到较高。
图中A、B端为主线端，C端为A端的耦合端（B端的隔离端），而D端为B端的耦合端（A端的隔离端），m，n分别为并联变压器和串联变压器的匝比[8]。
图2-6集中参数形式双定向耦合器电路
图2-7集中参数形式双
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