环形定向耦合器的仿真设计毕业设计论文.docx

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环形定向耦合器的仿真设计毕业设计论文

北京邮电大学世纪学院

毕业设计（论文）

题目环形定向耦合器的仿真设计

北京邮电大学世纪学院毕业设计（论文）任务书

姓名

学号

专业

通信工程

系（院）

通信与信息工程

设计（论文）题目

环形定向耦合器的仿真设计

题目分类

■工程设计；□工程技术研究；□软件工程（如CAI课题等）；□专题研究；□艺术设计；□其他

题目来源

□自然科学基金与部、省、市级以上科研课题；□企、事业单位委托课题；□院级课题；■自拟课题□其他

指导教师（指导教师组

组长及成员姓名）

职称

工作单位

备注

郭琳

副教授

通信与信息工程系

指导老师

宗保平

高级实验师

通信与信息工程系

组员

姬罗栓

副教授

通信与信息工程系

组员

高海娟

助教

通信与信息工程系

组员

毕业设计（论文）的内容和要求：

[注意：

选题尽量与实际应用需求相结合。

要求写明本设计（论文）所涉及的分析方法或技术手段（如定性、定量分析的方法）；要求有学生独立的见解，设计内容要详细写明具体步骤和技术指标]。

定向耦合器是一种四端口器件，且各个端口均是匹配的。

它是在微波与雷达馈线技术中广泛应用的元件之一。

环形定向耦合器的各项指标包括耦合度、隔离度、方向性、输入驻波比、频带宽度等。

熟悉微波微带线、微波网络、微波元器件等基础内容，结合微波网络散射矩阵的计算，利用仿真软件AnsoftHFSS设计环形混合电桥，进而很好的理解和掌握微波集成传输线的传输特性、微波元器件的端口特性、耦合器的参数等相关内容。

利用仿真软件设计指标如下：

1．输入端口的特性阻抗50欧姆；

2．输出端口的特性阻抗50欧姆；

3．中心频率f=0.9GHz;

4．频带0.8GHz~1.0GHz；

5．散射参数两个输出端口3dB。

应完成的工作和提交材料要求（课题完成后应提交成果的种类、数量、质量等方面的要求）：

1开题报告：

3000字左右；

2论文的中文摘要：

200-300字，包含关键词，并译成英文。

英文摘要以250个左右实词为宜；

3毕业设计论文：

正文不少于15000字，论文应由摘要、目录、前言、正文、结论、参考文献、致谢和附录等几部分组成，要求项目齐全，概念清楚、语言流畅、文字精炼、内容正确、条理分明、结构严谨，标点符号清楚、准确；对方案的分析与论证，要观点鲜明、结论正确；

4尽量结合课题，翻译1500汉字以上的有关技术资料或专业文献；

5参考文献中，主要的文献应达到10篇以上，其中外文文献在2篇以上。

主要参考文献（参考文献不少于4篇，参考文献目录按GB/T7714—2005的要求填写）：

[1]王新稳，李萍.微波技术与天线[M].北京:

电子工业出版社，2005：

3~50.

[2]廖承恩.微波技术基础[M].西安:

西安电子科技大学出版社，1995：

100~330.

[3]吴万春，梁昌洪.微波网络及其应用[M].北京:

国防工业出版社，1980：

50~150.

[4]吴明英，毛秀华.微波技术[M].西安:

西北电讯工程学院出版社，1979：

2~40.

毕业设计（论文）进度计划（从正式启动时间开始，以周为单位填写）：

第1周-第2周课题调研、查资料、撰写开题报告

第3周根据查询的资料确定总体设计思路，完成开题报告并上交.

第4周-第7周毕业设计单元部分研究,并设计出整体框架

第8周完成论文中期检查报告

第9周-第15周资料整理，撰写毕业论文；上交毕业设计论文，指导教师审查评阅设计报告，毕业设计答辩资格审查。

毕业设计答辩，学生修改毕业设计论文，准备答辩。

第16周进行毕设答辩。

指导教师签字：

日期：

年月日

学单位意见

审核人签字：

系（院）（盖章）

年月日

学院

意

见

审核专家签字：

年月日

备注1、由指导教师撰写，可根据长度加页，一式三份，教务处、系（院）各留存一份，发给学生一份，任务完成后附在论文内；

2、凡审核不通过的任务书，请重新申报。

北京邮电大学世纪学院

毕业设计（论文）诚信声明

本人声明所呈交的毕业设计（论文），题目《耦合线定向耦合器的仿真实现》是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，毕业设计（论文）中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。

申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。

本人签名：

日期：

毕业设计（论文）使用权的说明

本人完全了解北京邮电大学世纪学院有关保管、使用论文的规定，其中包括：

①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；②学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存论文；③学校可允许论文被查阅或借阅；④学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；⑤学校可以公布学位论文的全部或部分内容。

本人签名：

日期：

指导教师签名：

日期：

题目环形定向耦合器的仿真设计

摘要

定向耦合器可以有很多种实现方式，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，本文利用了带状线来实现定向耦合器。

定向耦合器是一种四端口器件，且各个端口均是匹配的。

它是在微波与雷达馈线技术中广泛应用的元件之一。

环形定向耦合器的各项指标包括耦合度、隔离度、方向性、输入驻波比、频带宽度等。

本文主要实现的是一个中心频率为0.9GHz的带状线定向耦合器，其频率带宽为0.8GHz~1.0GHz，耦合度为3dB，结合微波网络散射矩阵的计算，根据所给定的仿真软件设计指标，以及题目要求，确定耦合器的类型、结构，利用HFSS仿真软件来设计出带状线定向耦合器的电路模型，并根据定向耦合器的S参数进行仿真，并达到预期的设计要求。

关键词带状线定向耦合器HFSSS参数

TitleSimulationdesignofannulardirectionalcoupler

Abstract

Directionalcouplercanhavemanyways,coaxial,rectangular,circularwaveguide,striplineandmicrostriplinecanformadirectionalcoupler,thestriplinetorealizedirectionalcoupler.

Directionalcouplerisafourportdevices,andeachportarematching.Itisinthemicrowaveandradartechnologyiswidelyappliedinoneelement.Annulardirectionalcouplerindicatorsincludingcoupling,isolation,direction,theinputinBobbi,bandwidth.

Thispaperismainlytoachieveacenterfrequencyof0.9GHzstriplinedirectionalcoupler,thefrequencybandwidthof0.8GHz~1.0GHz,couplingdegree3dB,combinedwithmicrowavenetworkcalculationofscatteringmatrix,accordingtothegivensimulationsoftwaredesignindex,andthesubjectrequirements,determinethecouplingdevicetype,structure,usingHFSSsimulationsoftwaretodesignastriplinedirectionalcouplercircuitmodel,andaccordingtothedirectionalcouplerSsimulationparameters,andtoachievethedesireddesignrequirements.

KeywordsStriplineDirectionalcouplerHFSSTheSparameter

1.前言

本人的论文题目是《环形定向耦合器的仿真设计》。

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。

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又相继出现了鳍线、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。

微波的传统应用是雷达和通信，这是微波作为信息载体的应用。

现在雷达大多数是微波雷达，利用微波工作的雷达可以使用尺寸较小的天线，来获得很窄的波束宽度，以获取关于被测目标性质的更多的信息。

由于微波具有频率高、频带宽、信息量大的特点，所以也被广泛应用于各种通信业务。

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。

本文研究了微波网络散射矩阵的计算，利用仿真软件AnsoftHFSS设计环形混合电桥，进而很好的理解和掌握微波集成传输线的传输特性、微波元器件的端口特性、耦合器的参数等相关内容。

经过20多年的发展，HFSS以其无以伦比的仿真精度和可靠性，快捷的仿真速度，方便易用的操作界面，稳定成熟的自适应网络剖分技术使其成为高频结构设计的首选工具和行业标准，已经广泛的应用于航空、航天、电子、半导体、计算机、通信等多个领域，帮助工程师们高效的设计各种高频结构，包括：

射频和微波部件、天线和天线阵及天线罩，高速互连结构、电真空器件，研究目标特性和系统部件的电磁兼容电磁干扰特性，从而降低设计成本，减少设计周期，增强竞争力。

2.微波基础理论

2.1微波及其特点

微波技术已有几十年的发展历史，现已成为一门比较成熟的学科。

在雷达、通信、导航、遥感、电子对抗以及工农业和科学研究等方面，微波技术都得到了广泛的应用。

微波技术是无线电电子学中一门相当重要的学科，对科学技术的发展起着重要的作用。

微波是一种频率非常高的电磁波。

把波长从1m到0.1mm范围内的电磁波称为微波。

微波波段对应的频率范围为:

3×108Hz～3×1012Hz。

（1）似光性（波长短）

微波波长较短时：

当微波的波长比地球上的宏观物体（如飞机、舰船、导弹、卫星、建筑物等）的几何尺寸小得多时，微波照射到这些物体上时将产生强烈的反射。

此直线传播的特点与几何光学相似，故可以说微波具有“似光性”。

利用这一特殊，可以制成体积小、方向性很强的微波天线，用来发射或接收微弱的微波信号，从而为雷达、微波中继通信、卫星通信和导弹等提供必要条件。

微波最早的应用实例——雷达。

微波波长较长时：

当微波的波长与实验设备（比如波导、微带、谐振腔呈其它微波元件）的尺寸相比在同数量级时，使得电磁能量分布于整个微波电路之中，形成所谓“分布参数”系统。

这与低频电路有原则区别，因为低频时电场和磁场能量是分别集中于所谓“集总参数”的各个元件中。

（2）频率高

因为微波波段的振荡周期在10-9~10-13s数量级，而普通电真空器件中电子的渡越时间一般为10-9s数量级，就是说二者属于同一数量级。

于是，在低频时被忽略了的电子惯性，亦即电磁波与电子间的相互作用、极间电容和引线电感等的影响就不能再忽视了。

普通电子管已不能用做微波振荡器、放大器或检波器了，代之而来的则是建立在新的原理基础上的微波电子管、微波固体器件和量子器件，同时伴随频率的升高、高频电流的趋肤效应、传输系统的辐射效应以及电路的延时效应（相位滞后）等明显地表露出来。

由于微波频率极高，它的实际可用频带很宽，可达109Hz数量级，这是低频无线电波无法比拟的。

频带宽意味着信息容量大，因而微波可作为多路通信的载频。

另外，微波受外界干扰小，且不受电离层变化影响，通信质量高于低频无线电波。

（3）具有穿透性

利用微波本身的高频振荡，微波可以穿透电离层。

由于微波不能被电离层所反射，所以微波的地面通信只限于天线的视距范围之内，远距离微波通信需要用中继站接力。

另一方面，利用微波能穿透电离层，可以利用微波进行宇航通信、卫星通信和射电天文学研究等，因此微波开辟了电磁波谱中的一个的“宇宙窗口”。

微波还可以穿过生物体，即能够深入物质（介质）内部，研究分子和原子核的结构，是近代微波波谱学和量子电子学所依据的基本物理基础。

在微波波段有若干个可以通过电离层的“宇宙窗口”，因而微波是独特的宇宙通讯手段。

（4）量子特性

由于低频电波的频率很低，量子能量很小，不足以改变物质分子的内部结构或破坏分子间的键，量子特性不明显。

微波波段的电磁波，单个量子的能量为10-6~10-3eV。

而一般顺磁物质在外磁场中所产生的能级间的能量差额介于10-5~10-4eV之间，因而电子在这些能级间跃迁时所释放或吸收的量子的频率是属于微波范畴的。

因此，微波可用来研究分子和原子的精细结构。

同样在超低温时物体吸收一个微波量子也可产生显著反应。

上述两点对近代尖端科学，如微波波谱学、量子无线电物理的发展都起着重要作用。

利用此特性和原理，可研制适用于许多微波波段的器件。

2.2微波集成传输线

2.2.1微带线和带状线

（1）微带线是一根带状导（信号线），与地平面之间用一种电介质隔离开。

如果线的厚度、宽度以及与地平面之间的距离是可控制的，则他的特性阻抗也是可以控制的。

（2）带状线是一条置于两层导电平面之间的电介质中间的铜带线。

如果线的厚度和宽度、介质的介电常数以及两层导电平面间的距离是可控的，那么线的特性阻抗也是可控的。

2.2.2带状线的概述

带状线由上、下两块接地板和中间的导体组成，导体位于上、下接地板的对称面上，导体带与接地板之间可以是空气或填充其他介质，它非常适合光刻加工制造。

上、下接地板之间的距离为b，之间导体的宽度为W，厚度为t，中间导体位于b的之间。

实际中的带状线通常是把中间导体蚀刻在b/2的有接地平面的基片上，然后覆盖另一块厚度相同的有接地平面的基片而构成的。

带状线：

一条置于2个平行的地平面（或电源平面）之间的电介质之间的一根高频传输导线。

一般来说，地平面与导线之间是绝缘介质。

如果线的厚度和宽度、介质的介电常数以及两层导电平面间的距离是可控的，那么线的特性阻抗也是可控的。

带状两边都有电源或者底层，因此阻抗容易控制，同时屏蔽较好，但是信号速度慢些。

带状线是TEM波，而微带线是准TEM波。

2.3微波网络传输散射矩阵

在微波频段，电压和电流已失去明确的物理意义，难以直接测量，同时Z参数和Y参数也难以测量（开路条件和短路条件在高频的情况下难以实现）。

散射参数，简称S参数。

（可直接测量）

普通散射参数：

行波散射参数。

其物理内涵是以特性阻抗匹配为核心，它在测量技术上的外在表现形态是电压驻波比VSWR；

广义散射参数：

功率散射参数。

是以共轭匹配（最大功率匹配）为核心，它在测量技术上的外在表现形态是失配因子M。

1.普通散射参数的定义

普通散射参数是用网络各端口的入射电压波和出射电压波来描述网络特性的波矩阵。

式（2-1）

则可得

式（2-2）

两边除以

，定义如下归一化入射波和归一化出射波。

式（2-3）

则第i端口的行波反射系数为

式（2-4）

则解为

　　　　　式（2-5）

或归一化电压和归一化电流

　　　　　式（2-6）

以归一化入射波振幅为自变量，归一化出射波振幅为因变量，则可得线性N端口微波网络的行波散射矩阵为

式（2-7）

或

式中

式（2-8）

散射矩阵元素的定义为

式（2-9）

当除j以外的其他端口的入射波为零时（即接匹配负载时），

为在端口j用入射电压波

激励，测量端口i的出射电压振幅

来求得。

（两者的比例）

散射参数的物理意义：

是当所有其它端口接匹配负载时端口i的反射系数，

是当所有其它端口接负载时从端口j至端口i的传输系数。

3.微波四端口元器件

3.1多端口微波器件简述

任何一个微波系统都是由很多功能不同的微波器件和有源电路组成，微波器件在系统中起着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、阻抗匹配与变换的作用。

微波器件的种类繁多，按导行系统结构分类，可分为波导型、同轴线型、微带线型等；按工作波形分类，可分为单模元件和多模元件；按功能分类，分为：

匹配元件、连接元件、定向耦合元件、滤波元件、衰减与相移元件、谐振器等。

按端口的数目分为单端口、双端口、n端口器件。

如按网络特性分类，则分为：

线性与非线性网络、互易与非互易网络、有耗与无耗网络、对称与非对称网络。

与低频电路的设计不同，微波系统无论有源还是无源，都必须考虑阻抗匹配问题，阻抗匹配网络是设计微波电路与系统时采用最多的电路元件。

这主要是由于微波电路传输的事电磁波而不是低频电路的电压和电流。

如不匹配，将会引起反射，造成传输能量的损失。

本文研究的是微波多端口器件，它们在微波传输系统中有多个端口与传输线或其他器件相连，如果器件不匹配，在接头处会引起不同程度的反射，造成传输能量的损耗，使器件性能变差。

所以，匹配的性能良好的微波器件是所追求的目标。

传统制作微波器件方法是手工计算与实验调整相结合。

但由于微波器件本身就有很多没有或者无法细致考虑的因素，因此，设计微波器件的主要难点是在进行多次计算优化设计的基础上，还要经行大量细致的调试工作。

因为微波工作频率高，元件尺寸小，尺寸稍有偏差，微波器件性能就可能发生很大的变化。

当然调试优化工作可以由仿真软件协助完成。

微波系统的设计越来越复杂，对电路的性能要求越来越高，电路的功能越来越多，电路的尺寸要求越做越小，而设计周期越来越短，传统的设计方法已经不能满足系统设计的需要，使用微波EDA软件进行微波元器件与微波系统的设计已经成为微波电路设计的必然趋势。

3.2无耗可逆四端口网络的基本性质

（1）无耗可逆四端口网络可以完全匹配，且为一个理想定向耦合器。

（2）有理想定向性的无耗可逆四端口网络不一定四个端口均匹配，故四个端口匹配时定向耦合器的充分条件，而不是必要条件。

（3）有两个端口匹配且互易隔离的无耗可逆四端口电路必为一个理想的定向耦合器。

3.3定向耦合器基本概念

定向耦合器是微波系统中应用最广泛的元件：

它是一种具有方向性功率分配器。

它的结构形式是多种多样的，它用于提取波导系统中的部分能量以便监视该系统的功率、频率和匹配情况，或观察脉冲形状和比较相位，或用在微波鉴频器中以稳定微波源，有时在微波接受系统中，用以向微波系统引入本机震荡能量。

定向耦合器的种类繁多，结构迥异，分析方法也不尽相同，按传输线类型分，有波导定向耦合器、同轴线定向耦合器、带状线或微带定向耦合器等；按耦合输出方向分，有同向定向耦合器和方向定向耦合器等；按耦合强弱分，有强耦合定向耦合器和弱耦合定向耦合器等。

尽管如此，所有类型的定向耦合器都有共通的特性：

当其中一端口有微波能输入时，其余三端口之一应无输出。

定向耦合器常用于对规定流向微波信号进行取样。

在无内负载时，定向耦合器往往是一四端口网络。

定向耦合器常有两种方法实现，一为耦合定向耦合器，其耦合区长度为四分之一的整数倍，其直接输出和耦合输出端口在结构上不相邻，输出相位差往往是90度或180度，剩余的一个端口称为隔离端，理论上隔离端不输出任何能量。

另一种为分支线定向耦合器，两输出端口结构上相邻，输出相位差也可以实现90度或180度，常用语强耦合场合。

参数说明：

耦合度：

当其余端口接匹配负载时，耦合端输出功率与主线输入功率之比。

耦合损耗：

由于一定能量传输到耦合端而引起主线输出功率减小，它等于主线插入损耗的理论值。

主线损耗：

当匹配负载接主线外各端口时，主线插入损耗包括能量耦合损耗和能量耗散损耗两方面。

方向性：

当功率在指定方向上传输时，耦合端口的输出功率与同样功率在相反方向传输时同一耦合端口的输出功率之差。

同样，在耦合器上标注的功率是指输入端口的最大输入功率，输出口和耦合端口不能用标注的最大功率输入。

输出口和耦合端口的最大输入功率由耦合度和负载电阻决定。

3.3.1定向耦合器的简单机理

图3-1给出了波导窄壁双孔定向耦合功率的原理图。

图中耦合孔位于波导的公共窄壁上，两孔大小形状相同，间距为

g/4，若功率从端口1输入，则称端口1和2之间的波导为主导，端口3和4之间的波导为副波导。

振幅为a1的入射波，携带功率P1由端口1输入，经小孔①耦合，在副波导中激励起向左右方向传输的两个波，在图中标明为a波和b波。

有典型波导中TE10模的场型分布可知，这里的小孔耦合主要是磁耦合，这种单一的磁耦合是不可能有方向性的，所以a波和b波两者幅度相等，均为k|a1|，这里k≤1，称之为耦合系数。

由于k≤1，故可忽略第①小孔分功率后对P1的影响，而认为主波导中第②小孔处的入射波功率仍为P1，经小孔②耦合在副波导中再次激励起想做有两个方向传输的a’波和b’波，他们幅度相等，仍为k|a1|。

由于两空间距为

g/4，从图中可见，传输到T4参考面上的a’波相对于a波行程上多走了（

g/4）×2=

g/2，故相位上滞后π，因此两波相互抵消，使得端口4的输出功率P4=0；而端口3上的b波和b’波两者行程一样，故应同向叠加，使得

式（3-1）

在此，端口3称为耦合臂，端口4称为隔离臂，端口2称为直通臂。

图3-1波导定向耦合器原理图

双孔定向耦合器明显的缺陷是只能在窄频带情况下是用，为了展开工作频带，措施之一是增加小孔数目，让个孔的半径不相等，或者将耦合空加工成椭圆形或长槽形，这样就有可能在一个较宽的频带内，经这些小孔耦合的众多的波在隔离臂近似互相抵消，而在耦合臂得以加强。

3.3.2对称理想定向耦合器的散射矩阵

对称理想耦合器存在两种。

第一类，假设端口1和4完全隔离，由于结构对称，端口2和3也完全隔离，即

式（3-2）

结构对称还使散射参数有下关系：

，

式（3-3）

设网络各端口均已调匹配，即Sii=0（1，2，3，4），同时考虑到网络的互易性，综合上述特点，散射矩阵应有如下形式：

式（3-4）

理想无耗定向耦合器满足的条件

式（3-5）

[s]H的第一行乘以[s]第一列，得

式（3-6）

[s]H的第一行乘以[s]的第四列，得

式（3-7）

可见S12S13为纯虚数，其中一种可能是

式（3-8）

故第一类对称定向耦合器的散射矩阵为

式（3-9）

由此可以看出第一类对称理想定向耦合器的一个特点，在直通臂和耦合臂的外向波之间存在着90°的相位差。

对于第二类对称理想定向耦合器，假设端口1和3完全隔离，由于结构的对称性，端口2和4也完全隔离，即

式（3-1