帶短路支節(jié)的高隔離度分支線(xiàn)定向耦合器設(shè)計(jì)研究-碩士論文

1、<p>　　單位代碼： 10293 密 級(jí)： </p><p>　　碩 士 學(xué) 位 論 文</p><p>　　論文題目：帶短路支節(jié)的高隔離度分支線(xiàn)定向耦合器設(shè)計(jì)研究</p><p>　　電磁場(chǎng)與微波技術(shù) </p><p>　　移動(dòng)通信與射頻技術(shù) </p><p>　

2、　工學(xué)碩士 </p><p>　　二零一五年三月 </p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　定向耦合器是一種常用微波無(wú)源元件，在無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)的射頻前端中有著廣泛的應(yīng)用。特別在收發(fā)同頻的無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)中定向耦合器常常被用作隔離收發(fā)信號(hào)的一種關(guān)鍵部件。但是傳統(tǒng)的定向耦合器隔離度偏低且工作帶寬較窄，無(wú)法滿(mǎn)足系統(tǒng)

3、的要求。本文以分支線(xiàn)定向耦合器為研究對(duì)象，主要圍繞如何提高其隔離度和增加工作帶寬來(lái)進(jìn)行深入研究。論文的主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)包括：</p><p>　?。?）根據(jù)功率相消原理在其耦合端口增加一條微帶短路支節(jié)，設(shè)計(jì)出一款3dB帶短路支節(jié)雙分支線(xiàn)定向耦合器。這種方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，且能夠大幅提高耦合器隔離度。</p><p>　?。?）完成了一款實(shí)驗(yàn)樣品的加工、測(cè)量工作，驗(yàn)證了短路支節(jié)線(xiàn)用于提高

4、雙分支線(xiàn)定向耦合器隔離度的效果，以及工作帶寬提高不明顯的缺點(diǎn)。</p><p>　　（3）在雙分支線(xiàn)定向耦合器基礎(chǔ)上，總結(jié)出一種有效提高其工作帶寬的方法：增加耦合路徑，并設(shè)計(jì)出一款3dB三分支線(xiàn)定向耦合器，該耦合器能夠大幅拓寬工作帶寬。在3dB帶短路支節(jié)雙分支線(xiàn)定向耦合器的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出一款3dB帶短路支節(jié)三分支線(xiàn)定向耦合器，該款改進(jìn)型定向耦合器在很大程度上拓寬了工作帶寬，且提高了隔離度。</p>&

5、lt;p>　　關(guān)鍵詞: 定向耦合器，隔離度，短路支節(jié)，工作帶寬</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Reader is an important part of the RFID system, and the reader send and receive isolation is one of the key perf

6、ormance of RFID system. At present, the most common methods to improve the reader transceiver isolation degree is to add directional coupler in front of the reader antenna feed network.The traditional directional coupler

7、 isolation and working bandwidth is narrow,and can not meet the requirements if the RFID system. In this paper,we focus on the branch line of directional coupler and re</p><p>　　We use method of old-even mod

8、e to analyze the double branch line directional coupler,and</p><p>　　use the HFSS simulation software to model and simulation,find the directional has a low degree isolation shortcoming. In order to increase

9、 isolation of the directional coupler,according to the theory of destructive power we increase a short branch section in the port, and design a 3dB dual-branch directional coupler with a short branch section.This method

10、is simple in structure, easy to implement, and can greatly improve the coupler isolation.</p><p>　　(2) We process the 3dB dual-branch directional coupler with a short branch section into objects, using a vec

11、tor network analyzer to measure it,finally compare the simulation results and measurement results and found the isolation has been improved in the very great degree but the bandwith is not obvious increased.</p>&

12、lt;p>　　(3) Base on the dual branch line directional coupler,we sum an effective operating to improve its bandwidth approach:increase the coupling path,and design a 3dB three-branch line directional coup

13、ler, the coupler can greatly expand the bandwidth.Base on the dual-branch line directional coupler with a short branch section we design a 3dB three-branch directional coupler with a short branch section,T

14、he directional coupler significantly increases the operating bandwidth, and improve the isolation.</p><p>　　Key words: the RFID system, isolation , short branch section, directional coupler</p><p&

15、gt;<b>　　目錄</b></p><p><b>　　第一章 緒論1</b></p><p>　　1.1 研究的背景與意義1</p><p>　　1.2 RFID系統(tǒng)基本介紹1</p><p>　　1.3 RFID系統(tǒng)現(xiàn)狀和進(jìn)展3</p><p>　　1.3.1

16、 RFID系統(tǒng)使用現(xiàn)狀3</p><p>　　1.3.2 RFID系統(tǒng)中讀寫(xiě)器收發(fā)隔離技術(shù)的重要程度3</p><p>　　1.4 本文的主要工作及內(nèi)容安排4</p><p>　　第二章 定向耦合器基本原理6</p><p>　　2.1 定向耦合器工作原理6</p><p>　　2.1.1 定向耦合器基本特性

17、6</p><p>　　2.1.2 定向耦合器理論分析7</p><p>　　2.1.3 定向耦合器的技術(shù)指標(biāo)9</p><p>　　2.2 常見(jiàn)定向耦合器的介紹10</p><p>　　2.2.1 平行耦合線(xiàn)定向耦合器11</p><p>　　2.2.2 波導(dǎo)定向耦合器11</p><

18、p>　　2.2.3 分支線(xiàn)定向耦合器13</p><p>　　2.2.3 環(huán)形定向耦合器14</p><p>　　2.3 3dB微帶分支線(xiàn)定向耦合器理論分析15</p><p>　　2.4 本章小結(jié)18</p><p>　　第三章 帶短路支節(jié)雙分支線(xiàn)定向耦合器設(shè)計(jì)19</p><p>　　3.1 3dB

19、雙分支線(xiàn)定向耦合器設(shè)計(jì)19</p><p>　　3.1.1 3dB雙分支線(xiàn)定向耦合器ADS仿真19</p><p>　　3.1.2 微帶線(xiàn)理論分析21</p><p>　　3.1.3 3dB雙分支線(xiàn)定向耦合器建模與結(jié)果分析23</p><p>　　3.2 3dB帶短路支節(jié)雙分支線(xiàn)定向耦合器設(shè)計(jì)26</p><p&

20、gt;　　3.2.1 3dB帶短路支節(jié)雙分支線(xiàn)定向耦合器的工作原理27</p><p>　　3.2.2 3dB帶短路支節(jié)雙分支線(xiàn)定向耦合器建模與仿真29</p><p>　　3.2.3 相關(guān)參數(shù)優(yōu)化與結(jié)果分析31</p><p>　　3.2.4 兩款定向耦合器對(duì)比分析38</p><p>　　3.3 本章小結(jié)40</p>

21、<p>　　第四章 實(shí)物測(cè)試與結(jié)果分析41</p><p>　　4.1 實(shí)物加工與測(cè)試41</p><p>　　4.2 測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果分析44</p><p>　　4.3 本章小結(jié)47</p><p>　　第五章 改進(jìn)型微帶分支線(xiàn)定向耦合器設(shè)計(jì)48</p><p>　　5.1 3dB微帶三分

22、支線(xiàn)型定向耦合器設(shè)計(jì)48</p><p>　　5.1.1 3dB微帶三分支線(xiàn)定向耦合器ADS仿真48</p><p>　　5.1.2 3dB微帶三分支線(xiàn)定向耦合器建模與仿真51</p><p>　　5.2 3dB帶短路支節(jié)三分支線(xiàn)定向耦合器設(shè)計(jì)54</p><p>　　5.2.1 3dB帶短路支節(jié)三分支線(xiàn)定向耦合器建模與仿真54&l

23、t;/p><p>　　5.2.2 參數(shù)優(yōu)化與結(jié)果分析56</p><p>　　5.2.3 3dB帶短路支節(jié)雙分支線(xiàn)和3dB帶短路支節(jié)三分支線(xiàn)定向耦合器對(duì)比分析60</p><p>　　5.3 本章小結(jié)61</p><p>　　第六章 總結(jié)與展望62</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)64</b&

24、gt;</p><p><b>　　緒論</b></p><p><b>　　研究的背景與意義</b></p><p>　　無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別技術(shù)(Radio Frequency Identification,RFID)是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它的主要特征是運(yùn)用射頻信號(hào)和空間耦合傳輸特性，達(dá)到對(duì)被識(shí)別物體的自動(dòng)識(shí)別[1]。

25、RFID技術(shù)是在雷達(dá)的理念的基礎(chǔ)上，并由此進(jìn)化出來(lái)的一類(lèi)新型自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。19世紀(jì)40年代，哈里斯托克曼所創(chuàng)新的“利用反射功率的通信”從而奠定了無(wú)線(xiàn)射頻技術(shù)的相關(guān)基礎(chǔ)理論[2]。</p><p>　　無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別系統(tǒng)一般由電子標(biāo)簽（應(yīng)答器）和閱讀器（讀頭）這兩個(gè)部分構(gòu)成。RFID的現(xiàn)實(shí)運(yùn)用中[10,11]，電子標(biāo)簽貼敷于被識(shí)別物體的表面或內(nèi)部，每當(dāng)帶有著電子標(biāo)簽的被識(shí)別物體經(jīng)過(guò)它的可識(shí)讀范圍內(nèi)，閱讀器可以自己用非

26、接觸的方式將電子標(biāo)簽中的識(shí)別信息提取，進(jìn)而達(dá)到自動(dòng)收集物品標(biāo)志信息或自動(dòng)識(shí)別物品的性能。</p><p>　　RFID技術(shù)起始于上個(gè)世紀(jì)90年代，它是一個(gè)新的自動(dòng)化識(shí)別技術(shù)，而且發(fā)展迅速且得到了很大的肯定。RFID是一類(lèi)新型的無(wú)接觸識(shí)別技術(shù)，它運(yùn)用發(fā)射射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)空間的耦合來(lái)自動(dòng)識(shí)別需要識(shí)別的物體。RFID技術(shù)相比于早期的識(shí)別技術(shù)如IC卡等最大的優(yōu)勢(shì)在于其并不需要與待識(shí)別物體接觸就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別的功能，因此這一

27、技術(shù)在射頻通信領(lǐng)域得到了十分迅速的發(fā)展。無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別技術(shù)應(yīng)用范圍非常大，如制造，信息，材料等新技術(shù)方面，也覆蓋了無(wú)線(xiàn)通信，芯片設(shè)計(jì)，集成系統(tǒng)，信息安全等層面。在21世紀(jì)初，美國(guó)，歐洲等西方發(fā)達(dá)國(guó)家及地區(qū)已申請(qǐng)了數(shù)千項(xiàng)涉及到RFID的專(zhuān)利。因而，我國(guó)目前將RFID技術(shù)的列入深入研究已經(jīng)是迫不及待且有著十分重大的影響。</p><p>　　RFID技術(shù)的研究迅速依賴(lài)著很多技術(shù)的共同進(jìn)步。其所涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括：芯片、

28、無(wú)線(xiàn)接收發(fā)、電磁傳播、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和編碼等。RFID技術(shù)的發(fā)展路程已經(jīng)跨過(guò)50個(gè)年頭，21世紀(jì)的這些年中它的發(fā)展很快。伴隨技術(shù)的迅速發(fā)展，RFID衍生物品的類(lèi)別將會(huì)越來(lái)越多，而隨之而來(lái)的應(yīng)用也會(huì)更多。能夠想象到，今后的歲月中，RFID技術(shù)仍繼續(xù)維持以這種快速的發(fā)展趨勢(shì)[9]。</p><p>　　RFID系統(tǒng)基本介紹</p><p>　　RFID的實(shí)現(xiàn)形式如下1-1，它的構(gòu)成由讀寫(xiě)器，電子標(biāo)簽

29、和后臺(tái)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)這個(gè)三個(gè)模塊[4]。該系統(tǒng)的基本原理為：讀寫(xiě)器利用天線(xiàn)發(fā)射指定頻率的射頻信號(hào)給電子標(biāo)簽，電子標(biāo)簽運(yùn)用耦合機(jī)制反饋數(shù)據(jù)信息于讀寫(xiě)器，再經(jīng)過(guò)后臺(tái)數(shù)據(jù)管理對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行相關(guān)處理和分析并發(fā)出有關(guān)的處理信號(hào)給射頻終端設(shè)備。</p><p>　　圖1.1 RFID的基本結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　讀寫(xiě)模塊和信號(hào)發(fā)射接收這兩塊構(gòu)成了閱讀器，而讀寫(xiě)模塊又由讀寫(xiě)電路和讀寫(xiě)程序這兩塊組成，讀

30、寫(xiě)器則是用來(lái)鏈接應(yīng)答器和應(yīng)用系統(tǒng)，信號(hào)發(fā)射和接收部分由射頻信號(hào)放大器、濾波器、檢波器及發(fā)射天線(xiàn)等幾部分共同構(gòu)成[5]。RFID系統(tǒng)的標(biāo)簽是芯片電路和元件兩塊所構(gòu)成。標(biāo)簽是含有識(shí)別信息且有具有表明身份信息的編碼，標(biāo)簽由天線(xiàn)、電容和芯片等幾個(gè)部分組成。對(duì)于標(biāo)簽的種類(lèi)，當(dāng)今市面上的標(biāo)簽有下面幾種：無(wú)源、有源和半有源半無(wú)源。后臺(tái)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)承擔(dān)的主要職責(zé)是對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行存儲(chǔ)及處理操作，此系統(tǒng)可以是功能唯一的本地軟件，也可以使用集成了無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別

31、系統(tǒng)管理模塊的分布式ERP管理軟件來(lái)替代[7]。</p><p>　　一個(gè)完整的RFID系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程如下，讀寫(xiě)器天線(xiàn)連續(xù)將指定頻率的信號(hào)發(fā)射到周?chē)目臻g當(dāng)中去，每當(dāng)在讀寫(xiě)器的可識(shí)讀范圍內(nèi)進(jìn)入了具有電子標(biāo)簽的識(shí)別物體時(shí)，此時(shí)電子標(biāo)簽內(nèi)的天線(xiàn)和線(xiàn)圈能夠感應(yīng)出相應(yīng)的感應(yīng)電流。此時(shí)，電子標(biāo)簽就會(huì)利用感應(yīng)出來(lái)的電流為自己提供能量，使得標(biāo)簽芯片內(nèi)存儲(chǔ)的待識(shí)別物品的數(shù)據(jù)信息由標(biāo)簽天線(xiàn)發(fā)射出去，當(dāng)讀寫(xiě)器天線(xiàn)接收到電子標(biāo)簽返回的

32、電磁信號(hào)時(shí)，把該電磁信號(hào)經(jīng)過(guò)檢波和解碼，再將接收到的數(shù)據(jù)信息反饋給后臺(tái)的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和整合處理，然后管理系統(tǒng)將所獲得的識(shí)別物數(shù)據(jù)信息和自身數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，最終完成對(duì)待識(shí)別物的識(shí)別目的[2-4]。</p><p>　　RFID系統(tǒng)現(xiàn)狀和進(jìn)展</p><p>　　RFID系統(tǒng)使用現(xiàn)狀</p><p>　　目前國(guó)際上使用的RFID系統(tǒng)的工作頻段主要包括低

33、頻（LF）、高頻（HF）和超高頻（UHF）以及微波頻段這四個(gè)不同的頻段[7]。低頻RFID系統(tǒng)主要工作頻段是100kHz-500kHz，通常用的工作頻率是125kHz和134.2kHz兩種；高頻RFID系統(tǒng)主要工作頻段是10MHz-15MHz，比較常用的工作頻率是13.56MHz；超高頻RFID系統(tǒng)主要工作頻段是850MHz-960MHz，比較常用工作頻率是915MHz；微波RFID系統(tǒng)主要工作在2.4GHz-5Ghz頻段。具體情況見(jiàn)表

34、1.1[12]：</p><p>　　表1.1 不同頻段的RFID系統(tǒng)詳情</p><p>　　RFID系統(tǒng)中讀寫(xiě)器收發(fā)隔離技術(shù)的重要程度</p><p>　　眾所周知，RFID系統(tǒng)中讀寫(xiě)器和電子標(biāo)簽之間是用數(shù)字信號(hào)信息進(jìn)行傳輸和交換的，射頻標(biāo)簽和讀寫(xiě)器中的天線(xiàn)只能發(fā)射和接收模擬信號(hào)，那么，首當(dāng)其沖的就是要把數(shù)字信號(hào)變換成模擬信號(hào)然后經(jīng)天線(xiàn)發(fā)射出去。而在收發(fā)具有相同

35、頻率的RFID系統(tǒng)中，讀寫(xiě)器的發(fā)射信號(hào)和接收端的接收信號(hào)難免要產(chǎn)生同頻互擾，此時(shí)讀寫(xiě)器的抗干擾能力的強(qiáng)弱就對(duì)整個(gè)RFID系統(tǒng)的使用質(zhì)量就起著非常重要的影響。讀寫(xiě)器的抗干擾能力具體體現(xiàn)在讀寫(xiě)器的收發(fā)隔離性能方面。因此，讀寫(xiě)器天線(xiàn)的收發(fā)隔離性能的好壞直接決定了整個(gè)RFID系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量的好與壞，如果讀寫(xiě)器天線(xiàn)的收發(fā)隔離性能較差，就會(huì)造成接收端接收到天線(xiàn)發(fā)射端的同頻強(qiáng)信號(hào)，從而對(duì)信號(hào)接收機(jī)進(jìn)行干擾，造成信號(hào)處理出現(xiàn)誤碼，對(duì)整個(gè)RFID系統(tǒng)的正

36、常使用產(chǎn)生了嚴(yán)重的危害 [13,14]。</p><p>　　RFID系統(tǒng)中至關(guān)重要的一部分就是讀寫(xiě)器，它的結(jié)構(gòu)圖如下1.2所示，它的好壞將會(huì)對(duì)整個(gè)RFID系統(tǒng)都產(chǎn)生一定影響。常見(jiàn)的RFID系統(tǒng)中采用環(huán)行器作為收發(fā)隔離器來(lái)提升隔離度，然而環(huán)行器是基于鐵氧體制作而成的，成本高，體積大，隔離度較低，并不滿(mǎn)足RFID讀寫(xiě)器的隔離度要求[43-45]。</p><p>　　圖1.2 讀寫(xiě)器結(jié)構(gòu)圖&

37、lt;/p><p>　　為了能夠提升該器件的隔離度，常見(jiàn)改進(jìn)如：一種是改變天線(xiàn)自身的結(jié)構(gòu)來(lái)提升隔離度的性能[6-8]；一種是提高天線(xiàn)前端饋電網(wǎng)絡(luò)的隔離性能來(lái)提升系統(tǒng)收發(fā)隔離度[16-18]。而關(guān)于天線(xiàn)結(jié)構(gòu)的改變是非常有限的，所以當(dāng)今研究的重點(diǎn)都放在了饋電網(wǎng)絡(luò)上。目前最流行的方法是：采用3dB定向耦合器作為饋電網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生兩個(gè)同頻、同功率、相位差為90度的正交線(xiàn)極化波，然后組成一個(gè)圓極化波。這樣，關(guān)于3dB定向耦合器的隔離

38、度的研究就成為了RFID系統(tǒng)收發(fā)隔離度的關(guān)鍵[19,20]。</p><p>　　本文的主要工作及內(nèi)容安排</p><p>　　本文主要工作是針對(duì)RFID系統(tǒng)的需求，研究如何改進(jìn)提高定向耦合器的隔離度指標(biāo)，在多種不同結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)定向耦合器中，本文選擇了3dB微帶分支線(xiàn)定向耦合器作為基本結(jié)構(gòu)，研究了通過(guò)在耦合端口添加一條短路微帶線(xiàn)來(lái)改進(jìn)隔離度指標(biāo)的設(shè)計(jì)方案。根據(jù)該設(shè)計(jì)思路本文首先在雙分支微帶線(xiàn)

39、定向耦合器的基礎(chǔ)上，通過(guò)數(shù)值仿真進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，成功地設(shè)計(jì)出了一款高隔離度分支線(xiàn)定向耦合器。在此基礎(chǔ)上又進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)樣品的加工測(cè)試，并通過(guò)實(shí)際測(cè)量驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的正確性和可靠性。然后，本文又進(jìn)一步將該設(shè)計(jì)思路應(yīng)用于三分支定向耦合器，結(jié)果表明采用三分支定向耦合器通過(guò)添加一條短路微帶線(xiàn)可以獲得更好的技術(shù)指標(biāo)，特別是工作帶寬可以獲得顯著的改善。本文具體章節(jié)安排如下：</p><p>　　第一章，主要從結(jié)構(gòu)，工作原理等內(nèi)容對(duì)

40、RFID系統(tǒng)作了系統(tǒng)的描述，同時(shí)根據(jù)有內(nèi)外RFID系統(tǒng)的背景和發(fā)展趨勢(shì)對(duì)RFID系統(tǒng)的重要性進(jìn)行詳細(xì)的分析，并對(duì)該結(jié)構(gòu)中讀寫(xiě)器收發(fā)隔離度的重要性進(jìn)行了分析。</p><p>　　第二章，先簡(jiǎn)單說(shuō)明了定向耦合器的主要特性，并著重描述了定向耦合器的相關(guān)原理，并對(duì)定向耦合器運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)分析；再對(duì)當(dāng)今經(jīng)常運(yùn)用的幾種定向耦合器分別作了簡(jiǎn)介；重點(diǎn)對(duì)3dB雙分支定向耦合器作了介紹，運(yùn)用奇偶模分析法對(duì)其基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行了電路分析；最后用

41、ADS仿真了一個(gè)中心頻率為915MHz的3dB雙分支線(xiàn)型定向耦合器，同時(shí)給出仿真結(jié)果。</p><p>　　第三章，先設(shè)計(jì)出了一種耦合度為3dB的雙分支定向耦合器并將其進(jìn)行建模優(yōu)化。其次，重點(diǎn)研究展示了一款微帶短路分支線(xiàn)定向耦合器，并對(duì)此結(jié)構(gòu)進(jìn)行HFSS建模仿真，同時(shí)對(duì)此微帶短路分支線(xiàn)定向耦合器的參數(shù)進(jìn)行分析及優(yōu)化，得出短路分支線(xiàn)對(duì)定向耦合器隔離度性能的提高。最后對(duì)優(yōu)化后的短路分支線(xiàn)3dB定向耦合器和傳統(tǒng)的雙分支

42、3dB定向耦合器進(jìn)行分析對(duì)比，由分析結(jié)果可知短路分支線(xiàn)定向耦合器的各項(xiàng)性能都比傳統(tǒng)的雙分支線(xiàn)定向耦合器有了較大的提升。</p><p>　　第四章，本章主要是將前一章設(shè)計(jì)的微帶短路分支線(xiàn)定向耦合器加工成實(shí)物，并用適量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)量分析；將測(cè)量結(jié)果與此前仿真結(jié)果進(jìn)行分析對(duì)比，得出實(shí)物的測(cè)試性能與仿真結(jié)果大致相同，并對(duì)此次實(shí)物的測(cè)量值和仿真值的誤差進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析，并得出結(jié)論。</p><

43、;p>　　第五章，在第四章的基礎(chǔ)上，為了更好的提高耦合器的隔離度和工作帶寬，提出了一種常見(jiàn)的方法：增加耦合路徑，并設(shè)計(jì)一款3dB微帶三分支線(xiàn)定性耦合器，仿真后驗(yàn)證了作者的猜想。將第三章提高隔離度的方法運(yùn)用到三分支定向耦合器研究出一款改進(jìn)型的定向耦合器：3dB微帶短路三分支線(xiàn)型定向耦合器，對(duì)該耦合器作了重點(diǎn)建模和結(jié)果分析，并將微帶短路三分支線(xiàn)定向耦合器和短路雙分支線(xiàn)定向耦合器進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)此耦合器所有性能參數(shù)都能夠提高很多。<

44、/p><p>　　第六章，對(duì)本文主要研究工作的內(nèi)容總結(jié)，并對(duì)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題作了分析，最后對(duì)下一步工作提出展望。</p><p><b>　　定向耦合器基本原理</b></p><p><b>　　定向耦合器工作原理</b></p><p><b>　　定向耦合器基本特性</b>&

45、lt;/p><p>　　定向耦合器是一種無(wú)源微波器件，其功能是功率組合分配或功率組合，如下2.1所示。定向耦合器可使一路輸入信號(hào)P1變成具備一定比例關(guān)系的兩路小功率的信號(hào)P2和P3，同樣也可以將具備一定比例關(guān)系的兩路功率較小的信號(hào)P2和P3匯合成一路信號(hào)P1輸出[8]。</p><p>　　圖2.1 耦合器示意圖</p><p>　　定向耦合器在微波系統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣

46、泛，比如調(diào)制器、混頻器及天線(xiàn)中信號(hào)合成與信號(hào)分離都有涉及。它既可是如圖2.1所示的無(wú)耗的或者有耗的三端口器件，也可以是四端口或者多端口網(wǎng)絡(luò)。經(jīng)常運(yùn)用的有三端口和四端口結(jié)構(gòu)。三端口網(wǎng)絡(luò)比較常見(jiàn)如T型結(jié)或其他功率分配器形式，而四端口網(wǎng)絡(luò)一般常見(jiàn)的是定向耦合器及混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[46]。</p><p>　　圖2.2 定向耦合器平面示意圖</p><p>　　定向耦合器如上圖2.2，上圖中1-2和4

47、-3分別是兩根普通的線(xiàn)，而這兩根線(xiàn)間包含一定的耦合機(jī)制，若信號(hào)能量經(jīng)過(guò)1端口輸入，由耦合器的功率分配比可知，一些信號(hào)能量從端口2輸出，而另一部分被耦合到了4-3傳輸線(xiàn)中，并從3端口或4端口輸出。如若3端口是信號(hào)輸出端口，那么端口4則是隔離端口，稱(chēng)作“同向定向耦合器”，因其信號(hào)在1-2及4-3傳輸線(xiàn)上同向傳輸；同理，當(dāng)信號(hào)由端口4輸出，且端口3沒(méi)有信號(hào)輸出時(shí)，那么稱(chēng)作“反向定向耦合器”。以耦合方式可歸分為單孔耦合、連續(xù)耦合、多孔耦合、支線(xiàn)

48、耦合、環(huán)耦合等；以輸出相位可以歸劃成定向耦合器和定向耦合器等[2]。</p><p><b>　　定向耦合器理論分析</b></p><p>　　分析四端口網(wǎng)絡(luò)，若設(shè)網(wǎng)絡(luò)是互易并且各個(gè)端口都匹配[21]，那么S矩陣就為：</p><p><b>　　(2.1)</b></p><p>　　當(dāng)網(wǎng)絡(luò)是無(wú)

49、耗的，使矩陣中的第一行和第二行以及第三行和第四行進(jìn)行乘法運(yùn)算：</p><p>　　(2.2) </p><p><b>　　(2.3)</b></p><p>　　現(xiàn)以S24*乘式(2.2)，以S13*乘式(2.3)，并用二者所得答案進(jìn)行減法運(yùn)算，得出</p><p><b&g

50、t;　　(2.4)</b></p><p>　　同樣由矩陣第一行和第三行及第二行和第四行展開(kāi)乘法運(yùn)算得：</p><p><b>　　(2.5)</b></p><p><b>　　(2.6)</b></p><p>　　現(xiàn)以S12乘式 (2.5)，以S34乘式(2.6)，并用二者所得結(jié)

51、果進(jìn)行減法運(yùn)算，得到</p><p><b>　　(2.7)</b></p><p>　　同時(shí)滿(mǎn)足式(2.4)和式(2.7)時(shí)的情況是：假設(shè)S14=S23=0，此時(shí)結(jié)果四端口網(wǎng)絡(luò)則為定向耦合器。則其[S]矩陣變?yōu)椋?lt;/p><p><b>　　(2.8)</b></p><p>　　然后，將所得幺正

52、矩陣的每一行進(jìn)行自乘，能夠得到以下關(guān)系式：</p><p><b>　　(2.9)</b></p><p><b>　　(2.10)</b></p><p><b>　　(2.11)</b></p><p><b>　　(2.12)</b></p&g

53、t;<p>　　由式(2.9)和(2.10)可得：，同樣的也可由式(2.11)和(2.12)得：。</p><p>　　假設(shè)其中三個(gè)端口輸出信號(hào)的幅度值和相位值，可將上面方程做進(jìn)一步簡(jiǎn)化。假設(shè),和，其中和是實(shí)數(shù)、和則是待求的相位常數(shù)。</p><p>　　把式 (2.8)的第二行與第三行進(jìn)行乘積運(yùn)算得：</p><p><b>　　(2.13

54、)</b></p><p><b>　　將，和帶入上式可得</b></p><p><b>　　(2.14)</b></p><p>　　從而可得出待求的相位常數(shù)，兩者存在和的等式：</p><p><b>　　(2.15)</b></p><p

55、>　　倘若略去的整數(shù)倍，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)據(jù)相位常數(shù)關(guān)系的不同，能得到兩種定向耦合器的形式：</p><p>　　對(duì)稱(chēng)耦合器：，如果含有實(shí)數(shù)的所有項(xiàng)的相位相等。則矩陣就變成了以下形式：</p><p><b>　　(2.16)</b></p><p>　　反對(duì)稱(chēng)耦合器：，如果振幅的所有項(xiàng)的相位差為180度。則矩陣就變成了下式：</p&g

56、t;<p><b>　　(2.17)</b></p><p>　　特別留意，此兩類(lèi)耦合器的唯一的不同就是參考平面的選取不同。此外，振幅和應(yīng)滿(mǎn)足式(2.9)，則有：</p><p><b>　　(2.18)</b></p><p>　　符合式(2.4)和式(2.7)還有另外一類(lèi)方法：假設(shè)和。使用相同的辦法，如果

57、選擇相位參考點(diǎn)，使和（滿(mǎn)足式（2.15）），則由式（2.2）可得：；由式（2.5）可得：。聯(lián)立兩個(gè)式子得出兩個(gè)方程的解：一個(gè)是，這就與之前定向耦合器的答案相等；另一個(gè)解是當(dāng)時(shí)，意味著。則就成了兩個(gè)去耦合二端口網(wǎng)絡(luò)的情況（端口1與端口4，端口2與端口3），對(duì)此不再做進(jìn)一步討論?；谝陨贤茖?dǎo)，可以得到以下結(jié)論：只要任意四端口網(wǎng)絡(luò)可以使得互易、無(wú)耗、匹配這三個(gè)條件成立則就是一個(gè)定向耦合器[22]。</p><p>　　

58、2.1.3 定向耦合器的技術(shù)指標(biāo) </p><p>　　如下2.3描述了定向耦合器的功率傳輸流圖，結(jié)合上述公式推導(dǎo)，若端口1輸入功率時(shí)，一部分能量耦合至端口3即耦合端口，另一部分能量傳送至端口2即直通端口。在沒(méi)有泄漏信號(hào)的定向耦合器中，無(wú)能量于端口4（隔離端口）輸出。</p><p>　　圖2.3 定向耦合器的功率流圖</p><p>　　用端口1輸入情況分別列出了

59、定向耦合器的常用參數(shù)指標(biāo)的定義。</p><p>　?。?）耦合度：當(dāng)每個(gè)端口都端接匹配負(fù)載時(shí)，輸入端口1的輸入功率除以耦合端口3的輸出功率的值。</p><p>　　耦合度一般簡(jiǎn)記為C，并以dB單位，即</p><p><b>　　(2.19)</b></p><p>　　按式(2.19)的定義，耦合度是3dB的定向耦

60、合器的耦合端口輸出功率是輸入端口輸入功率的二分之一，耦合度為10dB的定向耦合器的耦合端輸出功率是其輸入端口輸入功率的1/10。由此可見(jiàn)，耦合度的值低，則耦合能力強(qiáng)。定向耦合器耦合度并不是越低就越好，而是要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)決定[23]。</p><p>　　隔離度：隔離端口的功率除以輸入端口的功率。</p><p>　　通常隔離度為I，并以dB為單位，即</p><p&g

61、t;<b>　　(2.20)</b></p><p>　　隔離度是用來(lái)表明信號(hào)能量由隔離端口4輸出狀況的參量。理想中定向耦合器的隔離度應(yīng)當(dāng)是趨于無(wú)窮大，而在實(shí)際工程應(yīng)用中是無(wú)法實(shí)現(xiàn)端口4的完全隔離，這就要求工程設(shè)計(jì)中定向耦合器的隔離度值盡量更高，那么定向耦合器就可以有較好的整體性能。</p><p>　　方向性：當(dāng)定向耦合器的所有端口都處于無(wú)反射時(shí)，定向耦合器的耦合端

62、3輸出功率和泄露到隔離端4信號(hào)功率之比。</p><p>　　通常方向性為D，并以dB為單位，即</p><p><b>　　(2.21)</b></p><p>　　理論上，定向耦合器泄露到位于端口4信號(hào)的功率趨向于0，方向性應(yīng)該等于無(wú)限大。。不過(guò)在實(shí)際情況下，定向耦合器的隔離端口并非完全沒(méi)有能量流出，端口的不完全匹配、耦合線(xiàn)的不連續(xù)性和容差

63、都會(huì)使得少部分能量從隔離端口流出。所以方向性是不能實(shí)現(xiàn)其值是無(wú)限大的。</p><p>　　方向性，耦合度和隔離度存在一定的聯(lián)系，隔離度在數(shù)值上等于耦合度與方向性相加，即：</p><p><b>　　(2.22)</b></p><p>　　輸入駐波比：當(dāng)2，3，4這三個(gè)端口都端接匹配負(fù)載時(shí)端口1的電壓駐波比。</p><

64、p>　　通常記為VSWR，即</p><p><b>　　(2.23)</b></p><p>　?。?）頻帶寬度：當(dāng)定向耦合器的耦合度、方向性、隔離度及輸入電壓駐波比同時(shí)滿(mǎn)足相應(yīng)指標(biāo)要求時(shí)。耦合器的工作帶寬。</p><p>　　常見(jiàn)定向耦合器的介紹</p><p>　　常見(jiàn)的定向耦合器主要有：平行耦合線(xiàn)定向耦合

65、器，波導(dǎo)定向耦合器，分支線(xiàn)定向耦合器，環(huán)行定向耦合器等。</p><p>　　平行耦合線(xiàn)定向耦合器</p><p>　　若兩根沒(méi)有屏蔽的傳輸線(xiàn)相距一定距離時(shí)，兩根線(xiàn)之間會(huì)存在電磁耦合的效應(yīng)，將一根傳輸線(xiàn)上的能量耦合到另一根傳輸線(xiàn)上，通過(guò)根據(jù)耦合的電磁能量來(lái)設(shè)計(jì)特定耦合度的平行耦合線(xiàn)定向耦合器。</p><p>　　圖2.4 平行耦合線(xiàn)定向耦合器</p>

66、<p>　　眾所周知，TEM波傳輸線(xiàn)定向耦合器最顯而易見(jiàn)的耦合器就是平行耦合線(xiàn)定向耦合器。圖2.4給出了一節(jié)四分之一波長(zhǎng)平行耦合線(xiàn)定向耦合器的平面示意圖，該耦合器由兩個(gè)寬度一樣的耦合傳輸線(xiàn)組成，此耦合線(xiàn)的大小是四分之一中心頻率處波長(zhǎng)，各端都接匹配負(fù)載Z0。實(shí)際運(yùn)用中，一般用微帶線(xiàn)或是帶狀線(xiàn)來(lái)構(gòu)成這種平行耦合線(xiàn)定向耦合器[23]。</p><p>　　表2.1 耦合器各端口間相位存在關(guān)系圖</p&

67、gt;<p><b>　　波導(dǎo)定向耦合器</b></p><p><b>　　倍茲孔定向耦合器</b></p><p>　　現(xiàn)今的定向耦合器的工作特點(diǎn)皆是由兩個(gè)分開(kāi)的波存在一定的耦合機(jī)制在耦合端口相位疊加，同時(shí)在隔離端口產(chǎn)生相位相消原理。最簡(jiǎn)單的耦合器就是在兩個(gè)波導(dǎo)公共寬壁上開(kāi)一個(gè)小孔，經(jīng)過(guò)此小孔耦合電磁波從一個(gè)波導(dǎo)傳輸至另一個(gè)波導(dǎo)

68、，這種耦合器就是倍茲孔（Bethe hole）定向耦合器。此定向耦合器存在兩類(lèi)不一樣的應(yīng)用：平行波導(dǎo)和斜交波導(dǎo)。如圖2.5所示：</p><p><b>　　(a)</b></p><p><b>　　(b)</b></p><p>　　圖2.5 倍茲孔定向耦合器的兩種結(jié)構(gòu)</p><p>　　通過(guò)

69、小孔理論知道，利用電荷磁耦極矩構(gòu)成的等效源可以來(lái)替換一個(gè)耦合孔[24]。其中，橫向磁耦極矩在耦合波導(dǎo)中的幅射表現(xiàn)為奇對(duì)稱(chēng)關(guān)系，法向的電偶極矩與軸向的磁耦極矩的能量輻射呈現(xiàn)對(duì)稱(chēng)關(guān)系?？梢愿淖冞@兩個(gè)等效源的振幅大小使輻射到隔離端口的電磁相消，從而加強(qiáng)了輻射到耦合端口的電磁波。對(duì)于圖2.5(a)的平行波導(dǎo)定向耦合器，其中兩個(gè)波導(dǎo)尺寸相同且平行的，具體控制輸出端口波振幅的方法是改變耦合孔與公共波導(dǎo)的距離；而對(duì)于圖2.4(b)的斜交波定向耦合器，

70、它控制輸出端口波振幅的方法跟平行波導(dǎo)有所區(qū)別，它通過(guò)改變兩個(gè)斜交波導(dǎo)之間的夾角來(lái)控制振幅。</p><p><b>　　多孔定向耦合器</b></p><p>　　單孔耦合器結(jié)構(gòu)雖然簡(jiǎn)單，但它的缺點(diǎn)是工作帶寬非常的窄。為了滿(mǎn)足寬帶寬的要求，一種提高工作帶寬的方法就是在耦合器的公共窄壁上添加一些耦合孔，利用這些耦合控之間的相位疊加原理可以一定程度上改善工作帶寬。<

71、/p><p>　　圖2.6 雙孔定向耦合器立體示意圖</p><p>　　如上圖2.6所示，最簡(jiǎn)單的波導(dǎo)多孔定向耦合器是只含兩個(gè)孔的雙孔定向耦合器，兩孔之間的距離為四分之一波導(dǎo)波長(zhǎng)。若有信號(hào)經(jīng)端口1輸入，在主波導(dǎo)中就有H10波傳輸，鑒于H10波在窄壁上只有縱向磁場(chǎng)分量，因此通過(guò)每個(gè)孔都只有一種耦合波，倘若要在副波導(dǎo)中形成定向耦合，至少需要開(kāi)兩個(gè)孔[23]。</p><p&g

72、t;　　為了拓展波導(dǎo)定向耦合器的工作帶寬，可以從降低耦合器方向性對(duì)頻率的敏感性出發(fā)，比如增加耦合孔的數(shù)量，這就是形成了多孔定向耦合器[13]。在多孔定向耦合器結(jié)構(gòu)中，N個(gè)耦合孔會(huì)激勵(lì)起N個(gè)正向波和N個(gè)反向波，通過(guò)調(diào)整耦合孔間距來(lái)使得疊加這N個(gè)反向波從而相抵消。耦合孔越多，反向波相消可能性就越大，如此一來(lái)耦合器性能對(duì)中心頻率的依賴(lài)性越小，從而可以使得定向耦合器在更寬的頻率周?chē)鷥?nèi)保持較好的方向性與隔離性。所以多孔定向耦合器擁有較大工作帶寬。

73、</p><p>　　2.2.3 分支線(xiàn)定向耦合器</p><p>　　眾所周知兩根平行的傳輸線(xiàn)就可以組成分支線(xiàn)定向耦合器，并分為主副通道，主副通道利用兩個(gè)或多個(gè)支線(xiàn)來(lái)建立耦合機(jī)制的定向耦合器。以雙分支定向耦合器為例，其中各分支線(xiàn)的長(zhǎng)度和分支線(xiàn)之間的間距都是1/4波導(dǎo)波長(zhǎng)[25]，其結(jié)構(gòu)示意圖如下2.7：</p><p>　　圖2.7 雙分支線(xiàn)定向耦合器平面圖<

74、;/p><p>　　分支線(xiàn)定向耦合器的基本特性可以這樣描述：當(dāng)這四個(gè)端口都端接匹配負(fù)載時(shí)，輸入的信號(hào)經(jīng)1端口等分地傳輸?shù)?端口和3端口，并在這兩個(gè)端口間存在著90度相差，同時(shí)4端口則被隔離。注意，分支線(xiàn)定向耦合器具有很高的對(duì)稱(chēng)性，四個(gè)端口都可設(shè)為輸入端口，那么輸出端口一定是位于該網(wǎng)絡(luò)輸入端口的不在一側(cè)對(duì)稱(chēng)的一邊，輸入端一側(cè)剩下的那一個(gè)端口就是隔離端口。</p><p>　　假設(shè)信號(hào)經(jīng)1端口輸

75、入，那么該信號(hào)經(jīng)A點(diǎn)到D點(diǎn)有兩個(gè)方式：一是由A直接到D，波程為1/4波長(zhǎng)；二是沿著A到B到C然后傳輸?shù)紻，總波程為四分之三波長(zhǎng)[23]。明顯可以看出沿著兩條不同路徑傳輸?shù)紻點(diǎn)的兩路波的波程之間差是二分之一波長(zhǎng)，而與此對(duì)應(yīng)的相位差為π。假如通過(guò)選取每一段傳輸線(xiàn)的特性導(dǎo)納，使得此兩路波的電壓振幅相等，那么兩者相消，則4端口即為隔離端口?？傊?dāng)1端口進(jìn)入信號(hào)時(shí)，2端口則是直通端，3端口則是耦合端，4端口則是隔離端。</p>&

76、lt;p>　　2.2.3 環(huán)形定向耦合器</p><p>　　環(huán)形定向耦合器實(shí)則為一種180度混合網(wǎng)絡(luò)制成的耦合器，180度混合網(wǎng)絡(luò)是一種四端口網(wǎng)絡(luò)，其兩個(gè)輸出端口之間存在180度相移。環(huán)形定向耦合器，如下圖2.8所畫(huà)，由一個(gè)閉合圓環(huán)微帶線(xiàn)與四根傳輸線(xiàn)鏈接而成，其中，圓環(huán)微帶線(xiàn)周長(zhǎng)是三分之二個(gè)波導(dǎo)波長(zhǎng)，特性阻抗大約為1.414Z0，圓環(huán)周?chē)?根傳輸線(xiàn)的特性阻抗為Z0，1端口到2、3端口間距和3端口到4端口間

77、距均為四分之一波導(dǎo)波長(zhǎng)，2端口到4端口間距為3/4個(gè)波導(dǎo)波長(zhǎng)。當(dāng)有信號(hào)入射到1端口時(shí)，且另外三個(gè)端口都端接匹配負(fù)責(zé)時(shí)，則在2端口和3端口輸出等功率輸出，4端口被隔離[22]。</p><p>　　圖2.8 環(huán)形定向耦合器的平面示意圖</p><p>　　3dB微帶分支線(xiàn)定向耦合器理論分析</p><p>　　由2.2.3節(jié)對(duì)分支線(xiàn)定向耦合器的介紹可以知道，這種分支線(xiàn)

78、混合網(wǎng)絡(luò)直通和耦合壁之間有著90度的輸出差。根據(jù)第二節(jié)對(duì)于定向耦合器的基礎(chǔ)分析，可以知道微帶3dB分支線(xiàn)定向耦合器[S]矩陣形式如下：</p><p><b>　　(2.24)</b></p><p>　　分支線(xiàn)定向耦合器通常要做成微帶線(xiàn)結(jié)構(gòu)，如下2.9所示為微帶雙分支線(xiàn)定向耦合器的結(jié)構(gòu)：</p><p>　　圖2.9 雙分支線(xiàn)微帶定向耦合器平

79、面結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　下面重點(diǎn)采用奇偶模分析法對(duì)3dB雙分支線(xiàn)微帶定向耦合器進(jìn)行詳細(xì)分解[22]。</p><p>　　首先畫(huà)出圖2.10的歸一化雙分支微帶線(xiàn)定向耦合器的電路圖。圖中每根線(xiàn)都是一條傳輸線(xiàn)，線(xiàn)上表示的阻抗值是用Z0歸一化的值。若假定端口1的輸入電磁波的振幅A1=1。</p><p>　　圖2.10 雙分支線(xiàn)定向耦合器歸一化形式電路圖</p

80、><p>　　可將圖2.10所畫(huà)的歸一化定向耦合器電路圖分為奇模激勵(lì)與偶模激勵(lì)的相互疊加[23]，如下圖2.12。鑒于此圖為線(xiàn)性的，再現(xiàn)實(shí)的電路中輸出的散射波可以由奇、偶模激勵(lì)疊加相應(yīng)獲得。</p><p><b>　　(a)</b></p><p><b>　　(b)</b></p><p>　　圖2

81、.11 雙分支微帶線(xiàn)定向耦合器分解為：(a)偶模(e)；(b)奇模(o)</p><p>　　根據(jù)激勵(lì)的對(duì)稱(chēng)與反對(duì)稱(chēng)的特性，該網(wǎng)絡(luò)可以分為兩個(gè)不存在耦合的二端口網(wǎng)絡(luò)，此二端口網(wǎng)絡(luò)分別是圖2.11(a)與(b)。上面兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的端口輸入波振幅為1+1/2或1-1/2，由此可以得到耦合器的每個(gè)端口處的輸出波振幅分別可寫(xiě)為：</p><p><b>　　(2.25)</b>&

82、lt;/p><p><b>　　(2.26)</b></p><p><b>　　(2.27)</b></p><p><b>　　(2.28)</b></p><p>　　式中e，0和e，0的值分別是偶模與奇模的反射系數(shù)及傳輸系數(shù)。首先分析偶模二端口網(wǎng)絡(luò)2.11(a)，該結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

83、中的ABCD矩陣可以通過(guò)此結(jié)構(gòu)中每個(gè)級(jí)聯(lián)器件的ABCD矩陣乘積所得：</p><p><b>　　(2.29)</b></p><p>　　上面表達(dá)式中的矩陣都能夠逐一利用查找常用的二端口電路ABCD矩陣表得到，并聯(lián)開(kāi)路/8短截線(xiàn)的歸一化導(dǎo)納是Y=jtanl=j。再通過(guò)查找二端口網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換表，可以將ABCD矩陣轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的S矩陣，從而得到反射和傳輸系數(shù)。即：</p

84、><p><b>　　(2.30)</b></p><p><b>　　(2.31)</b></p><p>　　以此類(lèi)推，經(jīng)過(guò)計(jì)算求得關(guān)于奇模二端口網(wǎng)絡(luò)的ABCD矩陣表達(dá)式：</p><p><b>　　(2.32)</b></p><p>　　因此，又可

85、以得到它的反射系數(shù)0和傳輸系數(shù)0:</p><p><b>　　(2.33)</b></p><p><b>　　(2.34)</b></p><p>　　將式（2.30）(2.31)（2.33）（2.34）分別帶入（2.25~2.28），就能得到以下結(jié)果：</p><p>　　(1端口匹配，無(wú)反射

86、) （2.35）</p><p>　　(1端口到2端口功率減半，-相位移) （2.36）</p><p>　　(1端口到3端口功率減半，-相位移) （2.37）</p><p>　　(4端口沒(méi)有功率輸出)

87、 （2.38）</p><p>　　得到的結(jié)果和式(2.24)的第一行和第一列是一致的，根據(jù)分支線(xiàn)定向耦合器的對(duì)稱(chēng)性可以通過(guò)改變輸入端口來(lái)得到余下矩陣元素，表現(xiàn)在矩陣上就是通過(guò)互換矩陣元位置來(lái)得到。</p><p><b>　　本章小結(jié)</b></p><p>　　此章節(jié)通過(guò)講述定向耦合器的工作原理，初步描述了該器

88、件的特征。首先，通過(guò)說(shuō)明定向耦合器的相關(guān)原理，分別由定向耦合器的特性，理論分析和技術(shù)指標(biāo)這三個(gè)方面來(lái)描述了耦合器；然后再通過(guò)常見(jiàn)定向耦合器的介紹，介紹了如平行耦合器、波導(dǎo)定向耦合器、分支線(xiàn)定向耦合器和環(huán)形器；最后重點(diǎn)介紹了3dB雙分支線(xiàn)微帶定向耦合器，并做了著重的理論分析。</p><p>　　帶短路支節(jié)雙分支線(xiàn)定向耦合器設(shè)計(jì)</p><p>　　3dB雙分支線(xiàn)定向耦合器設(shè)計(jì)</p&

89、gt;<p>　　3dB雙分支線(xiàn)定向耦合器ADS仿真</p><p>　　依據(jù)前一章對(duì)雙分支定向耦合器的分析，可運(yùn)用ADS軟件設(shè)計(jì)一款工作頻率為915MHz，耦合度值是3dB的雙分支定向耦合器，如下圖3.1所列，其中Z0=50。</p><p>　　圖3.1 3dB雙分支線(xiàn)定向耦合器ADS電路圖</p><p>　　此電路圖經(jīng)過(guò)ADS仿真得到如圖3.2

90、、3.3、3.4和3.5的關(guān)于S參數(shù)圖及2，3端口的相位差圖和駐波比圖。</p><p>　　圖3.2 仿真S21和S31參數(shù)圖</p><p>　　圖3.3 仿真S11和S41參數(shù)圖</p><p>　　由圖3.2和3.3的S參數(shù)結(jié)果圖可知，該3dB雙分支線(xiàn)定向耦合器當(dāng)S11<-30dB，S41<-30dB時(shí)的帶寬約為32MHz，在中心頻率915MHz

91、處，S11=S41=-58dB，由此得出位于中心頻率處該耦合器的回波損耗值最小是-58dB，隔離度的絕對(duì)值最大為58dB。同時(shí)，中心頻率處S21=S31=3dB,說(shuō)明此耦合器直通端口和耦合端口的功率大小相同且都是輸入功率值的一半。</p><p>　　圖3.4 端口2和端口3的相位差</p><p>　　圖3.5 雙分支定向耦合器1端口的電壓駐波比</p><p>

92、　　由圖3.4和3.5的相位差圖和駐波比圖可知，2和3兩個(gè)端口間的相位差在一定帶寬內(nèi)都是90度或-270度。中心頻率處端口1駐波比為1，并且在中心頻率周?chē)鷥?nèi)駐波比值能保持較小，表明該定向耦合器幾乎無(wú)回波損耗。</p><p><b>　　微帶線(xiàn)理論分析</b></p><p>　　微帶線(xiàn)是一類(lèi)當(dāng)今最常運(yùn)用的傳輸線(xiàn)，由于其不僅可以和其他有源及無(wú)源器件集成同時(shí)其制作也比較

93、容易。微帶線(xiàn)的模型示于圖3.6(a)，最底層是一層接地板，最上層是寬度為W的導(dǎo)體薄片，中間是厚度為d、相對(duì)介電常數(shù)值是r的介質(zhì)基板。其電力線(xiàn)和磁力線(xiàn)圖如下3.6(b)所畫(huà)。</p><p><b>　　(a)</b></p><p><b>　　(b)</b></p><p>　　圖3.6微帶傳輸線(xiàn)：(a)立體圖(b)電力

94、線(xiàn)和磁力線(xiàn)截面圖</p><p>　　假設(shè)沒(méi)有電介質(zhì)即介電常數(shù)為1，則可將這個(gè)傳輸線(xiàn)假設(shè)成一個(gè)由雙線(xiàn)組成的傳輸線(xiàn)，其可由寬度大小為W、兩個(gè)間距為2d的平的帶狀導(dǎo)體構(gòu)成[22]。</p><p>　　由于場(chǎng)線(xiàn)分別分布在電介質(zhì)和空氣中，可以得到有效介電常數(shù)存在以下關(guān)系：</p><p>　　微帶線(xiàn)的有效介電常數(shù)為：</p><p><b&g

95、t;　　(3.1)</b></p><p>　　對(duì)于已知的微帶線(xiàn)尺寸可根據(jù)已有公式求得其特征阻抗大?。?lt;/p><p><b>　　(3.2)</b></p><p>　　微帶線(xiàn)的寬度W和厚度d兩者的關(guān)系可以用特征阻抗和介電常數(shù)來(lái)表示：</p><p><b>　　(3.3)</b>&l

96、t;/p><p><b>　　其中，</b></p><p><b>　　(3.4)</b></p><p><b>　　(3.5)</b></p><p>　　3dB雙分支線(xiàn)定向耦合器建模與結(jié)果分析</p><p>　　由第二章圖2.7分支線(xiàn)定向耦合器的平

97、面圖和上一節(jié)圖3.1的ADS仿真圖，在HFSS軟件中建立如下圖3.7所畫(huà)的HFSS解析圖：</p><p>　　圖3.7 雙分支線(xiàn)定向耦合器的HFSS解析圖</p><p>　　圖3.7中該分支線(xiàn)耦合器的中心頻率為915MHz，可以由式（3.1~3.5）計(jì)算出每條微帶線(xiàn)的寬度。而微帶線(xiàn)的長(zhǎng)度可以由以下式子求出（相移為90度）：</p><p><b>　　

98、(3.6)</b></p><p><b>　　(3.7)</b></p><p><b>　　(3.8)</b></p><p>　　本文中選擇介電常數(shù)r =2.2的Rogers RT 5880的介質(zhì)基板，其厚度大小是1mm，微帶線(xiàn)特征阻抗分別是50和35.4。由上述數(shù)據(jù)可通過(guò)Txline等專(zhuān)業(yè)軟件求得微帶線(xiàn)

99、的尺寸：特征阻抗為50的微帶線(xiàn)寬度為：W0=3.07mm，90度相移長(zhǎng)度為：L0=59.78mm；特征阻抗為35.4的微帶線(xiàn)寬度為：W1=5mm，90度相移長(zhǎng)度為L(zhǎng)1=58.9mm。由以上數(shù)據(jù)，運(yùn)用HFSS軟件對(duì)其建模并仿真，得到以下結(jié)論：</p><p>　　圖3.8 雙分支線(xiàn)定向耦合器S參數(shù)圖</p><p>　　由圖3.8雙分支定向耦合器S參數(shù)結(jié)果圖可知，位于中心頻率915MHz處S

100、11=-24.20dB，S21=-3.28dB，S31=-2.87dB，S41=-24dB。表明該耦合器位于中心頻率的隔離度最低值是-24dB， 2、3兩端口的輸出功率大致相同（S21=-3.28dB，S31=-2.87dB），均近似為輸入功率的一半。</p><p>　　圖3.9 雙分支線(xiàn)定向耦合器的端口2和端口3的相位圖</p><p>　　由圖3.9耦合器端口2和端口3的相位圖可知，

101、在中心頻率處端口2的相位約為-4.62度，端口3的相位約為85.73度，兩者差值約為90.35度，并且兩個(gè)端口的相位圖程線(xiàn)性關(guān)系，可知相位差在中心頻率左右范圍內(nèi)幾乎維持90度上下。</p><p>　　圖3.10 雙分支線(xiàn)定向耦合器端口1的電壓駐波比</p><p>　　由圖3.10圖能夠看出，端口1于中心頻率處的電壓駐波比為1.134，且在一定的頻率范圍內(nèi)均能保持駐波比低于1.25，由此

102、得出結(jié)論耦合器的回波損耗較小。</p><p>　　上述結(jié)果都是根據(jù)理論計(jì)算出來(lái)的理想數(shù)值，存在一定的精度誤差，再對(duì)定向耦合器的模型參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到優(yōu)化后的仿真參數(shù)為：W0=3.07mm，L0=59.5mm，W0=5.4mm，L1=58.9mm。</p><p>　　圖3.11 優(yōu)化后耦合器S參數(shù)圖</p><p>　　由圖3.11可知優(yōu)化過(guò)后的耦合器的S參數(shù)有了

103、明顯的提高，在中心頻率處S11=-41.10dB，S21=-2.96dB，S31=3.36dB，S41=-41.41dB，從圖中可以看出|S41|>30dB的工作帶寬為32MHz。將優(yōu)化后的S參數(shù)圖與未優(yōu)化的S參數(shù)圖對(duì)比發(fā)現(xiàn)，隔離度有了很大的提高。 </p><p>　　圖3.12 優(yōu)化后耦合器端口2和端口3相位圖</p><p>　　由圖3.12可知在中心頻率915MHz處端口2的

104、相位為87.05度，端口3的相位-2.57度，所以端口2和端口3的相位差為89.62度。</p><p>　　圖3.13 優(yōu)化后耦合器端口1輸入電壓駐波比圖</p><p>　　由圖3.13可知，端口1的輸入電壓駐波比值是1.0178更加接近1，表示耦合器優(yōu)化后的損耗變得更小?？偨Y(jié)圖3.11~3.13，優(yōu)化后耦合器的各種參數(shù)都有了很大的改善。</p><p>　　3

105、dB帶短路支節(jié)雙分支線(xiàn)定向耦合器設(shè)計(jì)</p><p>　　前一節(jié)通過(guò)建模仿真了一款雙分支線(xiàn)定向耦合器并對(duì)其優(yōu)化前后的數(shù)據(jù)運(yùn)用對(duì)比分析，從中得出決定定向耦合器整體性能的主要因素是其隔離度。為了能夠提高其隔離度，有關(guān)文獻(xiàn)也提出了許多方法，如用集總原件來(lái)代替微帶線(xiàn)，在定向耦合器的微帶線(xiàn)上疊加介質(zhì)等。但隔離度都提高的不多。一種在平行耦合器的耦合端加入一條短路支節(jié)線(xiàn)的方法可以在很大程度上提高其隔離度[26]。所以本文在雙分

106、支線(xiàn)定向耦合器的耦合端加入一條短路支節(jié)線(xiàn)的方法有很大的研究?jī)r(jià)值。</p><p>　　3dB帶短路支節(jié)雙分支線(xiàn)定向耦合器的工作原理</p><p>　　如下3.14所示，本文在傳統(tǒng)雙分支線(xiàn)定向耦合器的基礎(chǔ)上，在3端口即耦合端加了一條短路支節(jié)線(xiàn)，端口1作為信號(hào)的輸入端口，端口2作為直通端接發(fā)射天線(xiàn)，不僅是信號(hào)的輸出端口同時(shí)也是標(biāo)簽反射信號(hào)的輸入端口，端口4為隔離端口。只有保持端口4的隔離度才

107、能使標(biāo)簽發(fā)射信號(hào)耦合到端口4時(shí)，不會(huì)和端口1的發(fā)射泄露信號(hào)重疊在一起，從而精確提取標(biāo)簽發(fā)射信號(hào)。</p><p>　　圖3.14 微帶短路支節(jié)雙分支線(xiàn)定向耦合器</p><p>　　在微帶雙分支線(xiàn)定向耦合器的3端口即耦合端口加一條微帶短路支節(jié)線(xiàn)后，端口1的信號(hào)耦合到端口3時(shí)，會(huì)有一部分耦合信號(hào)經(jīng)過(guò)短路線(xiàn)后發(fā)射回端口4。這部分反射耦合功率信號(hào)反射回端口4時(shí)會(huì)遇到端口1泄露到4端口的發(fā)射信號(hào)，

108、當(dāng)這兩種信號(hào)功率相同，信號(hào)相反時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)功率相消的現(xiàn)象，使得端口4的隔離度接近為0，從而保證了無(wú)發(fā)射信號(hào)能量由端口4泄露輸出。通過(guò)改變微帶短路支節(jié)線(xiàn)的長(zhǎng)度可以來(lái)改變?cè)摱丝诘姆瓷湫盘?hào)相位，改變微帶短路支節(jié)線(xiàn)的寬度來(lái)改變反射信號(hào)的功率，這樣就可以產(chǎn)生功率相消，繼而提升定向耦合器的隔離度大小[27]。</p><p>　　普通的微帶線(xiàn)定向耦合器的S矩陣如下(3.9)所列：</p><p>&l

109、t;b>　　(3.9)</b></p><p>　　式中b1，b2，b3，b4分別表示1，2，3，4端口的反射波，a1，a2，a3，a4分別表示1，2，3，4端口的入射波。I，C，T分別表示隔離，耦合和直通因子。</p><p>　　而微帶短路支節(jié)分支線(xiàn)定向耦合器的3端口即耦合端口有著如下關(guān)系：</p><p><b>　　(3.10)&

110、lt;/b></p><p>　　把式(3.10)代入(3.9)，微帶短路支節(jié)線(xiàn)分支線(xiàn)定向耦合器的S參數(shù)可以用一個(gè)矩陣的形式來(lái)表達(dá)，如下(3.11)所列：</p><p><b>　　(3.11)</b></p><p>　　從上式中分析可以看出，只有參數(shù)S41即1+C為0，才能達(dá)到定向耦合器隔離度的提升，所以端口3的反射系數(shù)可以表示為式

111、(3.12)，</p><p><b>　　(3.12)</b></p><p>　　根據(jù)傳輸線(xiàn)理論可以得到：反射系數(shù)為</p><p><b>　　(3.13)</b></p><p><b>　　輸入阻抗為：</b></p><p><b>

112、;　　(3.14)</b></p><p>　　端口1泄露至端口4的信號(hào)和端口1耦合至端口3信號(hào)的相位相差為四分之一波長(zhǎng)，如果想使得端口3的反射信號(hào)和端口1泄露到端口4的信號(hào)的相位正好相反，即相位相差二分之波長(zhǎng)，則微帶短路支節(jié)線(xiàn)的長(zhǎng)度應(yīng)大約為四分之波長(zhǎng)。</p><p>　　根據(jù)上述分析，為了使微帶線(xiàn)定向耦合器的各項(xiàng)性能指標(biāo)能達(dá)到更好，在3端口處添加一條微帶短路支節(jié)線(xiàn)，使得端口

113、3的耦合信號(hào)能量經(jīng)過(guò)微帶短路支節(jié)線(xiàn)反射回4端口，當(dāng)此信號(hào)和端口1信號(hào)泄露到4端口的信號(hào)功率相等且相位相反，從而出現(xiàn)了功率相消的現(xiàn)象[26-27]。</p><p>　　3dB帶短路支節(jié)雙分支線(xiàn)定向耦合器建模與仿真</p><p>　　通過(guò)前面的分析證明了帶短路支節(jié)雙分支線(xiàn)定向耦合器的可行性和有效性，下面重點(diǎn)介紹3dB帶短路支節(jié)雙分支線(xiàn)定向耦合器于HFSS軟件中的建模與仿真。</p&g