HMSIW 定向耦合器的仿真设计解析1．引言
基片集成波导（SIW）是一种新型的高Q 值、低损耗集成导波结构，易于设计和加工，并易集成在平板电路上，且成本低，可以广泛应用于微波毫米波集成电路中［1-4］。由于与传统矩形波导的相似性，很多设计概念可以借用，比如波导功分器、滤波器、天线等。在本文中，我们用这种导波结构宽边开缝实现了定向耦合器，且本文采用的是半膜结构，这样可以减小近一半的尺寸但不会影响其性能，最后仿真结果也符合理论分析与研究，达到了预期的目的。
基片集成波导工作在主模时，在沿着波传播方向的波导对称面上，电场的场值达到最大值而磁场的值却几乎为零，因此此对称面可以等效为一磁壁。这样基片集成波导就可以用一假想的磁壁分隔成两半，每一半就变成了半膜结构的基片集成波导，且能量几乎全部束缚在内部，从分割面泄露的能量忽略不计。图1 就是HMSIW 与SIW 中主膜的对比情况。
2．HMSIW 定向耦合器的设计
本文中我们所研究的HMSIW 定向耦合器，主要受波导定向耦合器的启发，运用波导宽边开缝耦合理论，在两波导公共宽壁上的适当位置开一细长
耦合器型号与技术参数 招商项目：MOLS系列双级起动摩擦偶合器项目类别：机械设备招商区域：全国 项目简介：凡需变负荷运转的各种风机，水泵等设备均可采用偶合器实现变速运转，一般可节电1/5到1/3。本产品广泛应应用在煤炭、矿山、发电、钢铁、冶金、化工、水泥、港口、纺织、石油、食品、陶瓷机械，粮食加工等行业。我公司是 国内首家双级起动摩擦偶合器生产企业，产品市场前景好。发展空间大。
(1) 靠背轮(2) 机芯(3) 轴承(4) 偶合轮(5) 主动级摩擦块(6) 主动级离心块(7) 反馈级摩擦块(8) 反馈级离心块(9) 输出端轴套 本产品采用双级离心摩擦结构，主要由机芯、轴承、偶合轮、主动级摩擦块、主 动级离心块、反馈级离心块、反馈级摩擦块、输出端轴套等零部件组成。偶合器 外壳和零部件主体采用铸钢和灰铸铁，耐高温、耐腐蚀，适用于任何工作环境。 摩擦块由多种材料复合而成，具有阻燃、抗静电、耐磨损、临界温度保护等特性， 在工作状态下性能稳定，传动效率高。
本产品采用双级离心摩擦结构，主要由机芯、轴承、偶合轮、主动级摩擦块、主动级离心块、反馈级离心块、反馈级摩擦块、输出端轴套等零部件组成。 偶合器外壳和零部件主体采用铸钢和灰铸铁，耐高温、耐腐蚀，适用于任何工作环境。摩擦块由多种材料复合而成，具有阻燃、抗静电、耐磨损、临界温度保护等特性，在工作状态下性能稳定，传动效率高。 工作原理 电动机起动时，偶合器输入端机芯空载起动，随着电机转速的增加，主动级离心块由于离心力的作用被甩出，主动级摩擦块外表面贴向偶合轮内壁，对偶合轮的压力逐渐增大，依靠摩擦力传递转矩，偶合轮开始转动，实现偶合器主动级起动。当偶合轮转速增至1100 r/min时，反馈级离心块被甩出，反馈级摩擦块外表面贴向机芯内壁，通过摩擦力矩反馈作用于机芯，实现偶合器反馈级起动。在主动级摩擦块和反馈级摩擦块摩擦力矩的共同作用下，偶合轮转速增至1480 r/min，工作机与电动机同步运转，整个起动过程柔性强，对负载冲击相对较小。产品在正常载荷下不打滑，不发热，没有功率损失，严重超载或成堵转工况时，负载力矩超过摩擦力矩，摩擦块打滑，实现对电机的过载保护功能。 以电动机为例，设备起动时，电动机的转速未达到需要的起动转速时处于空载起动的状态下，当电动机达到一定的转速范围后（如接近额定转速），机构中的离心机构开始工作，起动器开始与负载接通（接合时会有一定的响声，这是正常的），结合过程具有一定的柔性，对负载的冲击相对较小。 接合工作完成后，在设备正常工作状态下，由于机构具有滑动功能，因此摩擦式机械软起动器还具有较好的减振功能，可在较大程度上过滤掉机构中产生的尖峰载荷，提高设备的使用寿命。产品在正常载荷下不打滑，不发热，无功率损失，
有关定向耦合器参数的定义 (2007-03-30 13:12:36) 转载 定向耦合器是一种四端口网络， 定向耦合器是无源和可逆网络。理论上，定向耦合器是无耗电路，而且其各个端口均应是匹配的。图１（ｂ）定义了定向耦合器各端口的属性。当信号从端口１输入时，大部分信号从端口２直通输出，其中一小部分信号从端口３耦合出来，端口４通常接一个匹配负载。如果要将定向耦合器反过来使用，则端口１和２，端口３和４的属性要互换定义。 定向耦合器可以由同轴、波导、微带和带状线电路构成。通常，定向耦合器用于信号取样以进行测量和监测，信号分配及合成；此外，作为网络分析仪，天线分析仪和通过式（ＴＨＲＵＬＩＮＥ）功率计等测试仪器的核心部件，定向耦合器所起的作用是正向和反射信号的取样。定向耦合器的方向性是一项至关重要的指标，尤其是作为信号合成和反射测量应用时。 ２．各项指标的定义 如图１（ｂ）所示，在理想情况下，当信号功率从端口１输入时，输出功率只应出现在端口２和端口３，而端口４是完全隔离的，没有功率输出。但是在实际情况下，总有一些功率会泄漏到端口４。设端口１的输入功率为Ｐ１，端口２，３和４的输出功率分别为Ｐ２，Ｐ３和Ｐ４，则定向耦合器的特性可以由耦合度，插入损耗，隔离度和方向性等四项指标来表征，单位均为ｄＢ。 请注意在以下的描述中，所有的指标均表示为正数，而在实际应用中，则是用负数来进行各种计算的。 耦合度： 耦合度表示从端口１输入的功率和被耦合到端口３部分的比值，表示为：耦合度（Ｃ）＝１０×ｌｏｇ（Ｐ１Ｐ３） 插入损耗： 插入损耗表示从端口１到端口２的能量损耗，表示为：插入损耗（ＩＬ）＝１０×ｌｏｇ（Ｐ１Ｐ２） 请注意端口１的输入功率有一部分功率是被耦合到端口３的，所以应导入一个“耦合损耗”
常用参数 正向压降VF：二极管通过的正向电流为规定值时，正负极之间所产生的电压降。 正向电流IF：在被测管两端加一定的正向电压时二极管中流过的电流。 反向电流IR：在被测管两端加规定反向工作电压VR时，二极管中流过的电流。 反向击穿电压VBR：：被测管通过的反向电流IR为规定值时，在两极间所产生的电压降。结电容CJ：在规定偏压下，被测管两端的电容值。 反向击穿电压V(BR)CEO：发光二极管开路，集电极电流IC为规定值，集电极与发射集间的电压降。 输出饱和压降VCE(sat)：发光二极管工作电流IF和集电极电流IC为规定值时，并保持 IC/IF≤CTRmin时（CTRmin在被测管技术条件中规定）集电极与发射极之间的电压降。 反向截止电流ICEO：发光二极管开路，集电极至发射极间的电压为规定值时，流过集电极的电流为反向截止电流。 电流传输比CTR：输出管的工作电压为规定值时，输出电流和发光二极管正向电流之比为电流传输比CTR。 脉冲上升时间tr、下降时间tf：光耦合器在规定工作条件下，发光二极管输入规定电流IFP 的脉冲波，输出端管则输出相应的脉冲波，从输出脉冲前沿幅度的10%到90%，所需时间为脉冲上升时间tr。从输出脉冲后沿幅度的90%到10%，所需时间为脉冲下降时间tf。 传输延迟时间tPHL、tPLH：光耦合器在规定工作条件下，发光二极管输入规定电流IFP的脉冲波，输出端管则输出相应的脉冲波，从输入脉冲前沿幅度的50%到输出脉冲电平下降到1.5V时所需时间为传输延迟时间tPHL。从输入脉冲后沿幅度的50%到输出脉冲电平上升到1.5V时所需时间为传输延迟时间tPLH。 入出间隔离电容CIO：光耦合器件输入端和输出端之间的电容值。 入出间隔离电阻RIO：半导体光耦合器输入端和输出端之间的绝缘电阻值。 入出间隔离电压VIO：光耦合器输入端和输出端之间绝缘耐压值。 最大额定值 参数名称 符号 最大额定值 单位 V 反向电压 5 V R I 正向电流 50 mA
液力耦合器 一、液力耦合器的名词解释 二、液力耦合器的工作过程 三、液力耦合器的油系统 四、勺管的调节原理 五、液力耦合器的运行知识 六、液力耦合器的特点 七、液力耦合器运转的注意事项 一、液力耦合器的名词解释 以液体为工作介质的一种非刚性联轴器，又称液力联轴器。 如图： 液力耦合器的泵轮和涡轮组成一个可使液体循环流动的密闭工作腔，泵轮装在输入轴上,涡轮装在输出轴上。动力机（内燃机、电动机等）带动输入轴旋转时，液体被离心式泵轮甩出。这种高速液体进入涡轮后即推动涡轮旋转，将从泵轮获得的能量传递给输出轴。最后液体返回泵轮，形成周而复始的流动。 液力耦合器靠液体与泵轮、涡轮的叶片相互作用产生动量矩的变化来传递扭矩。它的输出扭矩等于输入扭矩减去摩擦力矩，所以它的输出扭矩恒小于输入扭矩。液力耦合器输入轴与输出轴间靠液体联系，工作构件间不存在刚性联接。 二、液力耦合器的工作过程 液力耦合器主要由泵轮、涡轮、转动外壳、主动轴及从动轴等
构件组成，见图8—10。液力耦合器和传动齿轮安装在一个箱体内，功率传输从电动机到液力耦合器，再传到泵上。泵轮装在与原动机轴相连的主动轴上(或第一级增速齿轮轴上)，相当于离心泵的叶轮；涡轮装在与泵相连的从动轴上(或第二级增速齿轮轴上)，相当于水轮机的叶轮，两轮彼此不接触，相互之间保持几毫米的轴向间隙，不能进行扭矩的直接传递。泵轮和涡轮的形状相似，尺寸相同，相向布置，合在一起很像汽车的车轮，分开时均为具有20～40片径向直叶片的叶轮，涡轮的片数一般比泵轮少1～4片，以避免产生共振。这种叶轮的后盖板及轮毂在轴面上形成两个对称的碗状投影，且与叶片共同组成沿圆周对称分布的几十个凹形流道，称为工作腔。每个工作腔的进、出口均沿轴向，且在叶轮同侧，运行时工作油就在两轮的凹形工作腔内循环流动。为防止工作油泄漏，一般在泵轮外缘还用螺栓连接旋转外壳，将涡轮密封在壳内。 泵轮和涡轮形成的工作油腔内的油自泵轮内侧引入后，在离心力的作用下被甩到油腔外侧形成高速的油流，并冲向对面的涡轮叶片，驱动涡轮一同旋转。然后，工作油又沿涡轮叶片流向油腔内侧并逐渐减速，流回到泵轮内侧，构成一个油的循环流动圆，见图8—11。 图8 11液力稍合器中工作油循环 在涡轮和转动外壳的腔中，自泵轮和涡轮的间隙(或涡轮上开设的进油孔)流入的工作油随转动外壳和涡轮旋转，在离心力的作用下形成油环。这样，工作油在泵轮内获得能量，又在涡轮里释放能量，完成了能量的传递。由于流体只能依靠压降在主、从动轮问流通，这就要求涡轮的转速低于泵轮的转速，即泵轮和涡轮之间必须有转速差。泵轮转速和涡轮转速之差与泵轮转速的比值，称为转
Y代表液力传动O代表耦合无级传动II代表一种标准型号Z代表含制动轮，450是耦合器工作腔直径。S为旋转方向顺时针。 型号Lmin D 输入端输出端 充水量 (L) 重量(不 包括 水)(kg) 最高转 速 (r/min) 过 载 系 数d1max H1max d2max H2max max. m in. YOX206A 210 ?254?2860 ?3055 0.8 0.4 10 1500 2～2.5 YOX206D 150 ?254?2860 ?3055 0.8 0.4 9.5 1500 2～ 2.5 YOX220 190 ?272?2860 ?3055 1.28 0.64 12 1500 2～2.5 YOX250 215 ?300?3880 ?3560 1.8 0.9 15 1500 2～2.5 YOX280A 246 ?345?3880 ?40100 2.8 1.4 18 1500 2～2.5 YOXD280 338 ?345?42110 ?40100 5.6 2.8 38 1500 2～2.5
YOX320 304 ?388 ?48 110 ?45 110 5.2 2.6 28 1500 2～2.5 YOX340A 288 ?390 ?48 110 ?45 95 5.8 2.9 25 1500 2～2.5 YOX340B 288 ?390 ?48 110 ?38 95 5.8 2.9 35 1500 2～2.5 YOX360 310 ?420 ?55 110 ?55 110 7.1 3.55 49 1500 2～2.5 YOX360A 310 ?420 ?55 110 花键孔 42×2.5×16 7.1 3.55 49 1500 2～2.5 YOXD360 330 ?416 ?60 140 ?60 140 6.2 3.1 45 1500 2～2.5 YOX380 320 ?450 ?60 140 ?60 140 8.4 4.2 58 1500 2～2.5 YOX400 356 ?480 ?60 140 ?60 150 9.3 4.65 65 1500 2～2.5 YOX420 368 ?495 ?60 140 ?60 160 12 6 70 1500 2～2.5 YOX450 397 ?530 ?75 140 ?70 140 13 6.5 70 1500 2～2.5 YOX500 411 ?590 ?85 170 ?85 145 19.2 9.6 105 1500 2～2.5 YOX510 426 ?590 ?85 170 ?85 185 19 9.5 119 1500 2～2.5 YOX560 459 ?650 ?90 170 ?100 180 27 13.5 140 1500 2～2.5 TVA562 (YOX562) 449/471 ?634 ?100 170 ?110 170 30 15 131 1500 2～2.5 YOX600 474 ?695 ?90 170 ?100 180 36 18 160 1500 2～2.5 TVA650 536 ?740 ?125 225 ?130 200 46 23 219 1500 2～2.5 TVA750 603 ?842 ?140 245 ?150 240 68 34 332 1500 2～2.5 TVA866 682 ?978 ?160 280 ?160 265 111 55.5 470 1500 2～2.5 TOXSQ750 1380 ?842 ?110 210 轴 ?110 163 128 64 650 1500 2～2.5 YOX1000 722 ?1120 ?160 250 ?160 280 144 72 600 1000 2～2.5 YOX1150 830 ?1295 ?180 220 ?180 300 220 110 910 750 2～2.5 YOX1320 953 ?1485 ?200 240 ?200 350 328 164 1380 750 2～
基于HFSS分支定向耦合器设计 实验报告 学院电子科学与工程学院
姓名 学号 指导教师 2016年10月27日目录 一、实验目的 (1) 二、设计任务 (1) 三、设计思路 (2) 四、注意事项 (2) 五、基于HFSS分支定向耦合器设计过程 (2) 5.1 分支定向耦合器简介 (2) 5.2 使用HFSS设计分支定向耦合器 (3) 5.2.1 分支定向耦合器的理论计算 (3) 5.2.2 HFSS设计简介 (3) 5.2.3 HFSS设计环境概述 (4) 5.3 新建HFSS工程 (4) 5.4 创建分支定向耦合器模型 (5) 5.4.1 设置默认的单位长度 (5) 5.4.2 定义变量 (5)
5.4.3 添加新材料 (6) 5.4.4 创建带状线金属层模型 (7) 5.4.5 创建带状线介质层模型 (9) 5.5 分配边界条件和激励 (10) 5.6 求解设置 (11) 5.6.1 单频求解设置 (12) 5.6.2 扫频设置 (12) 5.7 设计检查和运行仿真分析 (13) 5.8 查看仿真分析结果 (14) 5.8.1 查看S参数扫频结果 (14) 5.9 分支定向耦合器的优化分析 (15) 5.9.1 新建一个优化设计工程 (15) 5.9.2 参数化分析设置和仿真分析 (16) 5.9.3 查看参数化分析结果 (17) 5.9.4 优化设计的设置和仿真分析 (18) 5.9.5 查看优化结果 (20) 5.9.6 优化后的S参数扫频结果 (20) 5.9.7 优化后的场分布图 (21) 5.9.8 查看4GHz频点的S矩阵 (21) 六、加分项 (22) 6.1 二阶分支定向耦合器建模 (22) 6.2二阶分支定向耦合器仿真结果 (24)
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。 基本简介 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。 定向耦合器是把两根传输线放置在足够近的位置使得一条线上的功率可以耦合到另一条线上的元件。它的两个输出端口的信号幅度可以相等也可以不等，一种应用特别广泛的耦合器是3dB 耦合器，这种耦合器的两个输出端口输出信号的幅度是相等的。 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，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。 定向耦合器是一种具有方向性的功率耦合(分配)元件。它是一种四端口元件，通常由称为直通线(主线)和耦合线(副线)的两段传输线组合而成。直通线和耦合线之间通过一定的耦合机制(例如缝隙、孔、耦合线段等)把直通线功率的一部分(或全部)耦合到耦合线中，并且要求功率在耦合线中只传向某一输出端口，另一端口则无功率输出。如果直通线中波的传播方向变为与原来的方向相反，则耦合线中功率的输出端口与无功率输出的端口也会随之改变,也就是说，功率的耦合(分配)是有方向的，因此称为定向耦合器(方向性耦合器)。 定向耦合器作为许多微波电路的重要组成部分被广泛应用于现代电子系统之中。它可以被用来为温度补偿和幅度控制电路提供采样功率，可以在很宽的频率范围完成功率分配与合成；在平衡放大器中，它有助于获得良好的输入输出电压驻波比(VSWR)；在平衡混合器和微波设备(例如，网络分析仪)中，它可以被用来采样入射和反射信号；在移动通信中，使用
本科毕业论文（设计、创作） 题目：基于ADS的定向耦合器的设计 学生姓名：张振华学号： 110102044 所在系院：电子电气工程学院专业：电子科学与技术 入学时间： 2011 年 9 月导师姓名：杨斌职称/学位：讲师/学士 导师所在单位：安徽三联学院 完成时间： 2015 年 6 月 安徽三联学院教务处制
基于ADS的定向耦合器的设计 摘要：在20世纪50年代初，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，其理论依据是Bethe 小孔耦合理论。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。定向耦合器在微波波段有着广泛的应用，其主要用途有用来监视功率、频率和频谱，把功率进行分配和合成，构成平衡混频器和测量电桥，利用定向耦合器来测量反射功率系数和功率。本设计主要利用ADS2011 软件设计微带分支定向耦合器的方法，及利用ADS设计、仿真微带分支定向耦合器，完成原理图和布局图。 关键词：定向耦合器;微带分支;ADS;微波
Design of directional coupler based on ADS Abstract: In twentieth Century the beginning of the 50's, the microwave equipment is used by almost all metal waveguide and coaxial line directional coupler circuit, at that time also many for the waveguide aperture coupling directional coupler, its theoretical basis is the Bethe aperture coupling theory. Directional coupler is a kind of microwave devices are widely used in microwave system, it is the essence of the microwave signal power distribution according to a certain proportion of the directional coupler. Directional coupler is composed of transmission lines, coaxial line, rectangular waveguide, circular waveguide, stripline and microstrip line directional coupler can be formed, so the structure of directional coupler variety, difference is very big. Directional couplers are widely applied in microwave band, its main purpose is to monitor the power, frequency and spectrum, the power distribution and synthesis, a balanced mixer and a bridge, to measure the power reflection coefficient and power by using a directional coupler. This design is mainly using the method of software design of ADS2011 microstrip branch directional coupler, and the use of ADS design, simulation of microstrip branch directional coupler, completes the schematic and layout. Keywords: directional coupler; microstrip branch; ADS; microwave
实验二：环形定向耦合器仿真场分析 实验目的： 掌握带状线的设置、理解和分析环形定向耦合器的结构和原理。 实验内容： 利用HFSS软件设计一个环形定向耦合器，此环形耦合器使用带状线结构。耦合器的工作频率为4GHz，带状线介质层厚度为2.286mm，介质材料的相对介电常数和损耗正切分别为2.33和0.000429；带状线的金属层位于介质层的中央；端口负载皆为标准的50Ω。 实验原理： 此环形耦合器使用带状线结构，HFSS工程可以采用终端驱动求解类型。4个端口都与背景相接触，所以采用波端口激励，且端口负载阻抗设置为50欧姆。为了简化建模操作以及节省计算时间，带状线的金属层使用理想薄导体来实现，即通过创建二维平面然后给二维平面指定理想导体边界条件来模拟带状线的金属层；带状线的金属层位于介质层的中央。在 HFSS 中，与背景相接触的表面会自动设置为理想导体边界，因此带状线上下两边的参考地无须额外指定，直接使用默认的理想导体边界即可。 实验步骤及结果： 一、新建工程设置 1.插入HFSS设计
2.设置求解类型 3.设置默认的长度单位 从主菜单栏选择【Modeler】→【Units】命令 4.建模相关选项设置（使得建立三维模型之后弹出属性窗口） 从主菜单栏中选择【Tools】→【Options】→【Modeler Options】 5.定义变量 length 从主菜单栏中选择【HFSS】→【Design Properties】命令 点击Add
按图填入相应的值然后点击OK 点击‘确定’ 6.添加新材料 从主菜单栏中选择【Tools】→【Edit Configured Libraries】→【Materials】命令
单位代码： 10293 密 级： 硕 士 学 位 论 文 论文题目：带短路支节的高隔离度分支线定向耦合器设计研究 电磁场与微波技术 移动通信与射频技术 工学硕士 二零一五年三月 学 科 专 业 研 究 方 向 申请学位类别 论文提交日期
摘要 定向耦合器是一种常用微波无源元件，在无线系统的射频前端中有着广泛的应用。特别在收发同频的无线系统中定向耦合器常常被用作隔离收发信号的一种关键部件。但是传统的定向耦合器隔离度偏低且工作带宽较窄，无法满足系统的要求。本文以分支线定向耦合器为研究对象，主要围绕如何提高其隔离度和增加工作带宽来进行深入研究。论文的主要工作和创新点包括： （1）根据功率相消原理在其耦合端口增加一条微带短路支节，设计出一款3dB带短路支节双分支线定向耦合器。这种方法结构简单，易于实现，且能够大幅提高耦合器隔离度。 （2）完成了一款实验样品的加工、测量工作，验证了短路支节线用于提高双分支线定向耦合器隔离度的效果，以及工作带宽提高不明显的缺点。 （3）在双分支线定向耦合器基础上，总结出一种有效提高其工作带宽的方法：增加耦合路径，并设计出一款3dB三分支线定向耦合器，该耦合器能够大幅拓宽工作带宽。在3dB带短路支节双分支线定向耦合器的基础上设计出一款3dB带短路支节三分支线定向耦合器，该款改进型定向耦合器在很大程度上拓宽了工作带宽，且提高了隔离度。 关键词: 定向耦合器，隔离度，短路支节，工作带宽
Abstract Reader is an important part of the RFID system, and the reader send and receive isolation is one of the key performance 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 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 research on how to improve the isolation and increase bandwidth. The main work and innovation of this paper include: (1)We use method of old-even mode to analyze the double branch line directional coupler,and use the HFSS simulation software to model and simulation,find the directional has a low degree isolation shortcoming. In order to increase 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 is simple in structure, easy to implement, and can greatly improve the coupler isolation. (2) We process the 3dB dual-branch directional coupler with a short branch section into objects, using a vector 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. (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 coupler, 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,The directional coupler significantly increases the operating bandwidth, and improve the isolation. Key words: the RFID system, isolation , short branch section, directional coupler
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1概述 1.1 微波技术产生的背景及发展趋势 微波技术是无线电电子学的一个重要分支，已成为现代通信、雷达、导航和遥感等领域最为敏感的课题之一，发展至今已经有比较久的历史了，无论在理论上还是在实践上，微波科学技术逐渐成熟，并拥有很多的从业人员。微波波段的电磁波能穿透电离层,因而卫星通信与卫星电视广播、宇宙通信及射电天文学的研究等均需利用微波来实现，在通信、雷达、导航、遥感、天气、气象、工业、农业、医疗以及科学研究等方面得到越来越广泛的应用，成为了无线电电子学的一个重要的分支趋向。 随着通信技术的迅速发展，为了便于携带和移动,无线电设备的小型化是未来的发展趋势，而移动通信所使用频段处于微波范围,因此实现微波电路的更高频率化, 小型化,固体化,不仅在实用方面,而且在学术方面均有重要的研究价值。定向耦合器通常有两种实现方式: Lange耦合器和带线耦合器。Lange耦合器具有结构紧凑,便于集成的优点,但一般使用陶瓷基板, 电路制作要求较高,加工工艺和成本限制了它的应用。带线耦合器虽然对电路制作工艺要求相对较低,但存在结构复杂、体积较大以及集成困难等缺点。 传统的定向耦合器虽然具有设计成任意功率分配比例的优点，但是体积较大，不利于微波集成化方向发展，因此寻找性能更好和功能独特的小型定向耦合器，一直是人们去研究的课题之一。而微带定向耦合器由于具有结构紧凑、制作简单、便于和其他电路集成等优点,目前已引起人们的极大研究兴趣，未来的耦合器必然会向着集成化和小型化方向发展。 同时,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。这将有助于提高微波集成电路的集成度。 然而，微带定向耦合器也有自身的不足，主要体现在耦合度较低和方向性差等方面。为了克服上述缺陷,研究者提出了多种补偿方法，本文也将结合微波理论知识和先进的仿真软件技术，来实现对微带定向耦合器的耦合度和方向性等性能的改善和提高。
微带线定向耦合器的设计 一、数学模型 1、耦合度和传输系数 图12所示，是平行耦合微带线定向耦合器的示意图。当①端口信号激励时，③端口为隔离端无输出、而耦合端口②及直通端口④有输出。根据奇、偶模分析方法可知，耦合端口②及直通端口④的输出电压分别为， θ θθθθ θθ θsin )(cos 2sin cos sin )(cos 2sin cos 2020000002 0000002020000200002Z Z j Z Z jZ Z Z Z Z j Z Z jZ Z Z U e e e e +++-+++= θ θθ θsin )(cos 2sin )(cos 22020000000 0020200000 02Z Z j Z Z Z Z Z Z j Z Z Z Z U e e e ++-++= 式中：e Z 0和00Z 分别为耦合微带线的偶模和奇模特性阻抗，e θ和0θ分别是耦合微带线的 偶模和奇模的电长度，0Z 是端口的端接阻抗。 根据（1）式可知定向耦合器的耦合度为， )dB (| |lg 202U C =' 而根据（2）式可得传输系数为， )dB (| |lg 204U T = 但需要满足以下条件，即： ) 1() 2() 3() 4(
e O e e e e Z Z Z Z Z Z Z θθθθsin sin sin sin 0000 00000020 ++== 如果假设耦合微带线中传输的是TEM 波（而不是准TEM 波），则可忽略奇、偶模相速的差别而认为：θθθ==0e ，此时（1）～（4）式可以改写成以下形式，即： θ θθsin cos 1sin 2 02j C jC U +-= θ θsin cos 11202 04j C C U +--= 式中： 00 000 00Z Z Z Z C e e +-= 2f f ? =πθ 但需要满足以下条件，即： 00020Z Z Z e = 根据（5）～（9）式可知，此时的耦合度和传输系数分别变为， )dB ()cos 1sin lg(102 20220θ θ C C C -=' )dB ()cos 11lg(102 202 0θ C C T --= 而中心频率的耦合度为， )dB () lg( 20lg 2000 000 00Z Z Z Z C C e e +-==' 2、耦合区的长度 根据（11）式可知，当耦合区的电长度090=θ 时，耦合度C '最大，耦合器获得最大 ) 5() 6() 7()8() 9() 10()11() 12() 13(
液力耦合器 fluid coupling 以液体为工作介质的一种非刚性联轴器，又称液力联轴器。液力耦合器(见图)的泵轮和涡轮组成一个可使液体循环流动的密闭工作腔，泵轮装在输入轴上,涡轮装在输出轴上。动力机（内燃机、电动机等）带动输入轴旋转时，液体被离心式泵轮甩出。这种高速液体进入涡轮后即推动涡轮旋转，将从泵轮获得的能量传递给输出轴。最后液体返回泵轮，形成周而复始的流动。液力耦合器靠液体与泵轮、涡轮的叶片相互作用产生动量矩的变化来传递扭矩。它的输出扭矩等于输入扭矩减去摩擦力矩，所以它的输出扭矩恒小于输入扭矩。液力耦合器输入轴与输出轴间靠液体联系，工作构件间不存在刚性联接。液力耦合器的特点是：能消除冲击和振动；输出转速低于输入转速，两轴的转速差随载荷的增大而增加;过载保护性能和起动性能好,载荷过大而停转时输入轴仍可转动,不致造成动力机的损坏;当载荷减小时，输出轴转速增加直到接近于输入轴的转速，使传递扭矩趋于零。液力耦合器的传动效率等于输出轴转速与输入轴转速之比。一般液力耦合器正常工况的转速比在0.95以上时可获得较高的效率。液力耦合器的特性因工作腔与泵轮、涡轮的形状不同而有差异。它一般靠壳体自然散热，不需要外部冷却的供油系统。如将液力耦合器的油放空，耦合器就处于脱开状态，能起离合器的作用。 液力变矩器 fluid torque converter 以液体为工作介质的一种非刚性扭矩变换器，是液力传动的型式之一。图为液力变矩器，它有一个密闭工作腔，液体在腔内循环流动，其中泵轮、涡轮和导轮分别与输入轴、输出轴和壳体相联。动力机(内燃机、电动机等)带动输入轴旋转时，液体从离心式泵轮流出，顺次经过涡轮、导轮再返回泵轮，周而复始地循环流动。泵轮将输入轴的机械能传递给液体。高速液体推动涡轮旋转，将能量传给输出轴。液力变矩器靠液体与叶片相互作用产生动量矩的变化来传递扭矩。液力变矩器不同于液力耦合器的主要特征是它具有固定的导轮。导轮对液体的导流作用使液力变矩器的输出扭矩可高于或低于输入扭矩，因而称为变矩器。输出扭矩与输入扭矩的比值称变矩系数，输出转速为零时的零速变矩系数通常约2～6。变矩系数随输出转速的上升而下降。液力变矩器的输入轴与输出轴间靠液体联系，工作构件间没有刚性联接。液力变矩器的特点是：能消除冲击和振动,过载保护性能和起动性能好;输出轴的转速可大于或小于输入轴的转速，两轴的转速差随传递扭矩的大小而不同;有良好的自动变速性能,载荷增大时输出转速自动下降,反之自动上升;保证动力机有稳定的工作区，载荷的瞬态变化基本不会反映到动力机上。液力变矩器在额定工况附近效率较高，最高效率为85～92％。叶轮是液力变矩器的核心。它的型式和布置位置以及叶片的形状，对变矩器的性能有决定作用。有的液力变矩器有两个以上的涡轮、导轮或泵轮，借以获得不同的性能。最常见的是正转(输出轴和输入轴转向一致)、单级（只有一个涡轮）液力变矩器。兼有变矩器和耦合器性能特点的称为综合式液力变矩器，例如导轮可以固定、也可以随泵轮一起转动的液力变矩器。为使液力变矩器正常工作，避免产生气蚀和保证散热，需要有一定供油压力的辅助供油系统和冷却系统。 无极变速器能够使变速器可在起始力矩多种速比和终结力矩多种速比之间连续调整，最终自动选用最佳速比，结果使发动机始终处于最佳速比范围之内，无需再考虑工作性能或燃油经济性。发动机能控制维持变速器的输入速度，如变速器的输入速度由多种变化路面的速度牵引阻力功能所控制；且车辆加速时牵引动力不间断，使动力完全适应车辆的加速特性。不但具有良好的燃油经济性，同时还具有良好的乘坐舒适性.自动变速器和无级变速器在急加速时，均会降档，以更加充沛的扭矩为车提供强有力的驱动力，以便能在极短的时间超越其它车辆或者克服路面阻力的变化。 机械式无极变速器 变速时不需油门、离合器等配合；变速时为匀加（减）速运动，变速平稳，无突变过程；变速范围大，可把固定初速在次极任意大小。结构比自动档简单，造价低，用在汽车等交通工具上，可使操作简单、安全、
中华人民共和国国家标准 液力偶合器型式和基本参数 GB/T5837—93 代替GB5837—86 Fluid coupling—Types and basic specifications 国家技术监督局1993-07-28批准1994-07-01实施 目录 1主题内容与适用范围 (1) 2型式 (1) 3基本参数 (2) 附录A (2) 1主题内容与适用范围 本标准规定了液力偶合器的结构型式、循环圆有效直径与基本性能参数。 本标准适用于冶金、矿山、电力、起重运输、工程建筑、造船、石油、化工、轻工和建 材等行业设备用的各类液力偶合器。 2型式 2.1基本型式 a.普通型液力偶合器； b.限矩型液力偶合器； c.调速型液力偶合器。 2.2派生型式 a.液力偶合器传动装置； b.液力减速器。 2.3型号 液力偶合器型号表示如下：
2.4标记示例 循环圆有效直径560mm的出口调节式调速型液力偶合器，表示为： 液力偶合器YOTC560GB/T5837 3基本参数 3.1循环圆有效直径 液力偶合器循环圆有效直径应符合表2的规定。 注：①括号内为不推荐参数。 ②液力偶合器传动装置循环圆有效直径除应符合表2的规定外，亦可采用422、463、510三参数。 3.2基本性能参数 在雷诺数Re≥5×106条件下，液力偶合器的基本性能参数应符合表3与表4的规定。 注：q c—充液率，即充入液力元件的工作液体容积与腔体容积之比。雷诺数Re与泵轮力矩系数λβ的计算见附录A(参考件)。 附录A
雷诺数Re与泵轮力矩系数λβ的计算 (参考件) A1雷诺数按式(A1)计算 (A1) 式中n B——泵轮转速，r/min； D——循环圆有效直径，m； ν——工作液体运动粘度，m2/s。 A2泵轮力矩系数按式(A2)计算 (A2)式中M B——泵轮力矩，N·m； ——工作液体密度，kg/m3； g——重力加速度，m/s2； n B——泵轮转速，r/min； D——循环圆有效直径，m。 _____________________ 附加说明： 本标准由中华人民共和国机械工业部提出。 本标准由机械工业部北京起重运输机械研究所归口并负责起草。 本标准起草人杨乃乔。
液力偶合器安装手册 液力偶合器在装配和运行之前，应仔细阅读本手册内的所有安全及操作说明！ 注意：偶合器的同心度调整非常重要，请严格按照本手册内要求进行校正! 液力偶合器: … KRW … 系列
液力偶合器的结构 (KRGW-标准型,CKRGW-带延迟充液腔,CCKRGW-带双倍延迟充液腔) 1. 内轮 2. 外轮 3. 外壳 4. 轴 5. 易熔塞 6. 报警销 7. 垫片 8. 固定螺栓 9. 半弹性联轴器 10. 延时充液腔 图 1 液力偶合器的安装 电机轴 “b” 垫片 螺杆 固定螺栓 垫片“a” 图 2图 3
表 1 规格轴径 ? 固定螺栓(mm) ('S') 19 M6 x 85L 7-8 24 M8 x 80L 28 M10 x 75L 38 M12 x 60L 28 M10 x 110L 9 38 M12 x 100L 42 M16 x 80L 48 M16x 80L 28 M10 x 120L 11 38 M12 x 100L 42 M16 x 80L 48 M16 x 80L 38 M12 x 100L 12 42 M16 x 80L 48 M16x 80L 42 M16 x 95L 13 48 M16 x 95L 55 M20 x 95L 60 M20 x 75L 规格轴径 ? 固定螺栓 (mm) ('S') 48 M16 x 125L 15 55 M20 x 125L 60 M20 x 95L 65 M20 x 95L 60 M20 x 125L 65 M20 x 125L 17-19 75 M20 x 125L 80 M20 x 95L 85 M20 x 95L 75 M20 x 150L 21 80 M20 x 120L 90 M24 x 120L 80 M20 x 120L 24 90 M24 x 120L 100 M24 x 120L 27 120 M24 x 120L 29 135 M24 x 120L 图 4