第三章 微波无源电路
? 微波谐振器 ? 微波定向耦合器 ? 功率分配器 ? 微波滤波器
微波谐振器
3
3.1微波谐振腔
相当于低频集中参数的LC谐振回路 微波电路基本元件，广 泛应用于滤波器 振荡器 频率计和可调放大器中 泛应用于滤波器、振荡器、频率计和可调放大器中 微波谐振器基本都是传输线谐振器。 可由一段两端短路或两端开路的传输线段组成，电磁波在其 上呈驻波分布，即电磁能量不能传输，只能来回振荡。 微波谐振器是具有储能与选频特性的微波元件。在谐振频率 附近，可以等效为RLC谐振电路。
?串联谐振回路基本特性 ? 串联RLC谐振电路的输入阻抗为
?
2
1 Z in = R + jω L ? j = R + jX ωC 复数功率为
1 ? 1 1 V 2 Pin = VI = Z in I = Z in 2 2 2 Z in 1 2? 1 ? = I ? R + jω L ? j 2 ? ωC ? ? = PL + 2 jω (Wm ? We )
1 2 PL = I R 2 1 2 Wm = I L 4 1 1 2 1 2 We = CVc = I ω 2C 4 4
消耗在电阻R上的功率 储存在电感L中的平均磁能 储存在电容C中的平均电能
5
? 输入阻抗可以用能量表示为
2 Pin
PL + 2 jω (Wm ? We ) Z in = 2 = = R + jX 1 2 I I 2 ? 谐振条件：磁场储能等于电场储能 Wm = We
对应于输入阻抗的虚部为零，得到谐振角频率
ω0 = 1
? 谐振时的输入阻抗为纯实数。
LC
Z in =
2 PL I
2
=R
?谐振电路的另一个重要参量是Q值
平均储能 ) ( Wm +We Q =ω =ω PL ( 损耗功率 )
? 串联谐振电路谐振时， Wm = We
2Wm ω0 L 1 Q = ω0 = = PL R ω0 RC ? 输入阻抗可以用谐振频率和Q值表示为
无载品质因数 无负载 谐振器自身特性
? ω ? ω0 2 ? ? = R ?1 + jQ ? ω ? ω0 ? ? 1 ? ? ? Z in = R + jω L ?1- 2 ? ?? ? = R ?1 + jQ ?1 ? 2 ? ? ω ω ω0 ? ω ? ? ? 0 ?? ? ? ω LC ? ?
2 2 ? 在谐振频率附近 Δω = ω ? ω0 << ω0 ω ? ω0 = Δω (ω + ω0 ) ≈ 2ω0 Δω
? 2Δω ? Z in ≈ R ? 1 + jQ ? = R + 2 jLΔω ω0 ? ?
? 半功率带宽（也称3dB带宽）BW:相对谐振点，功率变 化 半（3dB）的频带宽度 阻抗的模变化 2 倍 化一半（3dB）的频带宽度
于是
? 2Δω ? Z in ≈ R ? 1 + jQ ? = R + 2 jLΔω ω0 ? ? BW = 2Δω Q 2Δω
ω0
=1
ω0
1 = Q
如何测量Q值？ 如何测 Q值
? 实际应用中谐振器总是要与外电路发生耦合的
? 当谐振器与外电路耦合时 当谐振器与外电路耦合时，一方面把外电路负载变换到理想谐振 方面把外电路负载变换到理想谐振 器中，使谐振器损耗增大，Q值降低。 ?另 另一方面，在理想谐振器电路中引入一个电抗，使谐振频率发生 方面，在理想谐振器电路中引入 个电抗，使谐振频率发生 变化，不过由于引入的电抗一般很小，故谐振频率仅仅发生微扰。
加载品质因数 谐振器与外电路耦合后，外电路将引入新的损耗，使总的Q值下 降。仅与外电路引入的损耗相关的Q值称为外界Q值，Qe 。
? ω0 L ? Qe = ? RL ? ω CR ? 0 L
串联电路 并联电路
考虑了外电路损耗和自身损耗的总Q值称为有载Q值 QL 。 考虑了外电路损耗和自身损耗的总Q值称为有载Q值，Q
1 1 1 = + QL Qe Q0
?耦合系数 ? Qe 反映了谐振器与外电路的耦合程度。改变耦合， 反映了谐振器与外电路的耦合程度 改变耦合 Q0 值不变， Qe变化。 Qe越大表示耦合越松，越小表示耦 合越紧 无耦合时 Qe =∞。 合越紧，无耦合时， =∞ ? 表征耦合程度，定义耦合系数为
k= Q0 Qe = Re R
或
Ge
G
k值越大耦合越紧 k越小耦合越松 k值越大耦合越紧，k越小耦合越松。
?k>1，紧耦合 ?k<1，松耦合 k 1 松耦合 ?k=1，临界耦合。 谐振器谐振时与外电路匹配时 的耦合。这时可以实现谐振器 与外电路的最大功率传输。
Z in = R + 2 jLΔω = R + j
2 RQ0 Δω
ω0
Δω = 0 Z in = R 谐振时，
为了使谐振器与外电路匹配， RL = R Q0 =
ω0 L
R
= Qe
k =1
Q0、Qe 、 Qe以及k值的关系为
1 1 1 = + QL Q0 Qe
Q0Qe Q0 QL = = Q0 + Qe 1 + Q0
Qe
Q0 = 1+ k
?传输线谐振器
? 理想的集总元件在RF/MW频段是难以实现的，所以更普遍地采 用分布元件实现谐振器，最常用的分布元件谐振器，最常用的分 布元件谐振器是传输线谐振器。 布元件谐振器是传输线谐振器 ? 传输线谐振器是指将一段传输线一端短路、开路或接电抗负载所 构成的谐振电路。 构成的谐振电路 ? 因为要研究谐振器的Q值，所以必须考虑有耗传输线类型。
? 谐振器的电磁能量关系及微波谐振腔的特点 微波谐振器中电磁能量关系和集中参数LC谐振回路中能 量关系有许多相似之处 如图 量关系有许多相似之处，如图。
? 但微波谐振器和LC谐振回路也有许多不同之处。 ? LC 谐振回路的电场能量集中在电容器中，磁场能量集中在 谐振回路的电场能量集中在电容器中 磁场能量集中在 电感器，而微波谐振器是分布参数回路，电场能量和磁场能 量是空间分布的； ? LC 谐振回路只有一个谐振频率，而微波谐振器一般有无限 多个谐振频率；微波谐振器可以集中较多的能量 且损耗较 多个谐振频率；微波谐振器可以集中较多的能量，且损耗较 小，因此它的品质因数远大于 LC 集中参数回路的品质因数 另外，微波谐振器有不同的谐振模式(即谐振波型)。
谐振腔的种类 ? 传输型谐振腔，由传输线构成；矩形谐振腔、圆柱形谐振 传输型谐振腔 由传输线构成；矩形谐振腔 圆柱形谐振 腔、同轴型谐振腔、微带谐振腔等； 传输线 谐振腔， 容加载谐振腔、环形谐振腔 ? 非传输线型谐振腔，电容加载谐振腔、环形谐振腔等。 我们的研究重点在：传输线型的谐振腔 由两端短路 开路 或者 端短路另 端开路的 段传输线 由两端短路、开路，或者一端短路另一端开路的一段传输线 构成的谐振腔。
? 三、谐振腔的三个主要的特性参数 微波谐振器有三个基本参量：谐振频率 微波谐振 有 个基本参 谐振频率f0 (或谐振波长λ0 )、 品质因数 Q 、等效电导 。谐振腔的讨论思路是 : 理想腔 — 耦合 腔—非理想腔。 非理想腔
理想腔 耦合腔 非理想腔 G-介质 G 介质
C
Go
L
Go L C
C L Go
G
ω0
Q
G0
在研究谐振频率 f0时，采用不计 时 采用不计 及腔损耗，即腔 壁由理想导体构 成。但是，当研 究Q时,则必须考 虑损耗的 素 虑损耗的因素。 耦合腔和实际腔 反映了谐振腔的 具体应用。
? 四、矩形谐振腔 谐振回路、滤波器、 谐振回路 滤波器 波长计等 z=0 z=l 金属平板
Et=0 H⊥=0
传输线—二维 kc
传输腔—三维 kc
?场分布与谐振频率
? 利用波导横向电场，使其满足两端面的边界条件，可以得到 利用波导横向电场 使其满足两端面的边界条件 可以得到 矩形腔的场分布和谐振频率。 r r + ? jβ z ? jβ z ? 已知 ? E ( x , y , z ) = e ( x , y ) A e + A e t ? t ? r r Et ( x, y, ,0) ) = Et ( x, y, l ) = 0 ? ? r +r + ? A = ? A Et ( x, y, z ) = 2 jA et ( x, y )sin β l 于是
(
)
同时 则
sin β l = 0 l=p
β l = pπ
p = 1, 2...
λg
2 ?可见，谐振频率处，腔的长度是半波长的整数倍，矩形腔是 可见 谐振频率处 腔的长度是半波长的整数倍 矩形腔是 半波长短路传输线谐振器。
半波长谐振器 波
? 矩形腔谐振波数
? mπ ? ? nπ ? ? pπ ? k = kc + β = ? ? +? ? +? ? a b l ? ? ? ? ? ? 矩形腔谐振频率
2 2 2 2 2
f0 =
k
2π με μ
=
1 2 μ με
矩形腔谐振波长
?m? ?n? ? p? ? ? +? ? +? ? ? a ? ? b ? ? l ? 微波谐振腔 的多谐性
2
2
2
λ0 =
v 1 2 = = 2 2 2 f 0 f 0 με ?m? ?n? ? p? ? ? +? ? +? ? ? a ? ?b? ? l ?
定向耦合器方向性的分析 目前公司许多产品都用到定向耦合器，但在应用过程中都需要大量调试其方向性来满足指标要求，为了减小调试时间以及调试过程中产生的一些不稳定因素，让产品在设计时就能满足指标要求或在产品中增加一些可调器件来降低调试时间和增加产品的可靠性。 一、定向耦合器为什么会有方向性 上图为一段平行耦合传输线，当传输线1-4中有交变电流i I流过时，由于2-3线与1-4线靠得很近，所以2-3线中就有耦合来的能量，这个能量可通过电场（以耦合电容表示）又通过磁耦合（以耦合电感表示）耦合过来的。通过C m的耦合在2-3线中产生的电流i c2和i c3，同时由于i I的交变磁场作用，在2-3线上有感应电流i L，根据电磁感应定律，感应电流i L的方向与i I相反。 由上图可以看到，若有能量从端口1口输入，端口2是耦合口，端口4是输出端，端口3上有电耦合电流i c3和磁耦合电流i L，这两个电流是方向相反能量相同，相互抵消了，故端口3为隔离端，也使得定向耦合器变得有方向性了。
二、如何改善耦合器的方向性 图二
图三 图一是一段耦合微带线，上面什么也没有，仿真的结果为图二，可以看出这时耦合器的方向性很差，就个2dB，但在这段耦合微带上覆盖一层与基片相同厚度的介质后，得到的仿真结果为图三，这时方向性有很大的改善，有20dB左右。这个在我们实际的设计时已经应用到了，就是在主杆旁边直接用微带线来进行耦合，在调试时去改变腔深对方向性变化很明显，这是因为耦合微带的电场分别处在空气和介质中，所以它的奇模和耦模的相速不相同的，在隔离端的信号就不能相互抵消，方向就会变差，当覆盖一层介质后，电场就只在介质中传输，奇模和耦模的相速就变得相同了，方向就会得到很大的改善。 2、旋转耦合附杆，使之与传输主杆形成一个角度，这在实际应用中很多例子，这和第一种方法是同种道理，改变奇、耦模的电角度来改变它的相速，使方向性变好。
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
目录 一、前言 (02) 二、发展背景 (02) 三、组成及分类 (03) 四、原理简介 (03) 五、定向耦合器的基本功能和参数指标 (04) 1、耦合度 (05) 2、隔离性 (05) 3、定向性D (05) 4、输出驻波比....................................... .06 5、工作频带宽度 (06) 六、定向耦合器的应用 (08) 七、总结 (11) 八、参考文献 (12) 1 微波技术与天1
定向耦合器的原理及介绍 一、前言 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。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。 二、发展背景 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。
三、组成及分类 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 四、原理简介 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。 图1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为微带定向耦合器的两种典型的耦合结构。A是间距和长度都
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
定向耦合器的研究 几种定向耦合器结构与分析 班级 XXXXXXXXXXXXXXXX 学号 XXXXXXXXXXX 姓名 XXXXXX 功率分配器是一种将一路输入信号能量分成两路或多路输出相等或不相等能量的器件，也可反过来将多路信号能量合成一路输出，此时可也称为合路器。一个功分器的输出端口之间应保证一定的隔离度。也叫过流分配器，分有源，无源两种，可平均分配一路信号变为几路输出，一般每分一路都有几dB的衰减，信号频率不同，分配器不同衰减也不同，为了补偿衰减，在其中加了放大器后做出了无源功分器。 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，所以它是一种具有方向性的功率分配器。 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。 由于微带线具有平面电路结构，用其做成的定向耦合器往往比波导型的立体结构简单的多，故在微波集成电路中获得广泛应用。下面我们将来研究几种微带定向耦合器。 微带分支线定向耦合器 微带分支线定向耦合器由两根平行导带组成，通过一些分支导带实现耦合。分支导带的长度及其间隔均为1/4线上的波长，其结构示意图如下图所示，其分支数可为两分支或更多。所谓电桥是一种将功率平分耦合的定向耦合器的特称，即3dB定向耦合器。下面着重分析二分支的情况。 在一些电桥电路及平衡混频器等元件中，常用到分支线定向耦合器，微带二分支定向耦合器如下图所示，图中的字母G、H和数字1是各线段特性导纳的归一化值（对50欧姆阻抗对应的导纳值归一化），因各端口的导纳值相同，所以又称为等阻二分支定向耦合器。
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
实验六定向耦合器特性的测量及应用 目的：研究定向耦合器的特性及其应用。 原理： 定向耦合器是微波测量和其它微波系统中常见的微波器件，它是一种有方向性的微波功率分配器，更是近代扫频反射计中不可缺少的部件，通常有波导、同轴线、带状线及微带等几种类型。图1为其结构示意图。它主要包括主线和副线两部分，彼此之间通过种种形式小孔、缝、隙等进行耦合。因此，从主线端上“1”输入的功率，将有一部分耦合到副线中去，由于波的干涉或叠加，使功率仅沿副线一个方向传输（称“正向”），而另一方向则几乎毫无功率传输（称“反向”），图2为本实验所用的十字定向耦合器，耦合器中端口之一终端接一内装的匹配负载。 主线副线图 1 （一）定向耦合器的主要特性参量有二：为了便于解释耦合度和方向性，画出 了定向耦合器传输示意图（图3），图中P 1 、 P 2分别为主线输入、输出功率；P F 3 为副线 中正向输出功率，P R 3 为副线中反向输出功率。 （1）耦合度（或过度衰减）C如图3 12 43 主线 副线 图3 P3F 12 43 主线 副线 P1 P2 3R P P1P2 1
（a ）所示，主线输入功率P 1，与副线中正向输出功率P F 3之比，称为定向耦合的耦合度，若以分贝（db ）表示则： C=10log F P P 31 (db) （6.1） （2）方向性D 如图3所示，副线中正向输出功率P F 3与反向输出功率P R 3之比称为定向耦合器的方向性，若以分贝表示，则: D=log R F P P 33(db) （6.2） 有时，反映定向程度的指标也用隔离度D ’来表示。隔离度表示主线输入功率P 与副线反向输出功率之比，即 D=10log R P P 31 (db) （6.3） 由式子（2） D=10log R F P P 33=10log R P P 31=D ’-C （6.4） 从上可知，定向耦合器的方向性等于隔离度与耦合度之差，理想的定向耦合器的方向性D →∞;也就是说，当各端均匹配端接时，若功率从主线端“1”输入，则副线仅端“3”有输出，而端“4”无输出；即端“1”与端“4”彼此隔离；端“2”与端“3”彼此隔离，实际的定向耦合器隔离端的耦合隔离的理想器件。 本实验主要是测量定向耦合器的耦合度和方向性，由上述定义可知，它实际上是功率测量或衰减量的测量，前述衰减测量的方法原则上都能适用，只是对高方向性器件的测量可能要碰上一定困难，需用专门的测量技术。 （二）定向耦合器的应用——单定向耦合器反射计 用反射计测量驻波比是常用的方法之一，本实验将采用单定向耦合器，测量元件的反射系数，从而算出元件的驻波比。 根据驻波比11ρ+Γ= -Γ 反射系数Γ= + -E E 可知，测量元件的驻波比可利
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
目录 1概述0 微波技术产生的背景及发展趋势 0 微波电路仿真软件ADS简介0 定向耦合概念及分类1 概念1 分类2 主要技术指标3 2工作原理4 传输线理论4 输入阻抗5 特性及测量6 网络特性 6 测量方法（定向耦合器的特性参量）7定向耦合器的用途7 3.微带分支电路的分析与设计8 分支线耦合器9 分支线耦合器的奇偶模分析9 4设计过程13 建立工程13 原理图的设计14 微带线参数的设置15 VAR控件的设置15 S参数仿真设计16 参数的优化18 分支线耦合器版图的生成19 5.总结与展望20
1概述 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。 微波电路仿真软件ADS简介 ADS，即Advanced Design System 的简称，它是Agilent Technoligyies（安捷伦）公司推出的一套电路设计软件。Agilent Technoligyies公司把HP MDS（Microwave Design System）和HP EEsof IV(Electronic Engineering Software )两者的精华有机地结合起来，并增加了许多新的功能，便构成了ADS软件。 自从Agilent Technoligyies 公司推出ADS软件后，很快被广大电子工程技术人员所接受，因为它与以前的微波仿真软件相比，具有更全面的功能，而且它的应用也变得更加广泛，它具有多种仿真软件的优点，仿真手段丰富，可实现包括时域和频域，数字与模拟，线性与非线性，高频与低频，噪声等多种仿真分析手段，范围涵盖小到元器件，大到系统级的仿真分析设计，ADS能够同时仿真射频（RF），模拟（Analog），数字信号处理（DSP）电路，并可对数字电路和模拟电路的混频电路进行协同仿真，由于其强大的功能，很快成为全球内业界流行的EDA设计工具。 （1）ADS的特点 ①在可操作性方面，ADS灵活使用了窗口技术，工具栏、工具栏、快捷键、模版以及菜单等使人机界面更美观、方便。
定向耦合器 相关图片编辑词条参与讨论 所属分类：基本物理概念天体物理学电子电子技术电子术语通信通信技术 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。 用来分配或合成微波信号功率并具有定向耦合特性的微波元件。它是在主、副两根传输线(简 称主、副线)之间设置适当的耦合结构组成的。定向耦合器采用同轴线、带状线、微带线、 金属波导或介质波导等各种型式。耦合结构有耦合孔、耦合分支线和连续结构耦合等型式。 目录 ·? 工作原理 ·? 网络特性 定向耦合器-工作原理 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。 图1 图2 图3图1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为微带定向耦合器的两种典型的耦合结构。a是间距和长度都等于1/4导波长的双并联的分支线耦合,b是在平行区域内电场和磁场两种结构连续耦合。以b的结构为例,从端口①输入的信号由电场耦合在副线的两个端口上产生同相感应电压，磁场耦合则产生反相感应电压。结果在端口④处相加而有输出，③处则抵消而呈隔离无输出。 此外,也可构成其他传输线的定向耦合器（图3）。 定向耦合器-网络特性 定向耦合器可被看作为四端口网络，其特性可用散射矩阵【s】表示，即 其中各端口的反射系数s ii(i=1、2、3、4)的值很小（理想值为零）,表示各端口的匹配情况；衰减系数s13=s31=s24=s42的值也很小(理想值为零)，表示隔离情况；s14=s41＝s23＝s32是耦合系数，其值根据需要而设计。 定向耦合的主要技术指标是耦合度C（分贝）、定向性D（分贝）和工作频带，其中 C＝-20lg|s14| (dB) D＝20lg|s14/s13| (dB) 理想定向耦合器的散射矩阵为 两个输出信号有90°的相位差。 上述双孔或双分支线耦合的单节定向耦合器工作频带较窄。若采用多孔或多分支线耦合结构的多节定向耦合器（几个单节的级联），可借助综合设计方法展宽工作频带。
BK3000, BK3010 和BK3020总线耦合器将Profibus系统与电子端子排连接起来。电子端子排可用模块化方式扩展。一个节点包括一个总线端子控制器、1-64个端子模块和终端模块。BK3010和BK3110经济型特别适合低成本地建立与外围信号的连接，它可以同时连接最多64个数字量输入模块和64个数 字量输出模块。 总线耦合器自动识别连接的总线端子，对输入/输出建立过程映像。第一个数字量输入/输出信号数据占一个字节的第一位(LSB),从左边开始，依次排列。 输入和输出区很清楚的被区分。如果输入或输出数据超过一个字节，则控制器会自动从下一个新的字节开始。 Profibus总线是欧洲标准的开放式总线系统。 Profibus总线可以在一个系统中连接126个从站，速率可选，最高可达12 兆位/秒。 对模拟I/O、位移测量等信号的综合处理 BK3000 和BK3100总线耦合器支持对各种总线端子的操作。只要用户将它们连接起来，处理模拟 I/O信号与处理其它种类的信号没有什么区别。过程 映像区内的信息以字节队列的格式出现，等待控制器作下一步处理。 在每一个具体应用中，模拟和多功能总线端子都可以通过KS2000组态软件进行配置。根据型号，模拟量总线端子寄存器中存有温度范围，增益和线性参数。使用KS2000软件，所需参数可以在PC机上设置。总线耦合器永久地安全存储配置的参数。. 当然，总线耦合器也可以由控制系统来控制。通过功能块（FBs)，PLC或IPC在起动阶段，对整个系统进行配置。如果需要，控制器可以上载分散产生的组态数据以便于集中管理和存储这些数据。因此当更换一个总线耦合器时，不需要进行新的调整。当上电时控制器自动进行所需配置。Beckhoff总线耦合器GSE和数据类型文件支持总线端子的选配。GSE和数据类型文件可以下载到对应的主站配置软件里，非常方便。对总线耦合器的各 种配置和参数设定，可以通过选择GSE和数据类型文件完成。 系统数据Profibus-DP | BK3000, BK3010 BK3100, BK3110 最大节点数100个（带中继器时） 最大I/O点数约6000个（主站决定） 数据传输介质屏蔽铜缆 2 x 0.25 mm2 总线传输距离1,200 m 1,000 m 400 m 200 m 100 m 传输速率9.6/19.2/93.75 kBaud 187.5 kBaud 500 kBaud 1500 kBaud ...3,6,12 MBaud 典型传输时间约3 ms (10个节点，每个节点中有 32个数字量输入和32个数字量输 出） 约 0.5 ms 技术数据BK3000, BK3100 BK3010, BK3110 每个节点总线端子数最多64个 每个节点数字量点数256个输入或输出 每个节点模拟量点数128个输入或输出 配置通过KS2000或者控制器 最大字节数BK3000: 244个字节输入和 244个字节输出 BK3100: 64个字节输入和64 个字节输出 (DP和FMS模式) 128个字节输入和128个字节 输出(仅DP模式) BK3x10: 32个字节 (输 入和输出） 波特率自动识别，最大1.5 兆位/秒 (BK30x0), 最大12 兆位/秒 (BK31x0) 总线连接1个9针D型插座，带屏蔽电源24 V DC (-15%/+20%)
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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(
2010年Xiaoguang Tu、Soo Seng Norman Ang等人研究了基于GaAs的超小十字槽型定向耦合器。实验的材料是基于GaAs-AlGaAs-GaAs材料，能够传播TE槽模式和TM槽模式。低折射率材料AlO x层通过热氧化的方法夹在高折射率GaAs层。通过25um长的定向耦合器结构获得了偏振分束器。由于场强高限制在狭缝区的优势表现仅限于TE模或是TM模，因此偏振灵敏度大大限制了狭缝波导结构在光通信领域的发展。于是提出了十字型槽波导结构，不同于传统的偏振分束器，此结构的分束器在分束后能同时得到TE模和TM模。