定向耦合器的技术指标和理想定向耦合器特性

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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AbstractReader 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目录第一章绪论 (1)1.1 研究的背景与意义 (1)1.2 RFID系统基本介绍 (1)1.3 RFID系统现状和进展 (3)1.3.1 RFID系统使用现状 (3)1.3.2 RFID系统中读写器收发隔离技术的重要程度 (3)1.4本文的主要工作及内容安排 (4)第二章定向耦合器基本原理 (6)2.1 定向耦合器工作原理 (6)2.1.1 定向耦合器基本特性 (6)2.1.2 定向耦合器理论分析 (7)2.1.3 定向耦合器的技术指标 (9)2.2 常见定向耦合器的介绍 (10)2.2.1 平行耦合线定向耦合器 (11)2.2.2 波导定向耦合器 (11)2.2.3 分支线定向耦合器 (13)2.2.3 环形定向耦合器 (14)2.3 3dB微带分支线定向耦合器理论分析 (15)2.4 本章小结 (18)第三章带短路支节双分支线定向耦合器设计 (19)3.1 3dB双分支线定向耦合器设计 (19)3.1.1 3dB双分支线定向耦合器ADS仿真 (19)3.1.2 微带线理论分析 (21)3.1.3 3dB双分支线定向耦合器建模与结果分析 (23)3.2 3dB带短路支节双分支线定向耦合器设计 (26)3.2.1 3dB带短路支节双分支线定向耦合器的工作原理 (27)3.2.2 3dB带短路支节双分支线定向耦合器建模与仿真 (29)3.2.3 相关参数优化与结果分析 (31)3.2.4 两款定向耦合器对比分析 (38)3.3 本章小结 (40)第四章实物测试与结果分析 (41)4.1 实物加工与测试 (41)4.2 测试结果与仿真结果分析 (44)4.3 本章小结 (47)第五章改进型微带分支线定向耦合器设计 (48)5.1 3dB微带三分支线型定向耦合器设计 (48)5.1.1 3dB微带三分支线定向耦合器ADS仿真 (48)5.1.2 3dB微带三分支线定向耦合器建模与仿真 (51)5.2 3dB带短路支节三分支线定向耦合器设计 (54)5.2.1 3dB带短路支节三分支线定向耦合器建模与仿真 (54)5.2.2 参数优化与结果分析 (56)5.2.3 3dB带短路支节双分支线和3dB带短路支节三分支线定向耦合器对比分析 (60)5.3 本章小结 (61)第六章总结与展望 (62)参考文献 (64)第一章绪论1.1研究的背景与意义无线射频识别技术(Radio Frequency Identification,RFID)是一种非接触式的自动识别技术，它的主要特征是运用射频信号和空间耦合传输特性，达到对被识别物体的自动识别[1]。

定向耦合器是指能够将输入信号从一个端口转移到指定的输出端口的设备。

在设计和使用定向耦合器时，需要考虑其耦合度、隔离度和定向度。

这些参数对定向耦合器的性能和使用效果具有重要影响。

一、耦合度耦合度是定向耦合器传输信号中的一种重要参数，指的是输入端口与输出端口之间的能量传输。

耦合度越高，输入端口的能量会更多地传输到输出端口，实际上就是指定向耦合器所提供的端口之间传输能量的程度。

耦合度的计算公式为：C = 10 * log10(Ws/Wi)其中C表示耦合度，单位为分贝(dB)，Ws表示输入端口的能量，Wi 表示输出端口的能量。

通常情况下，耦合度的取值范围一般在20dB 至50dB之间，不同的应用场景下，所需的耦合度也会不同。

选择合适的耦合度能够满足不同的需求。

二、隔离度隔离度是定向耦合器的另一个重要参数，用来描述输入端口和其他端口之间的隔离程度。

隔离度越高，表示输入端口与其他端口之间的干扰越小，这对于提高定向耦合器的性能和稳定性非常重要。

隔离度的计算公式如下：I = 10 * log10(Ws/Wi)其中I表示隔离度，单位也是分贝(dB)，Ws表示输入端口的能量，Wi 表示其他端口的能量。

隔离度的取值范围一般在20dB至40dB之间，隔离度越高，输入端口和其他端口之间的干扰就越小。

三、定向度定向度是描述定向耦合器在将能量从输入端口传输到指定输出端口时的效果的参数。

在使用定向耦合器时，需要考虑定向度的大小，定向度越高，表示定向器在传输时的效果越好。

定向度的计算公式如下：D = 20 * log10(sqrt((1 - |S21|^2) * (1 - |S31|^2)))其中D表示定向度，S21和S31表示定向耦合器的S参数，用来描述能量在端口之间的传输情况。

定向度的取值范围一般在20dB至30dB 之间，选择合适的定向度能够确保定向耦合器在实际使用中能够高效地传输信号。

总结在设计和使用定向耦合器时，需要充分考虑耦合度、隔离度和定向度这些重要参数。

定向耦合器指标定向耦合器是一种常用的微波器件，主要用于功率的分配和组合，以及信号的测量和处理。

其性能指标对于整个系统的性能至关重要。

本文将对定向耦合器的主要性能指标进行详细介绍。

一、耦合度耦合度是定向耦合器最重要的性能指标之一，它表示耦合端口输出信号与输入信号之比。

通常用分贝（dB）来表示。

耦合度的选择取决于系统的具体需求，如需要将主信号的多少部分分流出来，以及需要将多少功率传输到负载等。

一般来说，耦合度越高，意味着更多的功率被分流出来，反之则更少的功率被分流。

在设计定向耦合器时，需要根据系统的具体要求和用途，选择合适的耦合度。

二、方向性方向性是定向耦合器的另一个重要指标，它表示定向耦合器对指定方向的信号具有较高的传递系数，而对相反方向的信号具有较低的传递系数。

方向性的大小取决于定向耦合器的设计结构和工艺水平。

一般来说，方向性越高，意味着定向耦合器的信号传递性能越好，越能有效地抑制反向信号的干扰。

因此，在某些需要防止信号反向泄漏或提高信号传输可靠性的系统中，应选择高方向性的定向耦合器。

三、隔离度隔离度表示定向耦合器的输出端口之间的信号相互隔离的程度。

理想的定向耦合器应具有完全的隔离，以避免信号在各输出端口之间的相互干扰。

然而，由于各种因素的影响，实际的定向耦合器隔离度总是存在一定的限制。

隔离度的高低取决于定向耦合器的设计、工艺和材料等因素。

在实际应用中，应根据系统的具体要求选择隔离度合适的定向耦合器，以保证系统的稳定性和可靠性。

四、带宽带宽表示定向耦合器正常工作的频率范围。

理想的定向耦合器应在较宽的频带内具有一致的传输特性和相位特性。

然而，由于各种因素的影响，实际的定向耦合器带宽总是存在一定的限制。

带宽的大小取决于定向耦合器的设计、工艺和材料等因素。

在实际应用中，应根据系统的具体要求和用途选择带宽合适的定向耦合器，以保证系统的正常工作和稳定性。

五、驻波比驻波比（VSWR）表示定向耦合器输入端的电压最大值与最小值之比。

定向耦合器耦合度引言定向耦合器是一种用于无线通信系统中的重要设备，它的作用是将信号从一个输入端口耦合到一个或多个输出端口。

定向耦合器的耦合度是指在耦合过程中输入信号与输出信号之间的关联程度。

本文将从耦合器的基本原理、耦合度的定义和计算方法、耦合度的影响因素以及耦合度的优化方法等方面对定向耦合器耦合度进行探讨。

定向耦合器的基本原理定向耦合器是一种基于微波技术的被动器件，通常由多个传输线构成。

其基本原理是通过电磁波在传输线之间的耦合作用，将输入信号从一个传输线耦合到其他传输线上。

定向耦合器通常具有两个输入端口和两个输出端口，其中一个输入端口和一个输出端口用于输入和输出信号的耦合，另一个输入端口和另一个输出端口用于通过耦合器的内部结构将信号耦合到其他输出端口上。

耦合度的定义和计算方法耦合度是衡量定向耦合器输入信号与输出信号之间关联程度的指标。

一般来说，耦合度越高，输入信号与输出信号之间的关联程度越强，耦合器的性能越好。

耦合度的计算方法通常使用功率比或插入损耗来表示。

功率比法功率比法是通过比较输出端口上的功率与输入端口上的功率来计算耦合度的方法。

假设输入端口上的功率为Pin，输出端口上的功率为Pout，那么耦合度可以用以下公式表示：Coupling = 10 * log10(Pout / Pin)其中，Coupling表示耦合度，单位为dB。

根据功率比法计算的耦合度可以直观地反映输入信号与输出信号之间的关联程度。

插入损耗法插入损耗法是通过比较输入信号与输出信号之间的功率损耗来计算耦合度的方法。

假设输入端口上的功率为Pin，输出端口上的功率为Pout，那么耦合度可以用以下公式表示：Coupling = 10 * log10(Pin / Pout)根据插入损耗法计算的耦合度可以反映定向耦合器对信号的衰减程度。

耦合度的影响因素定向耦合器的耦合度受多种因素的影响，主要包括以下几个方面：传输线长度和宽度传输线长度和宽度对定向耦合器的耦合度有较大影响。

西电微波网络-课后题答案第2讲习题本作业针对微波网络的参量矩阵，介绍了Z 矩阵，Y 矩阵，A 矩阵，S 矩阵和T 矩阵的定义以及各矩阵间的相互转换。

2.1 证明Z 矩阵与A 矩阵的关系式二端口Z 矩阵电压-电流关系为（1）2221212I Z I Z V +=（2）由（2）得2212222111I Z ZV Z I -=（3）将（3）带入（1）得221221111I Z V Z Z V ∆-=证毕2.2 求图2-13所示网络的Z 矩阵c b a b c aI Z Z Z Z Z Z I V Z +++===)(|011112 c b a c b a I Z Z Z Z Z Z I V Z +++===)(|022221cb ac b I Z Z Z Z Z I V Z ++===012212| 2.3 求图2-14所示网络的A 矩阵⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡++++=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡βθθβθθβθθβθθβθθθθβsin cos sin sin cos 2sin sin cos 1101cos sin 1sin cos 110102000000Z j Z Z j j jZ Z j Z j jZ j2.4 已知图2-11所示网络的[]⎥⎦⎤⎢⎣⎡=22211211A A A A A ，端口2接阻抗l Z ，求端口1的输入阻抗。

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