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Ka波段3dB定向耦合器的设计与仿真摘要：定向耦合器广泛地用在现代微波系统中，文中介绍了两种应用在平衡式放大器中的3dB定向耦合器。
首先对微带分支线耦合器与波导耦合器进行了理论分析，然后利用电磁仿真软件HFSS，对两种耦合器进行了建模仿真、仿真结果验证了这两种定向耦合器的可实现性，最后比较了两种耦合器的性能，并且总结了各自的特点。
关键词：Ka波段；定向耦合器；分支线耦合器；波导耦合器1 引言在微波通信系统中定向耦合器是一种用途广泛的微波器件，比如可以用在在信号发生器中的功率临视装置，以及接收机中的混频器。
另外，自动增益控制、平衡式放大器、反射计以及调相器和微波阻抗电桥等测量仪器也要用到定向耦合器。
构成定向耦合器的结构有波导、微带线、带状线、同轴线等。
因此，定向耦合器的种类很多，但是不同种类的定向耦合器差异很大。
平衡式放大器的稳定性很好，输入输出驻波也很低，而且由于良好的低噪声特性，平衡结构的放大器在微波波段的低噪声放大器中被普遍采用。
因此对于平衡式放大器中定向耦合器的研究就具有很高的现实意义。
本文对微带分支线耦合器和波导E面耦合器做了理论分析，然后利用电磁仿真软件进行了建模仿真，通过对仿真结果做了比较，最后得出结论。
2 耦合器的分析与设计(1)主要设计指标工作频带：29GHz～31GHz同波损耗：≤-20dB输出端口幅度不平衡度：≤1 dB输出端口隔离度：≤-20dB(2)分支线耦合器的分析与仿真如图1所示，分支线定向耦合器有主线、副线和两条分支线组成，其中分支线的长度和间距均为中心频率工作波长的。
设主线入口线1的特性阻抗为Z1=Z0，主线出口线2的特性阻抗Z2=Z0k(k为阻抗变换比)，副线隔离端4的特性阻抗为Z4=Z0，副线耦合端3的特性阻抗为Z3=Z0k，平行连接线的特性阻抗为ZOP，两个分支线特性阻抗分别为Zt1和Zt2。
假设输入电压信号从端口1经A点输入，则达到D点的信号有两路，一路是由分支线直达，其波行程为λg／4，另一路由A→B→C→D，波行程为3λg／4；故两条路径到达的波行程差为λg／2，相应的相位差为π，即相位相反。
基片集成波导定向耦合器的设计与应用的开题报告摘要：本文旨在设计一种基片集成波导定向耦合器，并探索其在光通信中的应用。
文章首先介绍了基片集成波导和定向耦合器的基本原理及其在光通信中的应用。
随后，根据氧化硅基片上波导的特性参数，设计了一种基于Mach-Zehnder干涉的3dB定向耦合器，利用Lumerical软件进行了模拟分析，并对优化方法进行了探索。
最后，探索了定向耦合器在光通信中的应用，包括光开关、光分路器等方面。
关键词：基片集成波导，定向耦合器，Mach-Zehnder干涉，光通信一、研究背景及目的基片集成波导（Si-based integrated waveguides）是一种基于微纳米制造技术的光学器件，其具有尺寸小、带宽宽、集成度高、耐高温等优点，在光通信、光传感和生物医学等领域中得到了广泛应用。
而定向耦合器（Directional coupler）作为集成光器件中最基础的组成部分之一，其具有无需额外光学元件、耦合效率高、方便集成等特点，因而也成为了广泛应用的一种器件。
本文旨在设计一种基片集成波导定向耦合器，并探索其在光通信中的应用。
具体研究内容包括：1）基于氧化硅基片的波导参数设计；2）基于Mach-Zehnder干涉的3dB定向耦合器的设计及模拟分析；3）定向耦合器在光通信中的应用探索。
二、设计原理及方法1）基片集成波导原理基片集成波导是一种介于光纤和光缆之间的光学传输介质，具有微纳米级的尺寸特性，可以在单个芯片上集成多个波导通道。
其基本原理是通过光波在芯片中的反射、折射、散射等过程来实现信息传输。
2）定向耦合器原理定向耦合器是一种耦合光信号的器件，利用波导间的模式交叉耦合将入射波转移到另一波导中。
其结构为两个相互平行的波导，通过控制两波导之间的间距和长度，可以得到不同的耦合强度和物光分离比。
3）定向耦合器设计本文设计的定向耦合器是基于Mach-Zehnder干涉的3dB定向耦合器。
定向环形耦合器的工作原理定向环形耦合器是一种集成光学器件，它能够实现光信号在不同波导之间的高效传输和耦合。
具体而言，它由一个环形波导和多个耦合波导组成。
通过调节耦合波导与环形波导之间的耦合强度，可以实现在不同的波导之间实现能量的定向传输。
定向环形耦合器的工作原理可以分为传输模式和耦合模式两种情况。
首先，考虑传输模式。
当光信号通过耦合波导输入到环形波导中时，光信号会在环形波导中形成闭合回路，并以特定的传输模式进行传输。
由于环形波导的几何结构和折射率的不同，光信号将以不同的传输模式（如TE模式或TM模式）在环形波导中传输。
在这个过程中，由于环形波导的几何结构对光信号进行了限制，光信号将只能传输在特定的模式下，并保持固定的相位关系。
这使得定向环形耦合器能够稳定地将光信号从输入到输出端进行传输，而不会出现波导间的相位差。
接下来，考虑耦合模式。
在定向环形耦合器中，输入波导和环形波导之间通过耦合波导进行能量的传输和耦合。
通过调节耦合波导与环形波导之间的距离和相对位置，可以控制耦合波导与环形波导之间的光耦合强度。
当耦合波导与环形波导之间的耦合强度适当时，光信号可以被有效地从耦合波导传输到环形波导中。
而当耦合波导与环形波导之间的耦合强度较弱时，能量传输的效果较差，光信号主要保留在耦合波导中。
基于这种原理，定向环形耦合器能够实现光信号在不同波导之间的有选择地传递和定向耦合。
在实际应用中，定向环形耦合器可以用于实现光路的分配、调制和路由。
通过将输入光信号分配到不同的输出波导，可以实现光路的多态性，实现光信号的分解和合并。
定向环形耦合器还可以作为混合器和分束器，可以将多个输入光信号耦合到一个输出波导或者将一个输入光信号分成多个输出波导。
此外，由于定向环形耦合器的优秀耦合特性，它还可以与其他光学器件集成，在光通信、传感和光学计算等领域发挥重要的作用。
总结来说，定向环形耦合器能够通过调节耦合波导与环形波导之间的耦合强度，实现光信号在不同波导之间的高效传输和定向耦合。
<<ADS>>课程设计——分支线耦合器目录1概述 (1)1.1 微波技术产生的背景及发展趋势 (1)1.2 微波电路仿真软件ADS简介 (2)1.3定向耦合概念及分类 (3)1.3.1概念 (3)1.3.2分类 (4)1.3.3 主要技术指标 (6)2工作原理 (7)2.1 传输线理论 (7)2.2 输入阻抗 (8)2.3 特性及测量 (9)2.3.1网络特性 (9)2.3.2测量方法（定向耦合器的特性参量） (10)2.4 定向耦合器的用途 (11)3.微带分支电路的分析与设计 (12)3.1 分支线耦合器 (12)3.2 分支线耦合器的奇偶模分析 (13)4设计过程 (17)4.1 建立工程 (17)4.2 原理图的设计 (18)4.3微带线参数的设置 (19)4.4 VAR控件的设置 (20)4.5 S参数仿真设计 (20)4.6 参数的优化 (22)4.7分支线耦合器版图的生成 (23)5.总结与展望 (25)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。
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]。
定向耦合器的研究 ——几种微带定向耦合器结构与分析 摘 要 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。现在国内外研究定向耦合器都向体积小、功率容量大、频带宽、插入损耗小，有良好的驻波比和方向性等发展。如今已研制出的高性能的耦合器，如中国电子科技集团公司第四十一研究所研制的耦合器，频率范围可从30kHz达到110GHz，耦合度也有3dB、10dB、20dB各种型号，且它的功率有的可以达到10KW，例如AV70606耦合器，它在保证方向性大于30dB的情况下，功率就可达到10KW。甚至有些公司在耦合度控制在10dB的情况下，它的回波损耗可以低于-50到-60dB，甚至更低。然而在某些特性场合，对耦合器的要求也是越来越高，因而更加优良的耦合器也有待我们去研究。 关键词: 传输线；微带线；定向耦合器；耦合度；奇模；偶模
1引言 在一些电桥及平衡混频器等元件中，常用到分支线定向祸合器分支线电桥或定向藕合器由两根平行传输线所组成，通过一些分支线实现拐合它们在中心频率上分支线的长度及其间的间隔全都是四分之一波长。由于徽带线分支定向祸合器在结构和加工制造方面都比波导和同轴线简便得多，因此在徽带电路，分支线电桥和定向祸合器得到了较多的应用。 随着定向耦合器技术的发展，它应用到了更多更广泛的领域当中去，例如相控阵雷达等，越来越多的人开始关注这项技术，这更使定向耦合器得到了长足发展，随着时间的推移它在电子技术领域占到了越来越重要的地位。 2 微带定向耦合器的种类 微带定向耦合器的种类有很多，例如：平行耦合微带线定向耦合器、微波3dB微带双分支定向耦合器、宽带微带定向耦合器等。 2.1 平行耦合微带线定向耦合器 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，
式中：Z0e和Z00分别为耦合微带线的偶模和奇模特性阻抗，e和分别是耦合微带线的偶模和奇模的电长度，Z0是端口的端接阻抗。
根据（1）式可知定向耦合器的耦合度为，
而根据（2）式可得传输系数为，
但需要满足一下条件，即：
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:e==，此时（1）～（4）式可以改写成以下形式，即： 式中： 但需要满足一下条件，即： 根据（5）～（9）式可知，此时的耦合度和传输系数分别变为，
而中心频率的耦合度为，
2、耦合区的长度
根 据（11）式 可 知，当 耦 合区 的电长度度时，耦 合度C最大，耦 合器 获得 最大的耦合输出。因此图12中“耦合区”的几何长度应取中心工作频率的四分之一波长，即 ：
对于工作在准TEM波的耦合微带线的奇、偶模的相速不相等，应取： 式 中： 分别为“奇模”和“偶模”波导波长，而ee和e0分别是“奇模”和“偶模”的有介电常数。 注意：当工作频率较高时“耦合区”的几何长度将非常短、制作困难，此时可取：
即可以将“耦合区”的几何长度设计成中心工作频率的四分之一波长的奇数倍，具体取多少倍应视具体情况而定。 2.2.1 3dB微带分支线定向耦合器 定向 耦合器广泛应用与射频系统中，特别市3dB定向耦合器更使一个不可或缺的重要元件，其大量使用于射频电路。但是，传统的微带分支线定向耦合器占电路面积太多，在迅速发展的微波集成电路（MIC)和单片微波集成电路（MMIC)中，微带元器件的小型化扮演着不可或缺的角色。降低成本，提高集成度是微带元器件的小型化理论成为发展的趋势。微波耦合器是现代微波、毫米波通信技术和电子战等应用中一个极其重要的部分，是微波、毫米波系统中的核心器件，因而定向耦合器成为制约系统性能和技术水平的关键部件，其性能的优劣将直接影响到整个系统的质量。
、 图2-1标准3dB微带分支线定向耦合器板图 （1）1、2、3、4四个口都是匹配的，即： S14=S22=S33=S44=0 (2)当各口接以匹配负载是，1、4口之间，2、3口之间都彼此隔离，即 S14=S23=0 (3)1臂至2、3臂，4臂至2、3臂，功率完全平均分，即
|S21|=|S31|= |S24|=|S34|= 反过来亦然，即2臂进入的功率平分地进入1、4臂，3臂进入的功率也平分地进入1、4臂。
|S12|=|S42|= |S13|=|S43|= 由定向耦合器的耦合度C=10log(1/|S31|²)dB和C=3dB 得|S31|²=1/2,即：功率平均，实际上3dB定向耦合器为功率平均器。 对于我们经常提到定向耦合器的输入端口、直流端口、耦合端口和隔离端口
与定向耦合器上标出的Port1、Port2、Port3和Port4是一一对应的，如图2-2所示，同时我们也可以看到耦合器里输入信号功率的常规流向。 2.2.2标准（传统）3dB微带分支线定向耦合器的参数 在小型化微带分支线定向耦合器时，首先理论计算设计出电路板图，然后软
件仿真和测量S参数频率特性曲线。微带分支线定向耦合器的S参数频率特性曲线如图2-3所示和定向耦合器的直通端口和耦合端口的相位差如图2-4所示。通过S参数频率特性曲线和直通端口和耦合端口的相位差来表示小型化理论的正确性，设计出电路板图后，很据制作实际电路板材料的参数计算出微带线的实际尺寸，然后做出电路板进行测试。
图2-3 标准3dB微带分支线定向耦合器的S参数特性曲线 2.2.3定向耦合器电路的散射参量S S参量是由归一化入射波电压和归一化反射波电压来定义的，因此它容易进
行测量。故S参量是微波网络中应用最多的一种参量。 如图2-5所示，设an代表网络第n个端口的归一化入射波电压，bn代表第n个端口的归一化反射波电压，它们与同端口的电压关系为 式中，Zcn为第n个端口的参考阻抗。 图2-5 S参量网络 假设网络是线性的，a与b有着线性的关系，对两端口网络可写成 b1=S11a1+S12a2 b2=S21a1+S22a2 （2-2） 或 b=Sa （2-3）
式中， （2-4） 称为散射矩阵，其各参量的物理意义为：
表示端口2匹配时，端口1的反射系数； 表示端口1匹配时，端口2的反射系数； 表示端口1匹配时，端口2到端口1的传输系数； 表示端口2匹配时，端口1到端口2的传输系数。 式中，ai=0(i=1,2......)表示第i个端口接匹配负载，因而没有从负载反射回来的波。 2.3 一种宽带微带定向耦合器 微带线定向耦合器支持纯TEM或准TEM模的传输，在传输过程中相互作用
产生耦合的两种模式：偶模和奇模。平面TEM传输线定向耦合器有窄边耦合和宽边耦合，一般对于微带线为窄边耦合，带状线为宽边耦合。
微带线
介质基板 地平面 图1 窄边耦合的微带耦合器
输出端2 输出端1
图2 单节耦合器 输入信号可以分为奇偶两种模式，在偶模时，输入和耦合端输入电压幅度和相位都相同，此时，两条微带线之间存在一个理想磁壁；在奇模时，输入和耦合端输入电压幅度相同，相位相反，此时，两条微带线之间存在一个理想电壁。单节耦合器的耦合度定义为：
（1） 式中，Zoo和Zoe分别为单节耦合器的归奇模和偶模。并且有ZoeZoo=Zo²,Zo为耦合器的负载，一般为50欧姆。 通过利用奇偶模对耦合器进行理论分析，最后对参量进行优化。多节非对
称耦合器的分析是再单节耦合器的基础上进行的。如图3所示。
图3 n节非对称定向耦合器 图3中的Zoo和Zoe分别为每节耦合器的归一化奇模和偶模，关系为ZooZoe=1，θ为每节的电长度即信号在耦合器的相移。对称耦合器相比于非对称耦合器在耦合端口和输出端口相位差为90度，且与频率无关。这种特性在相位控制中很重要，但是非对称耦合器相比之下却又更宽的带宽。 多节耦合器可以看做是电长度为θ和特性阻抗为Zr(r=1,2,.....,n)的单节耦合器级联而成的，假定为无耗网络时，它的传输矩阵为： （2） 多节耦合器中插入损耗计算公式为：
（3） 多节耦合器的带宽设置为θ0到π-θ0，相应插入损耗可以写为：
（4） 式（4）一般作为实特性阻抗的阶梯阻抗滤波器。式中的Tn为n阶第一类切比
雪夫函数，cosθ0= 。把式（3）和（4）进行相应的联合可以得到n个对于变量Zr(r=1,2,...,n)的表达式，通过计算表达就可以得到耦合器的相应参数，当n大于3时，一般借助于计算机处理。 根据Richards变换，把复阻抗映射到满足Brunet条件的阻抗域Z(t）。由式（3）得到的插入损耗的表达式可以得到反射系数：
（5） 由式Z(t）的条件限制，此时Γ（t)为正实数的n阶多项式，输入阻抗Z(t)的计算公式为：
（6） 根据设计要求宽带BW，耦合度C和纹波R得到计算条件。
（7） 其中，。由式（6）和式（7）可以得到关于β和h的等式，求解出着两个变量，就可以得到耦合器的每节特性阻抗和它的奇偶模。 在前面的分析中，根据耦合器的设计要求如带宽、耦合度和带内纹波，可以得到不同节数的耦合器对应的奇偶模和特性阻抗。本文设计的耦合器节数n=6，带宽比（π-θ0）/θ0=10，纹波变化R=0.5dB，根据上面的计算得到耦合器的参数为： 表1 计算得到的耦合器奇偶模
