微带线定向耦合器的设计
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(
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：
4
gm
l λ=
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：
)(2
1
0g ge gm
λλλ+= 式中：
ee
ge ελλ0
=
0e g ελλ=
分别为“奇模”和“偶模”波导波长，而ee ε和0e ε分别是“奇模”和“偶模”的有效介
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：
????=-=,3,2,14
)
12(n n l gm
λ
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。
3、平行耦合微带线定向耦合器结构尺寸的近似计算 （1）TEM 波平行微带线定向耦合器的情况
对于TEM 波情况耦合微带线的“偶模”和“奇模”的特性阻抗可用下式计算，即：
20
/20
/0
000101101C C e Z Z ''-+=
e
Z Z Z 02
000=
（2）微带线定向耦合器的近似求解
严格耦合微带线中传输的是准TEM 波，则不可忽略“奇、偶模相速”的差别。因此，此时必须要根据（5）式和（13）式来求出e Z 0和00Z ，但是（5）式和（13）式中的e θ和0θ在耦合器的结构尺寸还没有未确定以前是未知的，这表明耦合微带线定向耦合器的严格设计
)
14()
15()
16()
17()
18()
19()
20(
必然是一个反复试算的过程。不过在许多情况下、特别是在10dB 耦合度和更松耦合的情况下，由（19）式和（20）式给出的e Z 0和00Z 近似值具有足够的精度而值得注意。对于紧密耦合的情况作为一级近似，在要求具有一定值的定向耦合器的耦合度C '和平行耦合微带线定向耦合器的介质材料（即知介质基片的厚度h ）的条件下，可以首先根据式（19）和式（20）计算e Z 0和00Z 以确定平行耦合微带线定向耦合器的结构尺寸W 和S （可查类似于表1获得），然后根据(5)式计算e θ、0θ和特性阻抗0Z 。如果上述计算所获得0Z 值与你所希望获得的0Z 值（通常为50Ω）出入较大时，则微带线定向耦合器的结构尺寸W 和S 必需稍微做一些变动、以修正计算所获得的0Z 值使之逼近所希望获得的0Z 值。
二、微带线定向耦合器的计算机辅助设计
#include 程序往下写：（给定Ω=500Z ） 根据下式两式[材料中的(3-1-57)式] e e Z Z 00 0ε= 和00 00εZ Z = 求00ε和e 0ε再利用(16)～(18)式求“耦合区”的几何长度l ,即： ????=-=,3,2,14 ) 12(n n l gm λ （18） 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” 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 θ θθθ 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 2002j 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 +-==') 5() 6() 7()8() 9() 10()11() 12() 13( 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 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 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 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。 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 < 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。 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。 设计仿真微带线分支线定向耦合器 一、设计要求： 设计3dB微带分支定向耦合器 已知条件：微带线介质基片厚度h=0.5mm，εr＝4.2。 指标要求： 1）通带：50MHz 2）耦合度：3dB 3）中心频率：1.8GHz 4）输入输出阻抗：50Ω 二、理论分析： 2.1 结构分析 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。 H（Zb） 当功率由（1）臂输入时，（2）、（3）两臂有输出；理想情况下，（4）臂无功率输出，故（4）臂是隔离臂，（2）、（3）两臂的输出可按一定的比例分配，若（2）、（3）两臂的输出功率相同，都等于输入功率的一半，则成为3dB定向耦合器或3dB分支电桥。 利用奇偶模分析法，将上述电路在中心线A－A1处切开，此时可将两条线（1）－（2）及（3）－（4）从A－A1面分开来考虑，这样将四端口网络转换为二端口网络，上下是对称的。所以利用各端口理想的匹配及（1）、（4）端口之间理想的隔离条件，得出下列公式： 2221(1)3 (2)4 11 20lg 20lg (3) 3G H u jG u u G C u GH +==-+== 其中C 称为定向耦合器的耦合度，u1、u2、u3分别为（1）口输入电压和（2）、 （3）口输出电压，可见（2）口和（3）口的输出电压相位差90度，对与3dB 定向耦合器（C ＝3dB ）代入上式得： 1,G H =2.2 主要技术指标 含量定向耦合器性能的主要技术指标有耦合度、定向性、隔离度、输入电压驻波比和频带宽度。 （1）耦合度C 当端口1接信号源，端口2、3、4均接匹配负载时，端口1的输入功率p1与端口2的输出功率p2之比的分贝数为该定向耦合器的耦合度C ，则 （2）方向性系数D 端口2的输出功率p2与端口3的输出功率p3之比的分贝为定向耦合器的方向性系数D ，则 （3）隔离度I 端口1的输入功率p1与端口2的输出功率p3之比的分贝数为该定向耦合器的隔离度I ，则 （4）输入电压驻波比 指定向耦合器直通端口4、反向耦合端口2、隔离端口3都匹配负载时，在输入端口1测量到的驻波系数。 （5）频带宽度 频带宽度是指当耦合度及输入驻波比都满足指标要求时定向耦合器的工作频带宽度。 对于一个理想的定向耦合起器，p3=0，S31=0，I 趋向于无穷大 三、 原理图设计及仿真分析： 3.1 原理图设计 Ω=== Ω===3.351150110 bY Y Z aY Y Z b b a a 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， 定向耦合器在微波技术中有着广泛的应用，种类很多。 波导同轴线带状线微带线 按传输线类型 单孔耦合多孔耦合连续耦合平行线耦合 按耦合方式 同向耦合反向耦合 输出方向 90度定向180度定向 输出相位 强耦合中等耦合弱耦合 按耦合强弱 定向耦合器的技术指标 定向耦合器一般属于四端口网络，它有输入端，直通端，耦合端和隔离端，分别对应右图所示的1、2、3和4端口。 定向耦合器的主要技术指标有耦合度，隔离度（或方向性）、输入驻波比和工作带宽。 （一）耦合度C 耦合度C定义为输入端的输入功率P1与耦合端的输出功率P3之比的分贝数，即 3 1 log 10 P P C= （dB） 由于定向耦合器是一个可逆四端口网络，因此耦合度又可表示 13 1 13 2 11 log 20 2 ~ 2 ~ log 10 S U S U C i i = ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? = （dB） 由此可见耦合度的分贝数越大耦合越弱。通常把耦合度为0~10Db的定向耦合器称为强耦合定向耦合器；把耦合度为10~20Db的定向耦合器称为中等耦合定向耦合器；把耦合度大于20Db的定向耦合器称为弱耦 合定向耦合器。 （二）隔离度D 隔离度D 定义为输入端的输入功率P1与隔离端的输出功率P4之比的分贝数，即 41 log 10P P D =（dB ） 若用散射参量来描述，则有 14 1142 11log 202~2~log 10S U S U D i i =????? ?????=(Db) 在理想情况下，隔离端应无输出功率，即P4=0，此时隔离度为无限大，但实际上由于设计或加工制作的不完 善，常有极小部门功率从隔离端输出，使隔离度不再为无限大。 有时用方向性（dB ）来表示耦合器的隔离性能，它是耦合端输出功率P3与隔离端的输出功率P4之比。也可 用散射参量来表示反向性，即 C D S S S S P P D -===='1413214 2 13 43 log 20log 10log 10 （三）、输入驻波比p 将定向耦合器除输入端外，其余各端均接上匹配负载时，输入端的驻波比即为定向耦合器的输入驻波比。 此时，网络输入端的反射系数即为网络的散射参量S 11, 故有 11 1111S S -+= ρ （四）、频带宽度 频带宽度是指耦合度、隔离度（或方向性）及输入驻波比都满足指标要求时，定向耦合器的工作频带宽 度，简称工作带宽。 以下为定向耦合器的图片 Reference: 近代物理实验Google 学术 优译创立于中国深圳市，注册资金2亿元人民币，是集军民用微波通信器件开发、设计与生 微带分支定向耦合器 注意：在设置变量的时候一定要记得设置成L mm的形式，如果丢掉mm数据图就出不来。 参数： 中心频率为2.4GHz 在2.3GHz-2.5GHz范围内，S11值小于-20dB 在2.3GHz-2.5GHz范围内，S21值大于-3.2dB 在2.3GHz-2.5GHz范围内，S31值大于-3.2dB 在2.3GHz-2.5GHz范围内，S41值小于-20dB 系统特性阻抗为50欧姆 微带线基板的厚度选为0.5mm，基板的相对介电常数4.2 步骤： 1.打开工程，命名为ohqfzdx。 2.新建设计，命名为ohqfzdx。 3.在原理图元件面板上选择微带线【TLines-Microstrip】，将 插入原理图中，并设置其参数，参数如下： 4.在原理图中画微带分支定向耦合器的电路图，如下图： 5. 在原理图中，菜单栏【tools】-【LineCalc】-【Start LineCale】，弹出【LineCalc】计算窗口，如下图所示 Z0表示计算时微带线的特性阻抗 E_Eff表示计算式微带线的相移 其中参数设置： Type：MLIN表示计算微带线。 Er：4.2表示介质板的相对介电常数 Mur:1表示微带线的相对磁导率 H=0.05mm表示微带线基板厚度 Hu=1.0e+33mm表示微带线封装高度 T=0.05表示微带线的导体层厚度 Cond=5.8e+7表示微带线的导体电导率 TanD=0.0003表示为微带线的损耗角正切 Tough=0mm表示微带线表面粗糙度 Freq=2.4GHz表示计算时采用频率 Z0=50Ohm表示计算时特性阻抗 E_Eff=90deg表示90deg相移 1.测得特性阻抗为50Ω时，微带线宽度为0.94mm，长度为17.67mm 2.测得特性阻抗50Ω/=35.36Ω，仍旧用90deg相移，测得宽 度1.63mm，长度17.17mm。 6.修改电路图中的参数，由于是双对称的，所以两两相等。 7. 全部设置为变量后，选中添加4个和 到原理图中，并设置。 8. 设置参数，频率扫描类型为Linear。起始值2.3GHz，终止值为2.5GHz（即扫描带宽长度既可），步长为10MHz。点击OK。 总得原理图：定向耦合器参数的定义
微带线定向耦合器的设计word文档
定向耦合器方向性的分析
基于HFSS分支定向耦合器设计说明书
定向耦合器
基于ADS的定向耦合器的设计
定向耦合器.
定向耦合器的研究
HFSS环形定向耦合器设计实例
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