【正文】 以上是對(duì)四端口定向耦合器的網(wǎng)絡(luò)分析，下面討論耦合器的主要參數(shù)。四端口網(wǎng)絡(luò)的部分 散射參數(shù)定義 如下： 2211Us U??? （ 253a） 3311Us U??? （ 253b） 其中 1U? 代表 1 端口的輸入信號(hào)， 2U? 和 3U? 代表 3 端口的輸出信號(hào) ，正負(fù)號(hào)與圖（ ）中箭頭方向相對(duì)應(yīng) 。同理，不論信號(hào)從哪個(gè)端口輸入，得出的散射矩陣不變。由于仿真軟件對(duì)應(yīng)后向耦合方式，那么本文針對(duì)后向耦合進(jìn)行分析，即信號(hào)從 1 端口輸入時(shí)， 2 端口為直通端， 3 端口為耦合端， 4 端口為隔離端。由上述方程可解得： 0000 0 0 00 0 0 0c os ( ) si n( ) c os ( ) si n( )1 1 111 2 c os ( ) ( ) si n( ) 2 c os ( ) ( ) si n( )eOineOeOZZl j l l j lU U e U oZZZ Z Z ZII l j l l j lZ Z Z Z? ? ? ?? ? ? ????????? ? ? ?? ? ? ??? （ 241）因?yàn)榍疤嵋?0inZZ? ，則： 000 0 0 00 0 0 0c o s( ) sin ( ) c o s( ) sin ( )12 c o s( ) ( ) sin ( ) 2 c o s( ) ( ) sin ( )eOeOZZl j l l j lZ Z Z Zl j l l j lZ Z Z Z? ? ? ?? ? ? ?????? ? ? ? （ 242） 整理上式可得： 0 0 0eOZ Z Z? （ 243） 進(jìn)而求得： 1UU? （ 244） 00222 c os( ) si n( )eOOeUUZZj??? ???????? （ 245） 00000000si n( )32 c os( ) si n( )eOOeeOOeZZjZZUUZZjZZ??????????????????? （ 246） 40U? （ ） 在該波段的中心頻率上， 90ol???? ，代入上式可得電壓耦合系數(shù)： 0031 eOZZUK U Z Z??? ? （ 248） 下面求解該四端口定向耦合器的散射矩陣： 令 11 12 13 1421 22 23 2431 32 33 3441 42 43 44s s s ss s s sABSs s s sCDs s s s???????????? ???? （ 249） 該矩陣即為一般四端口網(wǎng)絡(luò)的散射矩陣形式， 由一般二端口面對(duì)稱網(wǎng)絡(luò)的散射矩陣對(duì)稱性可知： 11 1221 22ssA ss??????? （ 250a） 第二章 定向耦合器的理論分析 13 13 1423 24ssB ss??????? （ 250b） 31 3241 42ssC ss??????? （ 250c） 33 3443 44ssD ss??????? （ 250d） 下面根據(jù)四端口定向耦合器的特征來(lái)確定 S 矩陣的各個(gè)參數(shù)。 偶模激勵(lì)下，傳輸線對(duì)稱面兩側(cè)電勢(shì)相等（磁壁），因此對(duì)稱面為開路形式，對(duì)稱面兩側(cè)傳輸線特征阻抗為 0eZ ，根據(jù)傳輸線網(wǎng)絡(luò) ABCD 矩陣（傳輸矩陣）可得： 00c os( ) si n( )12si n( ) c os( )eel jZ lU e U eljlI e I eZ??? ???? ? ? ????? ? ? ?? ? ? ??? （ 227） 00c os( ) si n( )34si n( ) c os( )eel jZ lU e U eljlI e I eZ??? ???? ? ? ????? ? ? ??? ? ? ??? （ 228） 結(jié)合偶模結(jié)構(gòu)具體電路，有： 011U U e Z I e? ? ? （ 229） 022U e Z I e?? （ 230） 033U U e Z I e? ? ? （ 231） 044U e Z I e? ? ? （ 232） 整理上述矩陣及方程可得 000000c o s( ) sin ( )12 c o s( ) ( ) sin ( )eeeZl j lZU e UZZl j lZZ???????? （ 233） 00002 2 c os( ) ( ) si n( )eeUUe ZZl j lZZ??? ?? （ 234） 000000c o s( ) sin ( )32 c o s( ) ( ) sin ( )eeeZl j lZU e UZZl j lZZ???????? （ 235） 00004 2 c os( ) ( ) si n( )eeUUe ZZl j lZZ??? ?? （ 236） 其中 2/? ? ?? ， ? 為信號(hào)的波長(zhǎng)， l 為傳輸線的長(zhǎng)度。由上面圖 圖 圖 可知，將奇偶模兩種情況疊加，可以得出原激勵(lì)條件下的情況。根據(jù)奇偶模分析的原理，將激勵(lì)信號(hào) 2U 分解為一對(duì)奇模激勵(lì)（ +U、U）和一對(duì)偶模激勵(lì)（ +U、 +U），分別對(duì)應(yīng)耦合器的奇模結(jié)構(gòu)和偶模結(jié)構(gòu) 。 四端口面對(duì)稱網(wǎng)絡(luò) 本節(jié)在上一節(jié)面對(duì)稱網(wǎng)絡(luò)奇偶模分析的基礎(chǔ)上對(duì)四端口定向耦合器分別進(jìn)行奇模激勵(lì)分析和偶模激勵(lì)分析。 M 開 路a 1 / 2b 1 eb 2 ea 1 / 2 圖 偶模激勵(lì) 1111[ , ]22ea a a?1111[ , ]22oa a a??超寬帶定向正交耦合器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 8 M 短 路a 1 / 2b 1 ob 2 o a 1 / 2 圖 奇模激勵(lì) 由偶 模激勵(lì)可知，對(duì)稱面兩端輸入信號(hào)相等，對(duì)稱面相當(dāng)于開路，取對(duì)稱面左半平面進(jìn)行研究得： 11 2eeab ?? （ 23） 其中 e? 為偶模激勵(lì)下的反射系數(shù)，由面對(duì)稱網(wǎng)絡(luò)的對(duì)稱性可得右半平面： 12 2eeab ?? （ 24） 由奇模激勵(lì)可知，對(duì)稱面兩端輸入信號(hào)相反，對(duì)稱面相當(dāng)于短路，取對(duì)稱面左半平面進(jìn)行研究得： 11 2ooab ?? （ 25） 其中 o? 為奇模激勵(lì)下的反射系數(shù)，由面對(duì)稱網(wǎng)絡(luò)的對(duì)稱性可得右半平面： 12 2ooab ??? （ 26） 由上面分析可得： ? ?1 1 1 1 2e o e ob b b a? ? ? ? ? ? （ 27） ? ?2 2 2 1 2e o e ob b b a? ? ? ? ? ? （ 28） 那么可推出原網(wǎng)絡(luò)反射系數(shù) ? 和正向傳輸系數(shù) T ： ? ?11 12 eoba? ? ? ? ? ? （ 29） ? ?21 12 eobT a? ? ? ? ? （ 210） 根據(jù)散射參數(shù)的定義： iijjVs V??? （ 211） iV? 代表 i 端口的輸出電壓， jV? 代表 j 端口的輸入電壓，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)的對(duì)稱性，互易性，可得一般 二端口 面對(duì)稱網(wǎng)絡(luò)的散射矩陣為： 1 1 1 22 1 2 2ss TS ss T??? ?????? ??????? （ 212） 其中 ? 為原面對(duì)稱網(wǎng)絡(luò)的反射系數(shù)， T 為正向傳輸系數(shù)，分別對(duì)應(yīng) 11s 和 21s ，且該矩陣沿主對(duì)角線對(duì)稱。將輸入信號(hào) 1a 分為一組偶模激勵(lì) ea 和一組奇模激勵(lì) oa ，其中 ： （ 21） （ 22） 可以看出 1 eoa a a??成立。 設(shè)一互易無(wú)耗二端口面對(duì)稱網(wǎng)絡(luò)的對(duì)稱面為 M，信號(hào) a1 輸入該網(wǎng)絡(luò)，反射信號(hào)為 b1，經(jīng)過(guò)該網(wǎng)絡(luò)后的輸出信號(hào)為 b2，如圖 所示 。分別對(duì)這兩個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，再應(yīng)用疊加原理，可得出原網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)分析結(jié)果。在對(duì)定向耦合器進(jìn)行分析前，首先進(jìn)行面對(duì) 稱網(wǎng)絡(luò)的奇偶模分析 [26]，在面對(duì)稱網(wǎng)絡(luò)奇偶模分析的基礎(chǔ)上，對(duì)定向耦合器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分析 [27]，最后討論定向耦合器的幾個(gè)主要參數(shù)和分類。本章主要對(duì)耦合器的設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié)，并展望未來(lái)的發(fā)展。本章主要從理論角度對(duì)降低耦合器輸入端口反射系數(shù)第一章 緒論 5 進(jìn)行研究，并用仿真結(jié)果驗(yàn)證該措施可行有效。本章 在前一章基礎(chǔ)上通過(guò)實(shí)驗(yàn)選取最優(yōu)方案，繪制出PCB 版圖，生產(chǎn)出產(chǎn)品后 對(duì)實(shí)物進(jìn)行測(cè)量分析，并經(jīng)過(guò)后期修改完善，最終得出結(jié)論。本章首先討論實(shí)現(xiàn)寬帶耦合器需要的結(jié)構(gòu)，然后在此基礎(chǔ)上依次論述實(shí)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)所需要的電路參數(shù)的計(jì)算、物理參數(shù)的計(jì)算，最終 針對(duì)小型化折疊進(jìn)行研究 確定該耦合器的具體結(jié)構(gòu)形狀并對(duì)其進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真 分析 改進(jìn) 。 第三章 寬帶定向耦合器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。 第二章 定向耦合器的理論分析。 根據(jù)以上耦合器的設(shè)計(jì)流程，本文主要分六章進(jìn)行討論，各章節(jié)內(nèi)容安排如下： 第一章 緒論。 對(duì)于實(shí)際器件的制作，首先要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分析，找到實(shí)現(xiàn)理想耦合器的約束條件。而且已有的資料只是給出了一般高頻段（ ≥1GHz）耦合器的設(shè)計(jì)思路或者一些電路參數(shù)的圖表，并未給出詳細(xì)的設(shè)計(jì)過(guò)程，也沒(méi)有給出不同性能的耦合器具體需要哪種結(jié)構(gòu)及電路參數(shù)。 目前市場(chǎng)上的帶狀線或者微帶線耦合器絕大多數(shù)工作頻率均大于500MHz。該耦合器直通端和耦合端的兩路輸出信號(hào)幅度相等，相位正交。 超寬帶定向正交耦合器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 4 本文主要工作 隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，對(duì)定向耦合器在性能、尺寸和成本等方面要求越來(lái)越高。目前已有的工作頻率較低的帶狀線耦合器是從 100MHz 到 500MHz，該耦合器波段系數(shù)為 5，仍小于 10。 本文研究設(shè)計(jì)的帶狀線耦合器工作頻段 30MHz 到 512MHz，波段系數(shù)略大于17，通過(guò)對(duì)已有文獻(xiàn)資料進(jìn)行查閱分析，目前研究的帶狀線耦合器波段系數(shù)大都小于 10，而且工作 頻率大都在 500MHz 以上。 2020 年 P. Miazga[25]采用特殊的耦合線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了工作頻段 2GHz～ 20GHz 的寬帶定向耦合器，直通參數(shù)、耦合參數(shù)及工作頻段仍未達(dá)到本文要求。 2020 年 Amin M Abbosh [23]通過(guò)槽孔耦合方式實(shí)現(xiàn) 3dB 正交耦合器，但是工作頻段 ～ ，不滿足本文要求。 1990 年 在論文中對(duì) 3dB 正交等波紋耦合器 [21]進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用交叉級(jí)聯(lián) 方案，分別討論了 3節(jié)、 5 節(jié)和 7 節(jié)耦合情況，給出了參數(shù)取值表格。 1966 年 和 [19]在發(fā)表的論文中提出，可以通過(guò)多節(jié) 相同或者不同的 耦合線交叉串聯(lián)實(shí)現(xiàn)寬帶等波紋 3dB正交耦合 。使用多節(jié)對(duì)稱耦合器可以獲得寬頻帶耦合是 ， 和 [17]在 1955 年發(fā)表的一篇論文中提出的。 1966 年[16]發(fā)表論文討論了寬邊錯(cuò)位平行耦合結(jié)構(gòu)的電路參數(shù)和物理參數(shù)之間的關(guān)系，大大促進(jìn)了寬帶耦合器的物理實(shí)現(xiàn)。之后 和 [14]發(fā)表關(guān)于對(duì)稱耦合器精確設(shè)計(jì)理論的論文，并給出了設(shè)計(jì)不同耦 合度耦合器對(duì)應(yīng)的參數(shù)表格。 而后 1963 年 [12]發(fā)表論文，討論了 TEM 模耦合器和階梯阻抗變換器的等效，為以后耦合器的綜合奠定了基礎(chǔ)。 在 1957 年，[10]在發(fā)表的論文中討論了四分之一波長(zhǎng)阻抗變換器的綜合。 1955 年，美國(guó)斯坦福研究院的 Seymour 、 、 、 和 等人開始了對(duì)帶狀線耦合器的研究，得到大量具有開創(chuàng)意義的成果，并發(fā)表一系列論文。同年 [7]在發(fā)表的論文中對(duì) TEM 模式耦合器進(jìn)行研究，并從理論角度推出了該種耦合器的設(shè)計(jì)。 1944 年， 在兩個(gè)接地板之間，添加導(dǎo)帶電路，板間介質(zhì)為空氣，實(shí)現(xiàn)第一個(gè)平坦帶狀線耦合器，只是當(dāng)時(shí)并沒(méi)有 “耦合器 ”這一名詞。因?yàn)轳詈暇€其實(shí)也是傳輸線，那么傳輸線求解對(duì)耦合線同樣有效。 定向耦合器的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀 耦合原理最早被用來(lái)進(jìn)行射頻微波 高功率 線路的功率測(cè)量 。而且目前使用較多的自適應(yīng)干擾抵消方案正是利用其輸出信號(hào)的幅度特性和相位特性，通過(guò)正交矢量合成最終抵消同址干擾。由于種種技術(shù)原因不能將大功率信號(hào)直接測(cè)量或者顯示