【正文】 于 90176。利用其功率分配和相位的關(guān)系，該定向耦合器可以用于 V/U 波段自適應(yīng)干擾抵消器的正交裂相。結(jié)合仿真軟件的帶狀線耦合模型，本文著重討論后向耦合模式的定向耦合器。在此基礎(chǔ)上 ，利用插值多項式和微波等效電路，對定向耦合器的設(shè)計進行分析綜合，得出其奇模特征阻抗和偶模特征阻抗。 為了減小了器件的尺寸，使其更實用，本文專門對折疊小型化進行研究并得出修正措施。實現(xiàn)的 定向正交耦合器經(jīng)過測試，達到了設(shè)計要求 。 關(guān)鍵詞：耦合器 超寬帶 正交 小型化 ADS Abstract Abstract Directional coupler is a kind of RF ponent which can distribute power. It is suitable for many occasions. The operating frequency range of the directional coupler researched in this paper is from 30MHz to 512MHz. According to the definition of band ratio and relative bandwidth, this ponent is an UWB(Ultra Wide Band) RF po nent. At present there is no stripline coupler can work normally in such a wide band and at so low frequency. Hence the research of this paper has been an innovation. This UWB directional quadrature coupler has four ports as follows, input port, direct port, couple port and isolation port. It can distribute power equally and at the same time keep the phase difference at 90176。其中最為典型也最為重要的就是在軍事方面的應(yīng)用。因為軍用頻段 為 V/U波段，帶寬 較窄，在一艘軍艦上，大量電子設(shè)備同時工作，難免造成相互干擾，而這種干擾是不能用常規(guī)濾波方式消除的。比較理想的解 決方案是利用自適應(yīng)干擾抵消技術(shù)來消除該干擾。為了保證在整個頻帶（ 30MHz~512MHz）內(nèi)信號分配的準確性，特提出該定向耦合器的研制。波段系數(shù)的計算公式如下： /hlff?? （ 11） 相對帶寬的計算公式如下： hlhlffff? ?? ? （ 12） 其中 lf 為該波段的起始頻率， hf 為該波段的截止頻率。根據(jù)查閱的國內(nèi)外資料顯示，在低于 1GHz 的頻段（軍用頻段）內(nèi)，目前現(xiàn)有的定向耦合器尚未達到如此大的波段系數(shù)和相對帶寬，也沒有如此低的工作頻率 。 定向耦合器概述 定向耦合器是一種可以將信號功率按照一定比例進行分配的電子器件。 一般的定向耦合器由兩條線構(gòu)成，分別稱為直通線和耦合線，或者稱為主線超寬帶定向正交耦合器的設(shè)計與實現(xiàn) 2 和副線。直通線上的一部分功率通過一定的耦合方式耦合到耦合線上。耦合到耦合線上的功率根據(jù)要求按一定方向傳輸，即只朝一個端 口傳輸，耦合線上另一端沒有功率輸出 ， 因此稱為定向耦合器。采用不同的耦合方案、耦合結(jié)構(gòu)及帶線尺寸，也大大提高了耦合器的靈活度，可以制成各種性能的耦合器。例如雷達饋線電路及大功率計。利用定 向耦合器輸出信號的相位特性，可以用于反射式移相器、幅頻均衡器和鑒頻器等。在設(shè)計過程中，將耦合器的四個端口均匹配到特征阻抗 50Ω，這樣可以做為子系統(tǒng)很方便的應(yīng)用于各種電路中。在 1935 年 4 月份， 和 申請到專利“高頻功率因數(shù)測量表” [4]，專利號為 1999250，被認為 是最早的耦合原理的應(yīng)用。 1941 年 [5]發(fā)表論文討論傳輸線方程的求解。 1954年， [6]在發(fā)表的論文中對傳輸線耦合器進行分析。 和 [8]在 研究的基礎(chǔ)上，推出了一般特征阻抗及奇偶模特征阻抗和電長度之間的關(guān)系，并提出可由任意奇數(shù)節(jié)實現(xiàn)對稱結(jié)構(gòu)耦合器。 Seymour [9]在同年發(fā)表論文，在論文中 討論了帶狀線平行側(cè)邊耦合的設(shè)計方法。之后 1960第一章 緒論 3 年 Seymour 發(fā)表論文 推導(dǎo)出 帶狀線寬帶耦合器的 奇模特征阻抗和偶模特征阻抗的精確表達式 [11]。同年 [13]發(fā)表論文討論了最優(yōu)非對稱耦合器的設(shè)計，在論文中主要討論的節(jié)數(shù)是 2 到 6 節(jié)。在 和 進行研究的同時， 和 [15]也提出了耦合器的精確設(shè)計理論。 盡管對耦合器的精確設(shè)計進行了研究，但是仍不能有效的增加耦合器的工作帶寬 。同年 [18]提出將多節(jié)不同耦合度耦合器串聯(lián)使用，可以在一定的頻寬內(nèi)獲得寬頻帶平坦耦合。 1984 年 Seymour 和 Ralph Levy 在發(fā)表的論文中總結(jié)耦合器的發(fā)展史 [20]，對于增加耦合器帶寬仍采用級聯(lián)的方式實現(xiàn)。 1998 年 Norio Nishizuka, Minoru Tahara 和 Mutalifu Mohemaiti[22]設(shè)計出工作在 VHF/UHF 波段的耦合器，耦合方式為線圈耦合，不滿足本文要求的大功率條件。 2020 年 Marek E. Bialkowski、 Norhudah Seman 和 Mook Seng Leong[24]通過槽孔耦合方式，進一步增大了 3dB 定向耦合器的工作帶寬，工作頻段 3GHz～12GHz，未達到本文要求的低頻段和高波段系數(shù) 。結(jié)合查閱資料可知已有的耦合器工作頻段均不能滿足本文要求。盡管在美國某公司網(wǎng)站上看到該公司生產(chǎn)的耦合器工作頻段為 500MHz 到 40GHz，雖說有足夠大的波段系數(shù)（高至80），但是工作頻率也較高，仍大于 500MHz。通過以上對比分析可知，本文的研究工作具有創(chuàng)新意義。本文所要研究和設(shè)計的是一個工作在 V/U 波段（即 30MHz～ 512MHz），能夠 承受大功率（ ≥50W）的 3dB 定向耦合器。 由于整個系統(tǒng)的尺寸限制，該耦合器的尺寸要盡可能小。對于已有的工作頻率低于 100MHz 的，多用傳輸線變壓器耦合器來實現(xiàn)，但是其承受功率也較低，不滿足大功率要求。根據(jù)以上情況，本文結(jié) 合定向耦合器的設(shè)計流程，通過以下章節(jié)對 V/U 波段寬帶定向耦合器進行詳細論述分析，給出完善的設(shè)計過程，最終做出實物 并提出有效的改進方案 。然后找到設(shè)計超寬帶耦合器的有效方案，根據(jù)該方案確定耦合器的特征阻抗，根據(jù)特征阻抗求出耦合器耦合線的物理參數(shù)，比如，耦合線寬度，錯位寬度等，最終選取合適的布線結(jié)構(gòu)，即可得出耦合器的 PCB 版圖，然后生產(chǎn)即可。本章首先提出研制背景 ，然后對定向耦合器進行概述，介紹其發(fā)展歷史及現(xiàn)狀，最后給出本文的主要工作。本章首先對一般的面對稱網(wǎng)絡(luò)進行奇偶模分析，然后針對定向耦合器進行具體的網(wǎng)絡(luò)分析，得出實現(xiàn) 3dB 定向耦合器的約束條件，最后討論定向耦合器的參數(shù)。該章是本文的重點部分，詳細論述了設(shè)計流程及各種電路參數(shù)。 第四章 實驗結(jié)果。 第五章 改進措施。 第六章 結(jié)束語。 超寬帶定向正交耦合器的設(shè)計與實現(xiàn) 6 第二章 定向耦合器的理論分析 7 第二章 定向耦合器的理論分析 本章主要從三個部分對定向耦合器進行理論分析。 定向耦合器的網(wǎng)絡(luò)分析 二端口面對稱網(wǎng)絡(luò) 在分析面對稱網(wǎng)絡(luò)時，可以將面對稱網(wǎng)絡(luò)分解為等幅同相激勵（偶模激勵）下的偶模結(jié)構(gòu)和等幅反向激勵（奇模激勵）下的奇模結(jié)構(gòu)。在對奇偶模結(jié)構(gòu)分別進行分析時，將網(wǎng)絡(luò)端口數(shù)減半，簡化了分析過程。 Ma 1b 1b 2 圖 二端口面對稱網(wǎng)絡(luò) 其中左端反射系數(shù)為 ? 。然后將上圖分解為偶模激勵情況和奇模激勵情況，如 圖 ，圖 所示 。將式（ 29）（ 210）代入（ 212）可得： 第二章 定向耦合器的理論分析 9 12 e o e oe o e oS ? ? ? ? ? ???? ??? ? ? ? ? ??? （ 213） 根據(jù)圖 （ ） 和圖 （ ） ，結(jié)合式（ 21） ~（ 24）和（ 211）可得偶模激勵的散射矩陣和奇模激勵的散射矩陣如下： eeeeeS ??????????? （ 214） oooooS ? ????? ???? ??? （ 215） 式（ 213）可改寫為： ? ?12 eoS S S?? （ 216） 本節(jié)主要通過奇偶模分析法討論一般二端 口面對稱網(wǎng)絡(luò)的散射矩陣，下面在本節(jié)基礎(chǔ)上討論四端口定向耦合器網(wǎng)絡(luò)。實際工作時，定向耦合器做為子系統(tǒng)與其他器件級聯(lián)，其他器件的輸入輸出阻抗均為特征阻抗 50Ω，所以理論計算時需要端接特征阻抗 0Z 。如圖～圖 所示： Z 0Z 0Z 0Z 02 UU 3 I 3U 1I 1U 4 I 4U 2 I 2 圖 原始信號激勵（ 2U）的定向耦合器 Z 0Z OZ 0Z 0UU 3 oI 3 oU 1 oI 1 oU 4 oI 4 oU 2 oI 2 o UZ 0 o電 壁 圖 奇模激勵（ +U、 U）的定向耦合器 超寬帶定向正交耦合器的設(shè)計與實現(xiàn) 10 Z 0Z 0Z 0Z 0UU 3 eI 3 eU 1 eI 1 eU 4 eI 4 eU 2 eI 2 eUZ 0 e磁 壁 圖 偶模激勵（ +U、 +U）的定向耦合器 其中電壓箭頭向上為正，向下為負，電流箭頭向右為正，向左為負。 奇模激勵下 ，傳輸線對稱面電勢為零（電壁），對稱面兩側(cè)傳輸線特征阻抗為0OZ ，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( )OOl jZ lU o U oljlI o I oZ??? ???? ? ? ????? ? ? ?? ? ? ??? （ 217） 00c o s( ) sin( )34sin( ) c o s( )OOl jZ lU o U oljlI o I oZ??? ?????? ? ? ????? ? ? ??? ? ? ??? （ 218） 結(jié)合奇模結(jié)構(gòu)具體電路，有 011U U o Z I o? ? ? （ 219） 022U o Z I o?? （ 220） 033U U o Z I o? ? ? ? ? （ 221） 044U o Z I o? ? ? （ 222） 解上述矩陣及方程可得： 000000c o s( ) sin ( )12 c o s( ) ( ) sin ( )OOOZl j lZU o UZZl j lZZ???????? （ 223） 00002 2 c os( ) ( ) si n( )OOUUo ZZl j lZZ??? ?? （ 224） 000000c o s( ) sin ( )32 c o s( ) ( ) sin ( )OOOZl j lZU o UZZl j lZZ???????? （ 225） 第二章 定向耦合器的理論分析 11 00004 2 c os( ) ( ) si n( )OOUUo ZZl j lZZ??? ?? （ 226） 由分析可知，該 4 組解均為模值形式，方向由箭頭 標定。 原激勵條件下定向耦合器各端口電壓為奇模結(jié)構(gòu)和偶模結(jié)構(gòu)各端口電壓的疊加，可得： 1 1 1U U e U o?? （ 237） 2 2 2U U e U o?? （ 238） 3 3 3U U e U o?? （ 239） 4 4 4U U e U o?? （ 240） 超寬帶定向正交耦合器的設(shè)計與實現(xiàn) 12 原激勵條件（ 2U）下，耦合器信號輸入端口的輸入阻抗為 1/ 1inZ U I? ，為了與其他器件級聯(lián)時候無反射匹配，那么要求 0inZZ? ，即 01/ 1U I Z? ，而當 0inZZ? 時，電壓 2U 平均分配，即 1UU? ，那么有 0 /1Z U I? 。 四端口定向耦合器為雙面對稱網(wǎng)絡(luò)，符合一般面對稱網(wǎng)絡(luò)的規(guī)律，由上小節(jié)式（ 212）可知，矩陣 AD? ， BC? ，式（ 249）可改寫為： 11 12 13 1421 22 23 2413