1、1题目：130MHz 双定向耦合器的设计与制作I摘 要定向耦合器在射频电路中有着重要作用，既可作分支器件及功率检测部件，又可作为放大器的反馈元件。本文在概述了课题背景之后介绍了定向耦合器两种耦合方式：串联耦合和并联耦合。这两种耦合方式是实现定向耦合器分流信号的基础。用这两种耦合方式组合出了两种可用的电路结构，本文详细地推导了理想情况下各个参数的表达式。两变压器的双定向耦合器电路简单，隔离度不够好，三变压器的定向耦合器电路复杂，隔离度很好。为了便于讨论磁芯对变压器的影响，本文给出了实际变压器的等效电路，通过与理想变压器的比较，发现磁芯的初始磁导率决定了变压器的最低使用频率，磁导率的虚部决定了主线
2、衰减的大小，变压器的漏磁与磁芯的形状有很大的关系。接着对不同材料，不同形状的磁芯作了介绍。根据本课题的实际需要，选择了环形的镍锌铁氧体磁芯。为了对线圈的自感有个大致的了解并且比较不同磁芯的磁导率，用高频 Q 表测了几个不同磁芯的磁导率。然后，制作出了定向耦合器的实物，经测试，除端口驻波比外，都满足要求：主线衰减 0.24DB，耦合度 20.3DB，隔离度 28DB，低频端的驻波比接近 1.5。最后，对结果进行了讨论，分析了造成驻波比偏高的原因。同时也对整个课题作了一个总结。关键词：双定向耦合器 耦合方式 变压器 磁芯选择IIAbstractBidirectional coupler plays
3、 an important role in RF circuit.It not only can be used as branch device and power detect device but also can be used as feedback device of amplifier.This paper presents the background of this topic at first.Then this paper introduce two kinds of coupling ways of bidirectional coupler.They are seri
4、al coupling and parallel coupling.These two kinds of coupling ways are the base of bidirectional coupler.This paper presents two different available circuit structure by combination two different coupling ways introduced in front .This paper deduces in detail the various parameters and compares thei
5、r advantages and disadvantages.Bidirectional coupler consisted of two transformers is simple but its isolation is not good.Bidirectional coupler consisted of three transformers is complex but its isolation is good.In order to facilitate discussing the influence of magnetic core on transformer this p
6、aper presents a equivalent circuit of practical transformer. By comparing with ideal transformer,find magnetic cores related parameters which influence transformer.In this premise,this paper introduces different kinds of magnetic core and select suitable magnetic cores for this topic. Then it is exp
7、eriment process .In order to know the inductance value of coil and compare permeability of different magnetic cores,test permeability of some magnetic core. Then made a practical bidirectional coupler and tested its technical index.Besides standing-wave ratio,others all meet the demand.Main attenuat
8、ion reaches 0.24db.Coupling factor is about 20.3db.Isolation reaches 28db.The only pity is that standing-wave ratio is nearly 1.5.At last ,this paper discuss the result,analysis the reason which cause high standing-wave ratio and sum up the whole subject.Key Words：bidirectional coupler couple modes
9、transformer magnetic core selection III目 录摘 要 .IAbstract .II1 选题背景 .111 本课题的意义 .112 功能和特征 .113 实现方式 .214 技术指标 .415 研究现状 .52 方案选择 .721 耦合方式 .722 两变压器定向耦合器 .823 三变压器定向耦合器 .123 磁芯的选择 .1531 变压器等效电路 .1532 磁芯的种类 .1733 磁芯的参数 .194 材料的测试与定向耦合器的制作 .2141 材料参数的比较与测量 .2142 定向耦合器的制作与测试 .225 结论和总结 .25参 考 文 献 .2711
10、 选题背景11 本课题的意义定向耦合器在射频电路中有着重要作用，既可作分支器及功率检测部件，又可作为放大器的反馈元件：定向耦合器作为功率检测部件时，在发射机的功率控制、功率指示以及整机保护中都有着重要作用；定向耦合器作为反馈元件时，具有电阻反馈网络不具有的诸多优点。在有线电视中，定向耦合器是将天线接收到的电视信号进行放大、分配并传给许多用户的专用设备，是有线电视的信号分配系统。为了保证有线电视的质量，定向耦合器必须具有足够的隔离度以免用户之间的相互影响。为了传递多频道电视，定向耦合器必须是宽带的，在几百兆赫兹以下，集中参数定向耦合原件具有上述要求的性能，因而它在有线电视中获得了广泛的应用。定向
11、耦合器是信号监视的主要器件。在电源盒负载之间插入一个定向耦合器就可用来监视信号。如果在耦合段接频率计，可作频率监测。如果接功率计，可作功率监测。若用双定向耦合器则可同时测出电源输出功率和负载反射功率，因而它也可用来作电压驻波系数的测量。定向耦合器也可以作为放大器的反馈元件。在电子线路中使用反馈技术可以改善放大器的线性度，扩大放大器的动态范围。如果用电阻网络作为反馈元件，由于电阻是有耗得，所以用电阻反馈会增加噪声系数和降低输出功率。而定向耦合器的有效损耗很小，即使使用大量的反馈也不会使有源器件本身的噪声系数有明显的增加，同时不会减少有源器件可能的输出功率。这种技术的重要成果在于，在其他条件完全相
12、同的情况下，与电阻反馈相比较，放大器的动态范围或噪声系数将明显地得到改善 1。12 功能和特征 定向耦合器分为单定向耦合器和双定向耦合器。图 1-1 左边为单定向耦合器，A，B 和 C 是三个端口，当信号从 A 端输入时，B 为主线输出端，C 为耦合或分流端：而当信号从 B 端输入时，A 为主线输出端，C 端在理想情况下输出为零。图 1-1 右边为双定向耦合器，A 和 B 端为主线端，当信号从 A 端输入时，耦合信号从 C端输出，D 端没有输出：当信号从 B 端输入时，耦合信号从 D 端输出，C 端没有输出。总之，在图 1-1 中 A 端与 D 端之间是隔离的，B 端和 C 端彼此也是隔离的。
13、 2图 1-1 单定向耦合器（左）与双定向耦合器（右）示意图综上所述，定向耦合器具有两个主要特性：第一，可以用来耦合或分流信号；第二，耦合或分流是有方向性的。13 实现方式 要实现定向耦合器的功能：耦合端有信号，隔离端无信号。最基本的思想是使信号从输入端传输到主线输出端的过程中泄露几部分信号，这几部分信号在耦合端相位相同，因此耦合端输出泄露的信号的叠加，而这几部分泄露的信号在隔离端相位相反，因此隔离端的信号相互抵消，没有信号输出。在基本思想不变的情况下，具体实现方式多种多样，下面列举几类典型的实现方法。第一类，使用波导实现。将两个波导紧贴在一起，在它们的公共壁上凿两个洞。使信号从一个波导透入到
14、另一个波导，并在另一个波导中相叠加或者相抵消后输出。信号开始传输的波导称为激发波导，而信号透入到得另一个波导称为被激发波导。图 1-2 所示为一个用波导实现的简单定向耦合器。上面的波导为被激发波导，下面的波导为激发。1 和 2 为波导公共壁上的两个孔。假设从每个孔透出的信号都均等地向被激发波导的两端传输。从 1 孔透出的一部分信号 A 在被激发波导中从孔 1 位置传播到孔 2 位置，而没有透出的那一部分信号则在激发波导中从孔 1 位置传播到孔 2 位置后，从孔 2 再透出一部分信号 B。A 部分信号和 B 部分信号所走的距离相同，所以在孔 2 处，这两部分信号同相叠加后从被激发波导的右端（即耦
15、合端）输出。从两个孔透出的信号分别都有一部分向左传播，从孔 2 透出的信号要比从孔 1透出的信号多走一段距离，这段距离就是两孔间距的两倍。只要使这段距离为信号的半波长（两孔间距为信号的四分之一波长），从孔 2 透出的信号与从孔 1 透出的信号相位相差 180 度，在被激发波导的左端（即隔离端）相抵消，隔离端无信号输出 2。3图 1-2 用波导实现的简单定向耦合器此类定向耦合器的优点是功率容量大，适合高功率发射机中使用；它的缺点是体积过于庞大 3。第二类，使用带状线实现。当两个无屏蔽的带状线紧靠在一起时，由于各个传输线的电磁场的相互作用，在传输线之间会有功率耦合。图 1-3 是作为定向耦合器的两
16、根带状线。与波导方式不同的是，带状线之间每个位置都会有信号的耦合，而不是仅仅在开孔的地方。耦合后的信号向耦合端传输的部分同向叠加，向隔离端传输的部分反向抵消（带状线尺寸与信号波长满足一定关系的情况下）。相比于用波导实现的定向耦合器，这种可以将尺寸做得更小 4567。图 1-3 用带状线实现的简单定向耦合器第三类，使用集总变压器实现。变压器由于初级和次级间的磁交链，可以用来耦合或则分流信号。有了这个基本功能，就只需要想办法使变压器耦合出来的信号在耦合端同相叠加，在隔离端反向抵消。比较以上三类实现方式，前两种是分布参数的定向耦合器，这类器件的尺寸跟工作信号的波长密切相关，通常应用于频率上 GHz
17、的微波领域。而且相对带宽也很窄，这是与工作信号波长相关的器件的通病，虽然可以通过一些方式去增加带宽，但是是通带内的平坦度会受到影响。第三种是集总参数的定向耦合器，这种是变压器的混接网络。它具有所有集总元件的共同优点：尺寸小，相对带宽大。如果这种变压器使用漆包线绕的话，由于分布电容的原因，只能在几十兆赫兹的频率内使用。如果使用传输线绕制的话，则可以将使用频率提高到一千兆赫兹。这使得变压器器4定向耦合器的使用频段延伸到了微波段，分布参数定向耦合器不能使用的频段也可以使用变压器定向耦合器代替。本课题的使用频段为 1-30MHz，只能选择第三类实现方式。14 技术指标为了衡量定向耦合器器的性能好坏，规
18、定了若干技术指标。通常定向耦合器的主要技术指标包括主线衰减，耦合度，隔离度，方向性，输入端驻波系数和工作带宽 89。在如果定向耦合器输入端的输入功率为 P1，主线输出端，耦合端和隔离端的输出功率分别为 P2，P 3和 P4，则定向耦合器的有关参数可表示为1）主线衰减(1-1)(lg102DBAm主线衰减并不表示定向耦合器本身损耗的大小，其包括本身损耗和耦合端的功率分离所引起的损耗两部分。所以，当耦合度越大，主线衰减也会增加。2）耦合度(1-2)lg103BPAc（Ac 的值越大，表明定向耦合器的耦合输出越小，Ac 的值越小，表明定向耦合器的耦合输出越大。常见的 3db 定向耦合器为强耦合定向耦
19、合器，20db 或者 30db 的定向耦合器为弱耦合定向耦合器。耦合度不同，结构要求也会不一样。3）隔离度(1-3)(lg104DBPArAr 的值越大，表明隔离端输出的信号越小，隔离性能越好。理想情况下，隔离端是没有信号输出的，但实际情况总是与理想相去甚远4）方向度(1-4)(lg1043BPAd方向度就是隔离度与耦合度的差值，其值越大表明性能越好，通常定向耦合器的方向度要求在 20db 以上。方向度和隔离度都是表示定向耦合器定向性能的好坏的，方向度是定向耦合器最重要的参数。对于理想的定向耦合器，其隔离度为无穷大，此时 P4=0，则输入功率(1-5)324321P5以上所提到的定向耦合器的参
20、数，是定向耦合器的个性参数。此外，还有属于电子传输器件的共性参数。5）电压驻波系数某一端口的电压驻波系数，指其他端口都匹配的情况下，这一端口的输入信号与反射信号的比值。6）工作频带工作频带是指定向耦合器的其他参数都满足要求的工作频率范围。7）功率容量由于变压器的磁芯在通过一定大的电流时会出现磁饱和，所以定向耦合器能通过的电流由限制，能承受的最大功率称为功率容量。在一般的信号传输中，信号都比较小，很少考虑功率容量这个参数。15 研究现状随着微波应用范围的日益扩大，定向耦合器己成为许多微波系统和设备中的一个重要部件，因而，国内外有关定向耦合器的研究很多。而随着不同的工程实践的需求，出现了各种各样的
21、定向耦合器。下面我们对其中一些类型的定向耦合器的研究状况进行简单的阐述：选模定向耦合器 1011。在高功率微波系统中，一般都采用过模圆波导作为主波导以传输足够高的功率，微波源在过模波导中将激励起多个模式，定性和定量地分析这些模式成份，就是模式识别器的任务。以往人们提出的各种模式识别方法，有的无法同时完成定性和定量分析的双重任务，有的仅适用单模系统，且一般都不能用于高功率单次脉冲系统。选模定向耦合器的利用，则为解决这一任务提供了最方便和可靠的途径。它不仅具有动态性和实时性的优点，而且尤其适合于高功率单次脉冲微波系统模式定性和定量的测量，选模定向耦合器的实现，为高功率单次脉冲微波的实时功率测量提供
22、了一种更可靠更精确的方法。由于选模定向祸合器的单模性，其耦合度可以精确的标定，从而克服了在利用探针耦合进行微波功率测量时探针耦合度无法精确定标的缺点。而多模选模定向耦合器的使用，对系统中的模式组成得到定性和定量分析的同时，也进行了功率测量，将模式鉴别和功率测量利用同一元件一次完成。铁氧体定向耦合器 12。铁氧体定向耦合器是用高强度漆包线绕在铁氧体高频磁环或磁芯上做成。这种定向耦合器实质上是用电感线圈代替分布参数的电感，用电容器代替分布电容，有时也称其为集中参数定向耦合器。在定向耦合器设计中，使6用铁氧体能有效增加带宽，减小尺寸和生产成本，同时提高了功率。在微波测量仪器中使用这种定向祸合器可以降低成本，提高测量精度，有着广阔的应用前景。硅纳米线定向耦合器。最近日本 NEC 公司和日本光电子工业与技术发展协会及东京大学的科学家们成功研制出硅纳米线定向耦合器，该硅纳米线定向耦合器比传统用的玻璃光纤、基于半导体二氧化硅或铌酸锂波导制作的耦合器尺寸小得多。与传统光导定向耦合器的几毫米的长度相比较，硅纳米线定向耦合器的总长小于或等于五十微米。由于硅芯与二氧化硅包层之间的折射率差很大(分别为 3.5 和 1.5)，硅纳米线波导的 S 形弯曲的曲率半径小得多，所以弯曲损耗小。此外，传统的光导定向耦合器的典型耦合长度为几百微米甚至为几毫米，而硅纳米线定向耦合器的耦合长度小于十微米。
