帶短路支節(jié)的高隔離度分支線定向耦合器設計研究-碩士論文

1、<p>　　單位代碼： 10293 密 級： </p><p>　　碩 士 學 位 論 文</p><p>　　論文題目：帶短路支節(jié)的高隔離度分支線定向耦合器設計研究</p><p>　　電磁場與微波技術 </p><p>　　移動通信與射頻技術 </p><p>　

2、　工學碩士 </p><p>　　二零一五年三月 </p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　定向耦合器是一種常用微波無源元件，在無線系統(tǒng)的射頻前端中有著廣泛的應用。特別在收發(fā)同頻的無線系統(tǒng)中定向耦合器常常被用作隔離收發(fā)信號的一種關鍵部件。但是傳統(tǒng)的定向耦合器隔離度偏低且工作帶寬較窄，無法滿足系統(tǒng)

3、的要求。本文以分支線定向耦合器為研究對象，主要圍繞如何提高其隔離度和增加工作帶寬來進行深入研究。論文的主要工作和創(chuàng)新點包括：</p><p>　?。?）根據功率相消原理在其耦合端口增加一條微帶短路支節(jié)，設計出一款3dB帶短路支節(jié)雙分支線定向耦合器。這種方法結構簡單，易于實現(xiàn)，且能夠大幅提高耦合器隔離度。</p><p>　　（2）完成了一款實驗樣品的加工、測量工作，驗證了短路支節(jié)線用于提高

4、雙分支線定向耦合器隔離度的效果，以及工作帶寬提高不明顯的缺點。</p><p>　?。?）在雙分支線定向耦合器基礎上，總結出一種有效提高其工作帶寬的方法：增加耦合路徑，并設計出一款3dB三分支線定向耦合器，該耦合器能夠大幅拓寬工作帶寬。在3dB帶短路支節(jié)雙分支線定向耦合器的基礎上設計出一款3dB帶短路支節(jié)三分支線定向耦合器，該款改進型定向耦合器在很大程度上拓寬了工作帶寬，且提高了隔離度。</p>&

5、lt;p>　　關鍵詞: 定向耦合器，隔離度，短路支節(jié)，工作帶寬</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Reader is an important part of the RFID system, and the reader send and receive isolation is one of the key perf

6、ormance 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

7、 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 re</p><p>　　We use method of old-even mod

8、e to analyze the double branch line directional coupler,and</p><p>　　use the HFSS simulation software to model and simulation,find the directional has a low degree isolation shortcoming. In order to increase

9、 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

10、is simple in structure, easy to implement, and can greatly improve the coupler isolation.</p><p>　　(2) We process the 3dB dual-branch directional coupler with a short branch section into objects, using a vec

11、tor 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.</p>&

12、lt;p>　　(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 coup

13、ler, 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,T

14、he directional coupler significantly increases the operating bandwidth, and improve the isolation.</p><p>　　Key words: the RFID system, isolation , short branch section, directional coupler</p><p&

15、gt;<b>　　目錄</b></p><p><b>　　第一章 緒論1</b></p><p>　　1.1 研究的背景與意義1</p><p>　　1.2 RFID系統(tǒng)基本介紹1</p><p>　　1.3 RFID系統(tǒng)現(xiàn)狀和進展3</p><p>　　1.3.1

16、 RFID系統(tǒng)使用現(xiàn)狀3</p><p>　　1.3.2 RFID系統(tǒng)中讀寫器收發(fā)隔離技術的重要程度3</p><p>　　1.4 本文的主要工作及內容安排4</p><p>　　第二章 定向耦合器基本原理6</p><p>　　2.1 定向耦合器工作原理6</p><p>　　2.1.1 定向耦合器基本特性

17、6</p><p>　　2.1.2 定向耦合器理論分析7</p><p>　　2.1.3 定向耦合器的技術指標9</p><p>　　2.2 常見定向耦合器的介紹10</p><p>　　2.2.1 平行耦合線定向耦合器11</p><p>　　2.2.2 波導定向耦合器11</p><

18、p>　　2.2.3 分支線定向耦合器13</p><p>　　2.2.3 環(huán)形定向耦合器14</p><p>　　2.3 3dB微帶分支線定向耦合器理論分析15</p><p>　　2.4 本章小結18</p><p>　　第三章 帶短路支節(jié)雙分支線定向耦合器設計19</p><p>　　3.1 3dB

19、雙分支線定向耦合器設計19</p><p>　　3.1.1 3dB雙分支線定向耦合器ADS仿真19</p><p>　　3.1.2 微帶線理論分析21</p><p>　　3.1.3 3dB雙分支線定向耦合器建模與結果分析23</p><p>　　3.2 3dB帶短路支節(jié)雙分支線定向耦合器設計26</p><p&

20、gt;　　3.2.1 3dB帶短路支節(jié)雙分支線定向耦合器的工作原理27</p><p>　　3.2.2 3dB帶短路支節(jié)雙分支線定向耦合器建模與仿真29</p><p>　　3.2.3 相關參數優(yōu)化與結果分析31</p><p>　　3.2.4 兩款定向耦合器對比分析38</p><p>　　3.3 本章小結40</p>

21、<p>　　第四章 實物測試與結果分析41</p><p>　　4.1 實物加工與測試41</p><p>　　4.2 測試結果與仿真結果分析44</p><p>　　4.3 本章小結47</p><p>　　第五章 改進型微帶分支線定向耦合器設計48</p><p>　　5.1 3dB微帶三分

22、支線型定向耦合器設計48</p><p>　　5.1.1 3dB微帶三分支線定向耦合器ADS仿真48</p><p>　　5.1.2 3dB微帶三分支線定向耦合器建模與仿真51</p><p>　　5.2 3dB帶短路支節(jié)三分支線定向耦合器設計54</p><p>　　5.2.1 3dB帶短路支節(jié)三分支線定向耦合器建模與仿真54&l

23、t;/p><p>　　5.2.2 參數優(yōu)化與結果分析56</p><p>　　5.2.3 3dB帶短路支節(jié)雙分支線和3dB帶短路支節(jié)三分支線定向耦合器對比分析60</p><p>　　5.3 本章小結61</p><p>　　第六章 總結與展望62</p><p><b>　　參考文獻64</b&

24、gt;</p><p><b>　　緒論</b></p><p><b>　　研究的背景與意義</b></p><p>　　無線射頻識別技術(Radio Frequency Identification,RFID)是一種非接觸式的自動識別技術，它的主要特征是運用射頻信號和空間耦合傳輸特性，達到對被識別物體的自動識別[1]。

25、RFID技術是在雷達的理念的基礎上，并由此進化出來的一類新型自動識別技術。19世紀40年代，哈里斯托克曼所創(chuàng)新的“利用反射功率的通信”從而奠定了無線射頻技術的相關基礎理論[2]。</p><p>　　無線射頻識別系統(tǒng)一般由電子標簽（應答器）和閱讀器（讀頭）這兩個部分構成。RFID的現(xiàn)實運用中[10,11]，電子標簽貼敷于被識別物體的表面或內部，每當帶有著電子標簽的被識別物體經過它的可識讀范圍內，閱讀器可以自己用非

26、接觸的方式將電子標簽中的識別信息提取，進而達到自動收集物品標志信息或自動識別物品的性能。</p><p>　　RFID技術起始于上個世紀90年代，它是一個新的自動化識別技術，而且發(fā)展迅速且得到了很大的肯定。RFID是一類新型的無接觸識別技術，它運用發(fā)射射頻信號經過空間的耦合來自動識別需要識別的物體。RFID技術相比于早期的識別技術如IC卡等最大的優(yōu)勢在于其并不需要與待識別物體接觸就可以實現(xiàn)自動識別的功能，因此這一

27、技術在射頻通信領域得到了十分迅速的發(fā)展。無線射頻識別技術應用范圍非常大，如制造，信息，材料等新技術方面，也覆蓋了無線通信，芯片設計，集成系統(tǒng)，信息安全等層面。在21世紀初，美國，歐洲等西方發(fā)達國家及地區(qū)已申請了數千項涉及到RFID的專利。因而，我國目前將RFID技術的列入深入研究已經是迫不及待且有著十分重大的影響。</p><p>　　RFID技術的研究迅速依賴著很多技術的共同進步。其所涉及的關鍵技術包括：芯片、

28、無線接收發(fā)、電磁傳播、數據轉換和編碼等。RFID技術的發(fā)展路程已經跨過50個年頭，21世紀的這些年中它的發(fā)展很快。伴隨技術的迅速發(fā)展，RFID衍生物品的類別將會越來越多，而隨之而來的應用也會更多。能夠想象到，今后的歲月中，RFID技術仍繼續(xù)維持以這種快速的發(fā)展趨勢[9]。</p><p>　　RFID系統(tǒng)基本介紹</p><p>　　RFID的實現(xiàn)形式如下1-1，它的構成由讀寫器，電子標簽

29、和后臺數據管理系統(tǒng)這個三個模塊[4]。該系統(tǒng)的基本原理為：讀寫器利用天線發(fā)射指定頻率的射頻信號給電子標簽，電子標簽運用耦合機制反饋數據信息于讀寫器，再經過后臺數據管理對數據信息進行相關處理和分析并發(fā)出有關的處理信號給射頻終端設備。</p><p>　　圖1.1 RFID的基本結構圖</p><p>　　讀寫模塊和信號發(fā)射接收這兩塊構成了閱讀器，而讀寫模塊又由讀寫電路和讀寫程序這兩塊組成，讀

30、寫器則是用來鏈接應答器和應用系統(tǒng)，信號發(fā)射和接收部分由射頻信號放大器、濾波器、檢波器及發(fā)射天線等幾部分共同構成[5]。RFID系統(tǒng)的標簽是芯片電路和元件兩塊所構成。標簽是含有識別信息且有具有表明身份信息的編碼，標簽由天線、電容和芯片等幾個部分組成。對于標簽的種類，當今市面上的標簽有下面幾種：無源、有源和半有源半無源。后臺數據管理系統(tǒng)承擔的主要職責是對數據信息進行存儲及處理操作，此系統(tǒng)可以是功能唯一的本地軟件，也可以使用集成了無線射頻識別

31、系統(tǒng)管理模塊的分布式ERP管理軟件來替代[7]。</p><p>　　一個完整的RFID系統(tǒng)的運行過程如下，讀寫器天線連續(xù)將指定頻率的信號發(fā)射到周圍的空間當中去，每當在讀寫器的可識讀范圍內進入了具有電子標簽的識別物體時，此時電子標簽內的天線和線圈能夠感應出相應的感應電流。此時，電子標簽就會利用感應出來的電流為自己提供能量，使得標簽芯片內存儲的待識別物品的數據信息由標簽天線發(fā)射出去，當讀寫器天線接收到電子標簽返回的

32、電磁信號時，把該電磁信號經過檢波和解碼，再將接收到的數據信息反饋給后臺的數據庫管理系統(tǒng)進行數據分析和整合處理，然后管理系統(tǒng)將所獲得的識別物數據信息和自身數據庫數據進行比對，最終完成對待識別物的識別目的[2-4]。</p><p>　　RFID系統(tǒng)現(xiàn)狀和進展</p><p>　　RFID系統(tǒng)使用現(xiàn)狀</p><p>　　目前國際上使用的RFID系統(tǒng)的工作頻段主要包括低

33、頻（LF）、高頻（HF）和超高頻（UHF）以及微波頻段這四個不同的頻段[7]。低頻RFID系統(tǒng)主要工作頻段是100kHz-500kHz，通常用的工作頻率是125kHz和134.2kHz兩種；高頻RFID系統(tǒng)主要工作頻段是10MHz-15MHz，比較常用的工作頻率是13.56MHz；超高頻RFID系統(tǒng)主要工作頻段是850MHz-960MHz，比較常用工作頻率是915MHz；微波RFID系統(tǒng)主要工作在2.4GHz-5Ghz頻段。具體情況見表

34、1.1[12]：</p><p>　　表1.1 不同頻段的RFID系統(tǒng)詳情</p><p>　　RFID系統(tǒng)中讀寫器收發(fā)隔離技術的重要程度</p><p>　　眾所周知，RFID系統(tǒng)中讀寫器和電子標簽之間是用數字信號信息進行傳輸和交換的，射頻標簽和讀寫器中的天線只能發(fā)射和接收模擬信號，那么，首當其沖的就是要把數字信號變換成模擬信號然后經天線發(fā)射出去。而在收發(fā)具有相同

35、頻率的RFID系統(tǒng)中，讀寫器的發(fā)射信號和接收端的接收信號難免要產生同頻互擾，此時讀寫器的抗干擾能力的強弱就對整個RFID系統(tǒng)的使用質量就起著非常重要的影響。讀寫器的抗干擾能力具體體現(xiàn)在讀寫器的收發(fā)隔離性能方面。因此，讀寫器天線的收發(fā)隔離性能的好壞直接決定了整個RFID系統(tǒng)的運行質量的好與壞，如果讀寫器天線的收發(fā)隔離性能較差，就會造成接收端接收到天線發(fā)射端的同頻強信號，從而對信號接收機進行干擾，造成信號處理出現(xiàn)誤碼，對整個RFID系統(tǒng)的正

36、常使用產生了嚴重的危害 [13,14]。</p><p>　　RFID系統(tǒng)中至關重要的一部分就是讀寫器，它的結構圖如下1.2所示，它的好壞將會對整個RFID系統(tǒng)都產生一定影響。常見的RFID系統(tǒng)中采用環(huán)行器作為收發(fā)隔離器來提升隔離度，然而環(huán)行器是基于鐵氧體制作而成的，成本高，體積大，隔離度較低，并不滿足RFID讀寫器的隔離度要求[43-45]。</p><p>　　圖1.2 讀寫器結構圖&

37、lt;/p><p>　　為了能夠提升該器件的隔離度，常見改進如：一種是改變天線自身的結構來提升隔離度的性能[6-8]；一種是提高天線前端饋電網絡的隔離性能來提升系統(tǒng)收發(fā)隔離度[16-18]。而關于天線結構的改變是非常有限的，所以當今研究的重點都放在了饋電網絡上。目前最流行的方法是：采用3dB定向耦合器作為饋電網絡產生兩個同頻、同功率、相位差為90度的正交線極化波，然后組成一個圓極化波。這樣，關于3dB定向耦合器的隔離

38、度的研究就成為了RFID系統(tǒng)收發(fā)隔離度的關鍵[19,20]。</p><p>　　本文的主要工作及內容安排</p><p>　　本文主要工作是針對RFID系統(tǒng)的需求，研究如何改進提高定向耦合器的隔離度指標，在多種不同結構的傳統(tǒng)定向耦合器中，本文選擇了3dB微帶分支線定向耦合器作為基本結構，研究了通過在耦合端口添加一條短路微帶線來改進隔離度指標的設計方案。根據該設計思路本文首先在雙分支微帶線

39、定向耦合器的基礎上，通過數值仿真進行優(yōu)化設計，成功地設計出了一款高隔離度分支線定向耦合器。在此基礎上又進行了實驗樣品的加工測試，并通過實際測量驗證了設計方案的正確性和可靠性。然后，本文又進一步將該設計思路應用于三分支定向耦合器，結果表明采用三分支定向耦合器通過添加一條短路微帶線可以獲得更好的技術指標，特別是工作帶寬可以獲得顯著的改善。本文具體章節(jié)安排如下：</p><p>　　第一章，主要從結構，工作原理等內容對

40、RFID系統(tǒng)作了系統(tǒng)的描述，同時根據有內外RFID系統(tǒng)的背景和發(fā)展趨勢對RFID系統(tǒng)的重要性進行詳細的分析，并對該結構中讀寫器收發(fā)隔離度的重要性進行了分析。</p><p>　　第二章，先簡單說明了定向耦合器的主要特性，并著重描述了定向耦合器的相關原理，并對定向耦合器運用網絡分析；再對當今經常運用的幾種定向耦合器分別作了簡介；重點對3dB雙分支定向耦合器作了介紹，運用奇偶模分析法對其基本結構進行了電路分析；最后用

41、ADS仿真了一個中心頻率為915MHz的3dB雙分支線型定向耦合器，同時給出仿真結果。</p><p>　　第三章，先設計出了一種耦合度為3dB的雙分支定向耦合器并將其進行建模優(yōu)化。其次，重點研究展示了一款微帶短路分支線定向耦合器，并對此結構進行HFSS建模仿真，同時對此微帶短路分支線定向耦合器的參數進行分析及優(yōu)化，得出短路分支線對定向耦合器隔離度性能的提高。最后對優(yōu)化后的短路分支線3dB定向耦合器和傳統(tǒng)的雙分支

42、3dB定向耦合器進行分析對比，由分析結果可知短路分支線定向耦合器的各項性能都比傳統(tǒng)的雙分支線定向耦合器有了較大的提升。</p><p>　　第四章，本章主要是將前一章設計的微帶短路分支線定向耦合器加工成實物，并用適量網絡分析儀對其性能進行測量分析；將測量結果與此前仿真結果進行分析對比，得出實物的測試性能與仿真結果大致相同，并對此次實物的測量值和仿真值的誤差進行了簡要分析，并得出結論。</p><

43、;p>　　第五章，在第四章的基礎上，為了更好的提高耦合器的隔離度和工作帶寬，提出了一種常見的方法：增加耦合路徑，并設計一款3dB微帶三分支線定性耦合器，仿真后驗證了作者的猜想。將第三章提高隔離度的方法運用到三分支定向耦合器研究出一款改進型的定向耦合器：3dB微帶短路三分支線型定向耦合器，對該耦合器作了重點建模和結果分析，并將微帶短路三分支線定向耦合器和短路雙分支線定向耦合器進行比較，發(fā)現(xiàn)此耦合器所有性能參數都能夠提高很多。<

44、/p><p>　　第六章，對本文主要研究工作的內容總結，并對過程中出現(xiàn)的問題作了分析，最后對下一步工作提出展望。</p><p><b>　　定向耦合器基本原理</b></p><p><b>　　定向耦合器工作原理</b></p><p><b>　　定向耦合器基本特性</b>&

45、lt;/p><p>　　定向耦合器是一種無源微波器件，其功能是功率組合分配或功率組合，如下2.1所示。定向耦合器可使一路輸入信號P1變成具備一定比例關系的兩路小功率的信號P2和P3，同樣也可以將具備一定比例關系的兩路功率較小的信號P2和P3匯合成一路信號P1輸出[8]。</p><p>　　圖2.1 耦合器示意圖</p><p>　　定向耦合器在微波系統(tǒng)領域的應用非常廣

46、泛，比如調制器、混頻器及天線中信號合成與信號分離都有涉及。它既可是如圖2.1所示的無耗的或者有耗的三端口器件，也可以是四端口或者多端口網絡。經常運用的有三端口和四端口結構。三端口網絡比較常見如T型結或其他功率分配器形式，而四端口網絡一般常見的是定向耦合器及混合網絡結構[46]。</p><p>　　圖2.2 定向耦合器平面示意圖</p><p>　　定向耦合器如上圖2.2，上圖中1-2和4

47、-3分別是兩根普通的線，而這兩根線間包含一定的耦合機制，若信號能量經過1端口輸入，由耦合器的功率分配比可知，一些信號能量從端口2輸出，而另一部分被耦合到了4-3傳輸線中，并從3端口或4端口輸出。如若3端口是信號輸出端口，那么端口4則是隔離端口，稱作“同向定向耦合器”，因其信號在1-2及4-3傳輸線上同向傳輸；同理，當信號由端口4輸出，且端口3沒有信號輸出時，那么稱作“反向定向耦合器”。以耦合方式可歸分為單孔耦合、連續(xù)耦合、多孔耦合、支線

48、耦合、環(huán)耦合等；以輸出相位可以歸劃成定向耦合器和定向耦合器等[2]。</p><p><b>　　定向耦合器理論分析</b></p><p>　　分析四端口網絡，若設網絡是互易并且各個端口都匹配[21]，那么S矩陣就為：</p><p><b>　　(2.1)</b></p><p>　　當網絡是無

49、耗的，使矩陣中的第一行和第二行以及第三行和第四行進行乘法運算：</p><p>　　(2.2) </p><p><b>　　(2.3)</b></p><p>　　現(xiàn)以S24*乘式(2.2)，以S13*乘式(2.3)，并用二者所得答案進行減法運算，得出</p><p><b&g

50、t;　　(2.4)</b></p><p>　　同樣由矩陣第一行和第三行及第二行和第四行展開乘法運算得：</p><p><b>　　(2.5)</b></p><p><b>　　(2.6)</b></p><p>　　現(xiàn)以S12乘式 (2.5)，以S34乘式(2.6)，并用二者所得結

51、果進行減法運算，得到</p><p><b>　　(2.7)</b></p><p>　　同時滿足式(2.4)和式(2.7)時的情況是：假設S14=S23=0，此時結果四端口網絡則為定向耦合器。則其[S]矩陣變?yōu)椋?lt;/p><p><b>　　(2.8)</b></p><p>　　然后，將所得幺正

52、矩陣的每一行進行自乘，能夠得到以下關系式：</p><p><b>　　(2.9)</b></p><p><b>　　(2.10)</b></p><p><b>　　(2.11)</b></p><p><b>　　(2.12)</b></p&g

53、t;<p>　　由式(2.9)和(2.10)可得：，同樣的也可由式(2.11)和(2.12)得：。</p><p>　　假設其中三個端口輸出信號的幅度值和相位值，可將上面方程做進一步簡化。假設,和，其中和是實數、和則是待求的相位常數。</p><p>　　把式 (2.8)的第二行與第三行進行乘積運算得：</p><p><b>　　(2.13

54、)</b></p><p><b>　　將，和帶入上式可得</b></p><p><b>　　(2.14)</b></p><p>　　從而可得出待求的相位常數，兩者存在和的等式：</p><p><b>　　(2.15)</b></p><p

55、>　　倘若略去的整數倍，在實際應用中應據相位常數關系的不同，能得到兩種定向耦合器的形式：</p><p>　　對稱耦合器：，如果含有實數的所有項的相位相等。則矩陣就變成了以下形式：</p><p><b>　　(2.16)</b></p><p>　　反對稱耦合器：，如果振幅的所有項的相位差為180度。則矩陣就變成了下式：</p&g

56、t;<p><b>　　(2.17)</b></p><p>　　特別留意，此兩類耦合器的唯一的不同就是參考平面的選取不同。此外，振幅和應滿足式(2.9)，則有：</p><p><b>　　(2.18)</b></p><p>　　符合式(2.4)和式(2.7)還有另外一類方法：假設和。使用相同的辦法，如果

57、選擇相位參考點，使和（滿足式（2.15）），則由式（2.2）可得：；由式（2.5）可得：。聯(lián)立兩個式子得出兩個方程的解：一個是，這就與之前定向耦合器的答案相等；另一個解是當時，意味著。則就成了兩個去耦合二端口網絡的情況（端口1與端口4，端口2與端口3），對此不再做進一步討論。基于以上推導，可以得到以下結論：只要任意四端口網絡可以使得互易、無耗、匹配這三個條件成立則就是一個定向耦合器[22]。</p><p>　　

58、2.1.3 定向耦合器的技術指標 </p><p>　　如下2.3描述了定向耦合器的功率傳輸流圖，結合上述公式推導，若端口1輸入功率時，一部分能量耦合至端口3即耦合端口，另一部分能量傳送至端口2即直通端口。在沒有泄漏信號的定向耦合器中，無能量于端口4（隔離端口）輸出。</p><p>　　圖2.3 定向耦合器的功率流圖</p><p>　　用端口1輸入情況分別列出了

59、定向耦合器的常用參數指標的定義。</p><p>　?。?）耦合度：當每個端口都端接匹配負載時，輸入端口1的輸入功率除以耦合端口3的輸出功率的值。</p><p>　　耦合度一般簡記為C，并以dB單位，即</p><p><b>　　(2.19)</b></p><p>　　按式(2.19)的定義，耦合度是3dB的定向耦

60、合器的耦合端口輸出功率是輸入端口輸入功率的二分之一，耦合度為10dB的定向耦合器的耦合端輸出功率是其輸入端口輸入功率的1/10。由此可見，耦合度的值低，則耦合能力強。定向耦合器耦合度并不是越低就越好，而是要根據實際情況來決定[23]。</p><p>　　隔離度：隔離端口的功率除以輸入端口的功率。</p><p>　　通常隔離度為I，并以dB為單位，即</p><p&g

61、t;<b>　　(2.20)</b></p><p>　　隔離度是用來表明信號能量由隔離端口4輸出狀況的參量。理想中定向耦合器的隔離度應當是趨于無窮大，而在實際工程應用中是無法實現(xiàn)端口4的完全隔離，這就要求工程設計中定向耦合器的隔離度值盡量更高，那么定向耦合器就可以有較好的整體性能。</p><p>　　方向性：當定向耦合器的所有端口都處于無反射時，定向耦合器的耦合端

62、3輸出功率和泄露到隔離端4信號功率之比。</p><p>　　通常方向性為D，并以dB為單位，即</p><p><b>　　(2.21)</b></p><p>　　理論上，定向耦合器泄露到位于端口4信號的功率趨向于0，方向性應該等于無限大。。不過在實際情況下，定向耦合器的隔離端口并非完全沒有能量流出，端口的不完全匹配、耦合線的不連續(xù)性和容差

63、都會使得少部分能量從隔離端口流出。所以方向性是不能實現(xiàn)其值是無限大的。</p><p>　　方向性，耦合度和隔離度存在一定的聯(lián)系，隔離度在數值上等于耦合度與方向性相加，即：</p><p><b>　　(2.22)</b></p><p>　　輸入駐波比：當2，3，4這三個端口都端接匹配負載時端口1的電壓駐波比。</p><

64、p>　　通常記為VSWR，即</p><p><b>　　(2.23)</b></p><p>　?。?）頻帶寬度：當定向耦合器的耦合度、方向性、隔離度及輸入電壓駐波比同時滿足相應指標要求時。耦合器的工作帶寬。</p><p>　　常見定向耦合器的介紹</p><p>　　常見的定向耦合器主要有：平行耦合線定向耦合

65、器，波導定向耦合器，分支線定向耦合器，環(huán)行定向耦合器等。</p><p>　　平行耦合線定向耦合器</p><p>　　若兩根沒有屏蔽的傳輸線相距一定距離時，兩根線之間會存在電磁耦合的效應，將一根傳輸線上的能量耦合到另一根傳輸線上，通過根據耦合的電磁能量來設計特定耦合度的平行耦合線定向耦合器。</p><p>　　圖2.4 平行耦合線定向耦合器</p>

66、<p>　　眾所周知，TEM波傳輸線定向耦合器最顯而易見的耦合器就是平行耦合線定向耦合器。圖2.4給出了一節(jié)四分之一波長平行耦合線定向耦合器的平面示意圖，該耦合器由兩個寬度一樣的耦合傳輸線組成，此耦合線的大小是四分之一中心頻率處波長，各端都接匹配負載Z0。實際運用中，一般用微帶線或是帶狀線來構成這種平行耦合線定向耦合器[23]。</p><p>　　表2.1 耦合器各端口間相位存在關系圖</p&

67、gt;<p><b>　　波導定向耦合器</b></p><p><b>　　倍茲孔定向耦合器</b></p><p>　　現(xiàn)今的定向耦合器的工作特點皆是由兩個分開的波存在一定的耦合機制在耦合端口相位疊加，同時在隔離端口產生相位相消原理。最簡單的耦合器就是在兩個波導公共寬壁上開一個小孔，經過此小孔耦合電磁波從一個波導傳輸至另一個波導

68、，這種耦合器就是倍茲孔（Bethe hole）定向耦合器。此定向耦合器存在兩類不一樣的應用：平行波導和斜交波導。如圖2.5所示：</p><p><b>　　(a)</b></p><p><b>　　(b)</b></p><p>　　圖2.5 倍茲孔定向耦合器的兩種結構</p><p>　　通過

69、小孔理論知道，利用電荷磁耦極矩構成的等效源可以來替換一個耦合孔[24]。其中，橫向磁耦極矩在耦合波導中的幅射表現(xiàn)為奇對稱關系，法向的電偶極矩與軸向的磁耦極矩的能量輻射呈現(xiàn)對稱關系?？梢愿淖冞@兩個等效源的振幅大小使輻射到隔離端口的電磁相消，從而加強了輻射到耦合端口的電磁波。對于圖2.5(a)的平行波導定向耦合器，其中兩個波導尺寸相同且平行的，具體控制輸出端口波振幅的方法是改變耦合孔與公共波導的距離；而對于圖2.4(b)的斜交波定向耦合器，

70、它控制輸出端口波振幅的方法跟平行波導有所區(qū)別，它通過改變兩個斜交波導之間的夾角來控制振幅。</p><p><b>　　多孔定向耦合器</b></p><p>　　單孔耦合器結構雖然簡單，但它的缺點是工作帶寬非常的窄。為了滿足寬帶寬的要求，一種提高工作帶寬的方法就是在耦合器的公共窄壁上添加一些耦合孔，利用這些耦合控之間的相位疊加原理可以一定程度上改善工作帶寬。<

71、/p><p>　　圖2.6 雙孔定向耦合器立體示意圖</p><p>　　如上圖2.6所示，最簡單的波導多孔定向耦合器是只含兩個孔的雙孔定向耦合器，兩孔之間的距離為四分之一波導波長。若有信號經端口1輸入，在主波導中就有H10波傳輸，鑒于H10波在窄壁上只有縱向磁場分量，因此通過每個孔都只有一種耦合波，倘若要在副波導中形成定向耦合，至少需要開兩個孔[23]。</p><p&g

72、t;　　為了拓展波導定向耦合器的工作帶寬，可以從降低耦合器方向性對頻率的敏感性出發(fā)，比如增加耦合孔的數量，這就是形成了多孔定向耦合器[13]。在多孔定向耦合器結構中，N個耦合孔會激勵起N個正向波和N個反向波，通過調整耦合孔間距來使得疊加這N個反向波從而相抵消。耦合孔越多，反向波相消可能性就越大，如此一來耦合器性能對中心頻率的依賴性越小，從而可以使得定向耦合器在更寬的頻率周圍內保持較好的方向性與隔離性。所以多孔定向耦合器擁有較大工作帶寬。

73、</p><p>　　2.2.3 分支線定向耦合器</p><p>　　眾所周知兩根平行的傳輸線就可以組成分支線定向耦合器，并分為主副通道，主副通道利用兩個或多個支線來建立耦合機制的定向耦合器。以雙分支定向耦合器為例，其中各分支線的長度和分支線之間的間距都是1/4波導波長[25]，其結構示意圖如下2.7：</p><p>　　圖2.7 雙分支線定向耦合器平面圖<

74、;/p><p>　　分支線定向耦合器的基本特性可以這樣描述：當這四個端口都端接匹配負載時，輸入的信號經1端口等分地傳輸到2端口和3端口，并在這兩個端口間存在著90度相差，同時4端口則被隔離。注意，分支線定向耦合器具有很高的對稱性，四個端口都可設為輸入端口，那么輸出端口一定是位于該網絡輸入端口的不在一側對稱的一邊，輸入端一側剩下的那一個端口就是隔離端口。</p><p>　　假設信號經1端口輸

75、入，那么該信號經A點到D點有兩個方式：一是由A直接到D，波程為1/4波長；二是沿著A到B到C然后傳輸到D，總波程為四分之三波長[23]。明顯可以看出沿著兩條不同路徑傳輸到D點的兩路波的波程之間差是二分之一波長，而與此對應的相位差為π。假如通過選取每一段傳輸線的特性導納，使得此兩路波的電壓振幅相等，那么兩者相消，則4端口即為隔離端口?？傊?，當1端口進入信號時，2端口則是直通端，3端口則是耦合端，4端口則是隔離端。</p>&

76、lt;p>　　2.2.3 環(huán)形定向耦合器</p><p>　　環(huán)形定向耦合器實則為一種180度混合網絡制成的耦合器，180度混合網絡是一種四端口網絡，其兩個輸出端口之間存在180度相移。環(huán)形定向耦合器，如下圖2.8所畫，由一個閉合圓環(huán)微帶線與四根傳輸線鏈接而成，其中，圓環(huán)微帶線周長是三分之二個波導波長，特性阻抗大約為1.414Z0，圓環(huán)周圍4根傳輸線的特性阻抗為Z0，1端口到2、3端口間距和3端口到4端口間

77、距均為四分之一波導波長，2端口到4端口間距為3/4個波導波長。當有信號入射到1端口時，且另外三個端口都端接匹配負責時，則在2端口和3端口輸出等功率輸出，4端口被隔離[22]。</p><p>　　圖2.8 環(huán)形定向耦合器的平面示意圖</p><p>　　3dB微帶分支線定向耦合器理論分析</p><p>　　由2.2.3節(jié)對分支線定向耦合器的介紹可以知道，這種分支線

78、混合網絡直通和耦合壁之間有著90度的輸出差。根據第二節(jié)對于定向耦合器的基礎分析，可以知道微帶3dB分支線定向耦合器[S]矩陣形式如下：</p><p><b>　　(2.24)</b></p><p>　　分支線定向耦合器通常要做成微帶線結構，如下2.9所示為微帶雙分支線定向耦合器的結構：</p><p>　　圖2.9 雙分支線微帶定向耦合器平

79、面結構圖</p><p>　　下面重點采用奇偶模分析法對3dB雙分支線微帶定向耦合器進行詳細分解[22]。</p><p>　　首先畫出圖2.10的歸一化雙分支微帶線定向耦合器的電路圖。圖中每根線都是一條傳輸線，線上表示的阻抗值是用Z0歸一化的值。若假定端口1的輸入電磁波的振幅A1=1。</p><p>　　圖2.10 雙分支線定向耦合器歸一化形式電路圖</p

80、><p>　　可將圖2.10所畫的歸一化定向耦合器電路圖分為奇模激勵與偶模激勵的相互疊加[23]，如下圖2.12。鑒于此圖為線性的，再現(xiàn)實的電路中輸出的散射波可以由奇、偶模激勵疊加相應獲得。</p><p><b>　　(a)</b></p><p><b>　　(b)</b></p><p>　　圖2

81、.11 雙分支微帶線定向耦合器分解為：(a)偶模(e)；(b)奇模(o)</p><p>　　根據激勵的對稱與反對稱的特性，該網絡可以分為兩個不存在耦合的二端口網絡，此二端口網絡分別是圖2.11(a)與(b)。上面兩個網絡的端口輸入波振幅為1+1/2或1-1/2，由此可以得到耦合器的每個端口處的輸出波振幅分別可寫為：</p><p><b>　　(2.25)</b>&

82、lt;/p><p><b>　　(2.26)</b></p><p><b>　　(2.27)</b></p><p><b>　　(2.28)</b></p><p>　　式中e，0和e，0的值分別是偶模與奇模的反射系數及傳輸系數。首先分析偶模二端口網絡2.11(a)，該結構系統(tǒng)

83、中的ABCD矩陣可以通過此結構中每個級聯(lián)器件的ABCD矩陣乘積所得：</p><p><b>　　(2.29)</b></p><p>　　上面表達式中的矩陣都能夠逐一利用查找常用的二端口電路ABCD矩陣表得到，并聯(lián)開路/8短截線的歸一化導納是Y=jtanl=j。再通過查找二端口網絡轉換表，可以將ABCD矩陣轉換成對應的S矩陣，從而得到反射和傳輸系數。即：</p

84、><p><b>　　(2.30)</b></p><p><b>　　(2.31)</b></p><p>　　以此類推，經過計算求得關于奇模二端口網絡的ABCD矩陣表達式：</p><p><b>　　(2.32)</b></p><p>　　因此，又可

85、以得到它的反射系數0和傳輸系數0:</p><p><b>　　(2.33)</b></p><p><b>　　(2.34)</b></p><p>　　將式（2.30）(2.31)（2.33）（2.34）分別帶入（2.25~2.28），就能得到以下結果：</p><p>　　(1端口匹配，無反射

86、) （2.35）</p><p>　　(1端口到2端口功率減半，-相位移) （2.36）</p><p>　　(1端口到3端口功率減半，-相位移) （2.37）</p><p>　　(4端口沒有功率輸出)

87、 （2.38）</p><p>　　得到的結果和式(2.24)的第一行和第一列是一致的，根據分支線定向耦合器的對稱性可以通過改變輸入端口來得到余下矩陣元素，表現(xiàn)在矩陣上就是通過互換矩陣元位置來得到。</p><p><b>　　本章小結</b></p><p>　　此章節(jié)通過講述定向耦合器的工作原理，初步描述了該器

88、件的特征。首先，通過說明定向耦合器的相關原理，分別由定向耦合器的特性，理論分析和技術指標這三個方面來描述了耦合器；然后再通過常見定向耦合器的介紹，介紹了如平行耦合器、波導定向耦合器、分支線定向耦合器和環(huán)形器；最后重點介紹了3dB雙分支線微帶定向耦合器，并做了著重的理論分析。</p><p>　　帶短路支節(jié)雙分支線定向耦合器設計</p><p>　　3dB雙分支線定向耦合器設計</p&

89、gt;<p>　　3dB雙分支線定向耦合器ADS仿真</p><p>　　依據前一章對雙分支定向耦合器的分析，可運用ADS軟件設計一款工作頻率為915MHz，耦合度值是3dB的雙分支定向耦合器，如下圖3.1所列，其中Z0=50。</p><p>　　圖3.1 3dB雙分支線定向耦合器ADS電路圖</p><p>　　此電路圖經過ADS仿真得到如圖3.2

90、、3.3、3.4和3.5的關于S參數圖及2，3端口的相位差圖和駐波比圖。</p><p>　　圖3.2 仿真S21和S31參數圖</p><p>　　圖3.3 仿真S11和S41參數圖</p><p>　　由圖3.2和3.3的S參數結果圖可知，該3dB雙分支線定向耦合器當S11<-30dB，S41<-30dB時的帶寬約為32MHz，在中心頻率915MHz

91、處，S11=S41=-58dB，由此得出位于中心頻率處該耦合器的回波損耗值最小是-58dB，隔離度的絕對值最大為58dB。同時，中心頻率處S21=S31=3dB,說明此耦合器直通端口和耦合端口的功率大小相同且都是輸入功率值的一半。</p><p>　　圖3.4 端口2和端口3的相位差</p><p>　　圖3.5 雙分支定向耦合器1端口的電壓駐波比</p><p>

92、　　由圖3.4和3.5的相位差圖和駐波比圖可知，2和3兩個端口間的相位差在一定帶寬內都是90度或-270度。中心頻率處端口1駐波比為1，并且在中心頻率周圍內駐波比值能保持較小，表明該定向耦合器幾乎無回波損耗。</p><p><b>　　微帶線理論分析</b></p><p>　　微帶線是一類當今最常運用的傳輸線，由于其不僅可以和其他有源及無源器件集成同時其制作也比較

93、容易。微帶線的模型示于圖3.6(a)，最底層是一層接地板，最上層是寬度為W的導體薄片，中間是厚度為d、相對介電常數值是r的介質基板。其電力線和磁力線圖如下3.6(b)所畫。</p><p><b>　　(a)</b></p><p><b>　　(b)</b></p><p>　　圖3.6微帶傳輸線：(a)立體圖(b)電力

94、線和磁力線截面圖</p><p>　　假設沒有電介質即介電常數為1，則可將這個傳輸線假設成一個由雙線組成的傳輸線，其可由寬度大小為W、兩個間距為2d的平的帶狀導體構成[22]。</p><p>　　由于場線分別分布在電介質和空氣中，可以得到有效介電常數存在以下關系：</p><p>　　微帶線的有效介電常數為：</p><p><b&g

95、t;　　(3.1)</b></p><p>　　對于已知的微帶線尺寸可根據已有公式求得其特征阻抗大?。?lt;/p><p><b>　　(3.2)</b></p><p>　　微帶線的寬度W和厚度d兩者的關系可以用特征阻抗和介電常數來表示：</p><p><b>　　(3.3)</b>&l

96、t;/p><p><b>　　其中，</b></p><p><b>　　(3.4)</b></p><p><b>　　(3.5)</b></p><p>　　3dB雙分支線定向耦合器建模與結果分析</p><p>　　由第二章圖2.7分支線定向耦合器的平

97、面圖和上一節(jié)圖3.1的ADS仿真圖，在HFSS軟件中建立如下圖3.7所畫的HFSS解析圖：</p><p>　　圖3.7 雙分支線定向耦合器的HFSS解析圖</p><p>　　圖3.7中該分支線耦合器的中心頻率為915MHz，可以由式（3.1~3.5）計算出每條微帶線的寬度。而微帶線的長度可以由以下式子求出（相移為90度）：</p><p><b>　　

98、(3.6)</b></p><p><b>　　(3.7)</b></p><p><b>　　(3.8)</b></p><p>　　本文中選擇介電常數r =2.2的Rogers RT 5880的介質基板，其厚度大小是1mm，微帶線特征阻抗分別是50和35.4。由上述數據可通過Txline等專業(yè)軟件求得微帶線

99、的尺寸：特征阻抗為50的微帶線寬度為：W0=3.07mm，90度相移長度為：L0=59.78mm；特征阻抗為35.4的微帶線寬度為：W1=5mm，90度相移長度為L1=58.9mm。由以上數據，運用HFSS軟件對其建模并仿真，得到以下結論：</p><p>　　圖3.8 雙分支線定向耦合器S參數圖</p><p>　　由圖3.8雙分支定向耦合器S參數結果圖可知，位于中心頻率915MHz處S

100、11=-24.20dB，S21=-3.28dB，S31=-2.87dB，S41=-24dB。表明該耦合器位于中心頻率的隔離度最低值是-24dB， 2、3兩端口的輸出功率大致相同（S21=-3.28dB，S31=-2.87dB），均近似為輸入功率的一半。</p><p>　　圖3.9 雙分支線定向耦合器的端口2和端口3的相位圖</p><p>　　由圖3.9耦合器端口2和端口3的相位圖可知，

101、在中心頻率處端口2的相位約為-4.62度，端口3的相位約為85.73度，兩者差值約為90.35度，并且兩個端口的相位圖程線性關系，可知相位差在中心頻率左右范圍內幾乎維持90度上下。</p><p>　　圖3.10 雙分支線定向耦合器端口1的電壓駐波比</p><p>　　由圖3.10圖能夠看出，端口1于中心頻率處的電壓駐波比為1.134，且在一定的頻率范圍內均能保持駐波比低于1.25，由此

102、得出結論耦合器的回波損耗較小。</p><p>　　上述結果都是根據理論計算出來的理想數值，存在一定的精度誤差，再對定向耦合器的模型參數進行優(yōu)化，得到優(yōu)化后的仿真參數為：W0=3.07mm，L0=59.5mm，W0=5.4mm，L1=58.9mm。</p><p>　　圖3.11 優(yōu)化后耦合器S參數圖</p><p>　　由圖3.11可知優(yōu)化過后的耦合器的S參數有了

103、明顯的提高，在中心頻率處S11=-41.10dB，S21=-2.96dB，S31=3.36dB，S41=-41.41dB，從圖中可以看出|S41|>30dB的工作帶寬為32MHz。將優(yōu)化后的S參數圖與未優(yōu)化的S參數圖對比發(fā)現(xiàn)，隔離度有了很大的提高。 </p><p>　　圖3.12 優(yōu)化后耦合器端口2和端口3相位圖</p><p>　　由圖3.12可知在中心頻率915MHz處端口2的

104、相位為87.05度，端口3的相位-2.57度，所以端口2和端口3的相位差為89.62度。</p><p>　　圖3.13 優(yōu)化后耦合器端口1輸入電壓駐波比圖</p><p>　　由圖3.13可知，端口1的輸入電壓駐波比值是1.0178更加接近1，表示耦合器優(yōu)化后的損耗變得更小。總結圖3.11~3.13，優(yōu)化后耦合器的各種參數都有了很大的改善。</p><p>　　3

105、dB帶短路支節(jié)雙分支線定向耦合器設計</p><p>　　前一節(jié)通過建模仿真了一款雙分支線定向耦合器并對其優(yōu)化前后的數據運用對比分析，從中得出決定定向耦合器整體性能的主要因素是其隔離度。為了能夠提高其隔離度，有關文獻也提出了許多方法，如用集總原件來代替微帶線，在定向耦合器的微帶線上疊加介質等。但隔離度都提高的不多。一種在平行耦合器的耦合端加入一條短路支節(jié)線的方法可以在很大程度上提高其隔離度[26]。所以本文在雙分

106、支線定向耦合器的耦合端加入一條短路支節(jié)線的方法有很大的研究價值。</p><p>　　3dB帶短路支節(jié)雙分支線定向耦合器的工作原理</p><p>　　如下3.14所示，本文在傳統(tǒng)雙分支線定向耦合器的基礎上，在3端口即耦合端加了一條短路支節(jié)線，端口1作為信號的輸入端口，端口2作為直通端接發(fā)射天線，不僅是信號的輸出端口同時也是標簽反射信號的輸入端口，端口4為隔離端口。只有保持端口4的隔離度才

107、能使標簽發(fā)射信號耦合到端口4時，不會和端口1的發(fā)射泄露信號重疊在一起，從而精確提取標簽發(fā)射信號。</p><p>　　圖3.14 微帶短路支節(jié)雙分支線定向耦合器</p><p>　　在微帶雙分支線定向耦合器的3端口即耦合端口加一條微帶短路支節(jié)線后，端口1的信號耦合到端口3時，會有一部分耦合信號經過短路線后發(fā)射回端口4。這部分反射耦合功率信號反射回端口4時會遇到端口1泄露到4端口的發(fā)射信號，

108、當這兩種信號功率相同，信號相反時，就會出現(xiàn)功率相消的現(xiàn)象，使得端口4的隔離度接近為0，從而保證了無發(fā)射信號能量由端口4泄露輸出。通過改變微帶短路支節(jié)線的長度可以來改變該端口的反射信號相位，改變微帶短路支節(jié)線的寬度來改變反射信號的功率，這樣就可以產生功率相消，繼而提升定向耦合器的隔離度大小[27]。</p><p>　　普通的微帶線定向耦合器的S矩陣如下(3.9)所列：</p><p>&l

109、t;b>　　(3.9)</b></p><p>　　式中b1，b2，b3，b4分別表示1，2，3，4端口的反射波，a1，a2，a3，a4分別表示1，2，3，4端口的入射波。I，C，T分別表示隔離，耦合和直通因子。</p><p>　　而微帶短路支節(jié)分支線定向耦合器的3端口即耦合端口有著如下關系：</p><p><b>　　(3.10)&

110、lt;/b></p><p>　　把式(3.10)代入(3.9)，微帶短路支節(jié)線分支線定向耦合器的S參數可以用一個矩陣的形式來表達，如下(3.11)所列：</p><p><b>　　(3.11)</b></p><p>　　從上式中分析可以看出，只有參數S41即1+C為0，才能達到定向耦合器隔離度的提升，所以端口3的反射系數可以表示為式

111、(3.12)，</p><p><b>　　(3.12)</b></p><p>　　根據傳輸線理論可以得到：反射系數為</p><p><b>　　(3.13)</b></p><p><b>　　輸入阻抗為：</b></p><p><b>

112、;　　(3.14)</b></p><p>　　端口1泄露至端口4的信號和端口1耦合至端口3信號的相位相差為四分之一波長，如果想使得端口3的反射信號和端口1泄露到端口4的信號的相位正好相反，即相位相差二分之波長，則微帶短路支節(jié)線的長度應大約為四分之波長。</p><p>　　根據上述分析，為了使微帶線定向耦合器的各項性能指標能達到更好，在3端口處添加一條微帶短路支節(jié)線，使得端口

113、3的耦合信號能量經過微帶短路支節(jié)線反射回4端口，當此信號和端口1信號泄露到4端口的信號功率相等且相位相反，從而出現(xiàn)了功率相消的現(xiàn)象[26-27]。</p><p>　　3dB帶短路支節(jié)雙分支線定向耦合器建模與仿真</p><p>　　通過前面的分析證明了帶短路支節(jié)雙分支線定向耦合器的可行性和有效性，下面重點介紹3dB帶短路支節(jié)雙分支線定向耦合器于HFSS軟件中的建模與仿真。</p&g