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1、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。本文在介绍了课题背景的基础上，首先简要阐述了定向耦合器的基本原理、种类以及相关应用。接着又具体介绍了几种定向耦合器的原理，包括波导双孔、双分支、平行耦合微带和隔离器。最后放眼国内外的研究现状，从而对本课题的方向有了较好的把握。电路的设计部分是实物制作的基础，设计电路时首先要对多个电路方案进行对比分析，找出实际最容易制作而性能最佳的方案，最终我们选择了集中参数形式的并联耦合电路。其次要注意材料的选取，在第三章中我们着重讨论了磁芯的种类、作用和特性参数，从理论上分析了各种磁芯可能对耦合器产生的影响。在实
2、物制作阶段，我们分别选取了大小磁环来制作多个耦合器，并利用网分测量每一个的耦合度和隔离度，经过多次调试选出其中性能最好的。然后用这个达到要求指标的定向耦合器进行功率测试，最后对数据进行分析得出结论。关键词：定向耦合器 原理 电路 磁芯 功率测试AbstractDirectional coupler in the RF circuit has an important role, both as a branch of the device and the power detection unit, but also as an amplifier of the feedback element
3、.This paper introduces the topic on the basis of background, briefly describes the basic principles of the directional coupler, types, and related applications. Then he describes several specific principle of the directional coupler, including waveguide holes, two branches in parallel coupled micros
4、trip and isolators. Finally Looking research status, and thus the direction of this project have a better grasp.Circuit design part is the basis of physical production, first when designing circuits for multiple circuit schemes were analyzed to identify the most easy to make and the actual performan
5、ce of the best solution we ultimately chose lumped parameter circuit coupled in parallel form. Second, we must pay attention to the selection of materials, in the third chapter, we focused on the core types, functions and parameters, from the theoretical analysis of various cores may impact on the c
6、oupler.In-kind production stage, we were selected to produce a plurality of ring size coupler, and use a network of measuring the degree of coupling each and isolation, after several debugging elect one of the best performance. And then use this to achieve the required targets directional coupler fo
7、r power testing, the final conclusions drawn from the analysis of the data.Keywords: directional couplers principle circuit core power test目录摘要IAbstractII1绪论11.1课题背景和研究意义11.2定向耦合器的种类和应用11.3几种定向耦合器的实现方式31.4研究现状72方案选择82.1定向耦合器的原理82.2耦合方式112.3匝数的选择132.4磁环大小的影响183传输线变压器183.1传输线变压器的构成183.2磁芯194定向耦合器的制作与功
8、率特性的测量244.1定向耦合器的制作244.2大功率特性的测量255.结论与总结28致谢30参考文献31321绪论1.1课题背景和研究意义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定向耦合器比例进行功率分配。 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。图1-1 双定向耦合器示意图定向耦合器在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
9、向耦合器1，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。1.2定向耦合器的种类和应用1.2.1定向耦合器的种类（1）按传输线的类型来分类：
10、波导型、同轴线型、带状与微带线型等。（2）按耦合方式分类：分支线耦合、平行线耦合、小孔耦合等。（3）按耦合输出的相位分类：90定向耦合器、180定向耦合器等。（4）按耦合输出的方向分类：同相定向耦合器与反向定向耦合器等。1.2.2应用（1）利用定向耦合器可以获得一部分能量，可用于监测功率、频率和频谱。在雷达系统里的应用，有线电视系统里的应用，基站系统里的应用等等。（2）利用定向耦合器组成反射计，可测量插入衰减、回波损耗、驻波比等。（3）在移动通信系统里，尤其是室内分布系统，采用大量的定向耦合器，实现系统信号覆盖。（4）在微波测量功率时，利用定向耦合器扩大测量功率范围，作用类似于衰减器。定向耦合
11、器的应用实例：图1-2 测量负载的端口驻波比图1-3 测量功分器各个的端口驻波比图1-4 测量耦合器各个的端口驻波比1.3几种定向耦合器的实现方式耦合器-波导双孔定向耦合器波导双孔定向耦合器是最简单的波导定向耦合器，主、副波导通过其公共窄壁上两个相距d=（2n+1）g0/4 的小孔实现耦合其中，g0是中心频率所对应的波导波长，n为正整数，一般取n=0。耦合孔一般是圆形，也可以是其它形状。当工作在中心频率时，d=/2，此时D; 当偏离中心频率时，secd具有一定的数值，此时D不再为无穷大。实际上双孔耦合器即使在中心频率上，其定向性也不是无穷大，而只能在30dB左右。总之，波导双孔定向耦合器是依靠
12、波的相互干涉而实现主波导的定向输出，在耦合口上同相叠加，在隔离口上反相抵消。为了增加定向耦合器的耦合度，拓宽工作频带，可采用多孔定向耦合器。耦合器-双分支定向耦合器双分支定向耦合器由主线、副线和两条分支线组成, 其中分支线的长度和间距均为中心波长的1/4。 设主线入口线“”的特性阻抗为, 主线出口线“”的特性阻抗为(k为阻抗变换比), 副线隔离端“”的特性阻抗为, 副线耦合端“”的特性阻抗为, 平行连接线的特性阻抗为Z0p, 两个分支线特性阻抗分别为和。下面来讨论双分支定向耦合器的工作原理。 假设输入电压信号从端口“”经A点输入, 则到达D点的信号有两路, 一路是由分支线直达, 其波行程为g/
13、4, 另一路由ABCD, 波行程为3g/4；故两条路径到达的波行程差为g/2, 相应的相位差为, 即相位相反。 因此若选择合适的特性阻抗, 使到达的两路信号的振幅相等, 则端口“”处的两路信号相互抵消, 从而实现隔离。 同样由AC的两路信号为同相信号, 故在端口“”有耦合输出信号, 即端口“”为耦合端。耦合端输出信号的大小同样取决于各线的特性阻抗。 下面给出微带双分支定向耦合器的设计公式。 设耦合端“”的反射波电压为|U3r|, 则该耦合器的耦合度为：可见， 只要给出要求的耦合度C及阻抗变换比k, 即可由上式算得|U3r|, 进而算得各线特性阻抗, 从而可设计出相应的定向耦合器。对于耦合度为3
14、dB、阻抗变换比k=1的特殊定向耦合器, 称为3dB定向耦合器, 它通常用在平衡混频电路中。此时此时散射矩阵为 分支线定向耦合器的带宽受g/4的限制, 一般可做到, 若要求频带更宽, 可采用多节分支耦合器。耦合器-平行耦合微带定向耦合器 平行耦合微带定向耦合器是一种反向定向耦合器, 其耦合输出端与主输入端在同一侧面, 如图1-5所示, 端口“”为输入口, 端口“”为直通口, 端口“”为耦合口, 端口“”为隔离口。 图1-5 平行耦合微带定向耦合器耦合器-隔离器隔离器也叫反向器，电磁波正向通过它时几乎无衰减，反向通过时衰减很大。常用的隔离器有谐振式和场移式两种2。1) 谐振式隔离器 由于铁氧体具
15、有各向异性，因此在恒定磁场Hi作用下，与Hi方向成左、右螺旋关系的左、右圆极化旋转磁场具有不同的导磁率（分别设为-和+）。 设在含铁氧体材料的微波传输线上的某一点，沿+z方向传输左旋磁场，沿-z方向传输右旋磁场，两者传输相同距离，但对应的磁导率不同，故左右旋磁场相速不同，所产生相移也就不同，这就是铁氧体相移不可逆性。另一方面，铁氧体具有铁磁谐振效应和圆极化磁场的谐振吸收效应。 所谓铁氧体的铁磁谐振效应，是指当磁场的工作频率等于铁氧体的谐振角频率0时，铁氧体对微波能量的吸收达到最大值。而对圆极化磁场来说，左、右旋极化磁场具有不同的磁导率, 从而两者也有不同的吸收特性。 对反向传输的右旋极化磁场，磁导率为+，它具有铁磁谐振效应，而对正向传输的左极化磁场，磁导率为-，它不存在铁磁谐振特性, 这就是圆极化磁场的谐振效应。铁氧体谐振式隔离器正是利用了铁氧体的这一特性制成的。 图 1-6 谐振式隔离器的铁氧体位置铁氧体谐振式隔离器就是在波导的某个恰当位置上放置铁氧体片而制成的, 在这个位置上，往一个方向传输的是右旋磁场, 另一方向上传输的是左旋磁场。图1-6 所
