微带线定向耦合器设计

介绍微带线定向耦合器的设计

微带线定向耦合器的设计

一、数学模型

1、耦合度和传输系数

图12所示，是平行耦合微带线定向耦合器的示意图。当①端口信号激励时，③端口为隔离端无输出、而耦合端口②及直通端口④有输出。根据奇、偶模分析方法可知，耦合端口②及直通端口④的输出电压分别为，

Z0eZ0cos 0 jZ02esin

U2

2Z0eZ0cos 0 j(Z02e Z02)sin

2

ZZcos jZsin 22Z00Z0cos 0 j(Z00 Z02)sin

(1)

Z0eZ0

U2

2Z0eZ0cos 0 j(Z02e Z02)sin

Z00Z0

22Z00Z0cos 0 j(Z00 Z02)sin

偶模和奇模的电长度，Z0是端口的端接阻抗。

(2)

式中：Z0e和Z00分别为耦合微带线的偶模和奇模特性阻抗， e和 0分别是耦合微带线的

根据（1）式可知定向耦合器的耦合度为，

C 20lg|U2|

而根据（2）式可得传输系数为，

(dB)

(3)

T 20lg|U4|

但需要满足以下条件，即：

(dB)

(4)

介绍微带线定向耦合器的设计

Z0esin e Z00sin 0

Z Z0eZ00

Z0esin O Z00sin e

20

(5)

如果假设耦合微带线中传输的是TEM波（而不是准

设计仿真微带线分支线定向耦合器

一、 设计要求：

设计3dB微带分支定向耦合器

已知条件：微带线介质基片厚度h=0.5mm，εr＝4.2。 指标要求：

1）通带：50MHz 2）耦合度：3dB

3）中心频率：1.8GHz 4）输入输出阻抗：50Ω

二、 理论分析： 2.1 结构分析

在一些电桥电路及平衡混频器等元件中，常用到分支线定向耦合器，微带二分支定向耦合器如下图所示，图中的字母G、H和数字1是各线段特性导纳的归一化值（对50欧姆阻抗对应的导纳值归一化），因各端口的导纳值相同，所以又称为等阻二分支定向耦合器。

λg/4

H（Zb） (1) 1 1 (4)

G G (Za) (Za) A A1 λg2/

设计仿真微带线分支线定向耦合器

一、 设计要求：

设计3dB微带分支定向耦合器

已知条件：微带线介质基片厚度h=0.5mm，εr＝4.2。 指标要求：

1）通带：50MHz 2）耦合度：3dB

3）中心频率：1.8GHz 4）输入输出阻抗：50Ω

二、 理论分析： 2.1 结构分析

在一些电桥电路及平衡混频器等元件中，常用到分支线定向耦合器，微带二分支定向耦合器如下图所示，图中的字母G、H和数字1是各线段特性导纳的归一化值（对50欧姆阻抗对应的导纳值归一化），因各端口的导纳值相同，所以又称为等阻二分支定向耦合器。

λg/4

H（Zb） (1) 1 1 (4)

G G (Za) (Za) A A1 λg2/

实验六 定向耦合器特性的测量及应用

目的：研究定向耦合器的特性及其应用。 原理：

定向耦合器是微波测量和其它微波系统中常见的微波器件，它是一种有方向性的微波功率分配器，更是近代扫频反射计中不可缺少的部件，通常有波导、同轴线、带状线及微带等几种类型。图1为其结构示意图。它主要包括主线和副线两部分，彼此之间通过种种形式小孔、缝、隙等进行耦合。因此，从主线端上“1”输入的功率，将有一部分耦合到副线中去，由于波的干涉或叠加，使功率仅沿副线一个方向传输（称“正向”），而另一方向则几乎毫无功率传输（称“反向”），图2为本实验所用的十字定向耦合器，耦合器中端口之一终端接一内装的匹配负载。

副线 主线图1

P3F4副线3

（一）定向耦合器的主要特性参量有二：

为了便于解释耦合度和方向性，画出了定向耦合器传输示意图（图3），图中P1、P2分别为主线输入、输出功率；P3F为副线

P11 主线2P2P3R4副线3

1P1图3 主线1 2P2

中正向输出功率，P3R为副线中反向输出功率。

（1）耦合度（或过度衰减）C如图3（a）所示，主线输入功率P1，

与副线中正向输出功率P3F之比，称为定向耦合的耦合

度，若以分贝（d

实验六 定向耦合器特性的测量及应用

目的：研究定向耦合器的特性及其应用。 原理：

定向耦合器是微波测量和其它微波系统中常见的微波器件，它是一种有方向性的微波功率分配器，更是近代扫频反射计中不可缺少的部件，通常有波导、同轴线、带状线及微带等几种类型。图1为其结构示意图。它主要包括主线和副线两部分，彼此之间通过种种形式小孔、缝、隙等进行耦合。因此，从主线端上“1”输入的功率，将有一部分耦合到副线中去，由于波的干涉或叠加，使功率仅沿副线一个方向传输（称“正向”），而另一方向则几乎毫无功率传输（称“反向”），图2为本实验所用的十字定向耦合器，耦合器中端口之一终端接一内装的匹配负载。

副线 主线图1

P3F4副线3

（一）定向耦合器的主要特性参量有二：

为了便于解释耦合度和方向性，画出了定向耦合器传输示意图（图3），图中P1、P2分别为主线输入、输出功率；P3F为副线

P11 主线2P2P3R4副线3

1P1图3 主线1 2P2

中正向输出功率，P3R为副线中反向输出功率。

（1）耦合度（或过度衰减）C如图3（a）所示，主线输入功率P1，

与副线中正向输出功率P3F之比，称为定向耦合的耦合

度，若以分贝（d

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实验二：环形定向耦合器仿真场分析

实验目的：

掌握带状线的设置、理解和分析环形定向耦合器的结构和原理。 实验内容：

利用HFSS软件设计一个环形定向耦合器，此环形耦合器使用带状线结构。耦合器的工作频率为4GHz，带状线介质层厚度为2.286mm，介质材料的相对介电常数和损耗正切分别为2.33和0.000429；带状线的金属层位于介质层的中央；端口负载皆为标准的50Ω。 实验原理：

此环形耦合器使用带状线结构，HFSS工程可以采用终端驱动求解类型。4个端口都与背景相接触，所以采用波端口激励，且端口负载阻抗设置为50欧姆。为了简化建模操作以及节省计算时间，带状线的金属层使用理想薄导体来实现，即通过创建二维平面然后给二维平面指定理想导体边界条件来模拟带状线的金属层；带状线的金属层位于介质层的中央。在 HFSS 中，与背景相接触的表面会自动设置为理想导体边界，因此带状线上下两边的参考地无须额外指定，直接使用默认的理想导体边界即可。 实验步骤及结果： 一、新建工程设置 1. 插入HFSS设计

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2. 设置求解

基于MATLAB的2×2光纤定向耦合器设计

1 设计原理

1.1 单模光纤的传导场

如图1，光纤的横截面有三层介质，分别是是芯层、包层和涂层，芯层折射率n1稍大于包层折射率n2，导波光由于全反射背包层约束在芯层中沿光纤延伸方向传播。假设光的传播方向为光纤中心轴方向。

图1 阶跃光纤横截面结构图

为简化讨论，只考虑基模的耦合。已知光纤中传导场表达式为

E(x,y,z,t)?a?z??e?x,y??ei?z?ei?t （1-1）

其中，a?z?为光纤中导波光场的场振幅，e?x,y?为光纤中导波光场的场分布，?为基模场的传播常数，?为角频率。

某时刻在光纤中的传导场的空间分布就与a?z?，e?x,y?和?为相关。

1.1.1 单模光纤的场分布

当给定波导（即光纤）的边界条件时，求解波导场方程可得本征解及相应的本征值?，即模式。模式是波导结构的固有电磁共振属性的表征。单模光纤中只能存在基模，其场分布是确定的，可由亥姆霍兹方程求得。在弱导光纤中的电磁波，其横向场分量Et、Ht远大于纵向场分量Ez、Hz ，而且横向场分量是线偏振的。于是我们把电场的横向分量取为y轴方向，即Et=Ey。

亥姆霍兹方程为

?Ey?k0n?r?Ey

1. 通过分析平行耦合微带线带通滤波器的电路结构, 提出了一种消除滤波器带宽偏离指定设计带宽和在截止频率附近缓和通带内电压驻波比波动过大的方法.

疑问：1.什么是电压驻波比 ？ 为什么会导致电压驻波比波动过大？有什么危害？解决的办法？

2.带通滤波器的基本单元：是由2 条相距很近的微带线构成的平衡耦合节, 在这2 条微带线之间会产生电磁耦合现象, 微带线的奇模、偶模通过公共接地板产生的耦合效应产生了奇模特性阻抗( Zoo) 和偶模特性阻抗( Zoe) . 当微带线长度为滤波器中心频率对应波长的1 / 4 时, 微带线就具备了带通滤波器特性, 即可构成一个平衡耦合节. 由于采用单个带通滤波器单元不能获得良好的滤波器响应和陡峭的通带到阻带的过渡,因此常将n + 1 个平衡耦合节级连以构成平行耦合微带线带通滤波器。 平衡耦合节的两端有短路、开路2种结构

疑问：为什么微带线长度为滤波器中心频率对应波长的四分之一，微带线就具备了带通滤波器的特性？ 3.带通滤波器的设计步骤： 1、制定滤波器的技术要求

2、根据技术要求, 选定设计方法和选择合适的标准低通滤波器参

gk(k = 0, 1, ?, n, n + 1)

3、确定归一化带宽、上边频和下边频,

微带线的应用

一般的传输线由两个或两个以上的导体组成，用来传输横电磁波（TEM波），常见的传输线有双线、同轴线、带状线和微带线等。其中，微带线是最普遍使用的平面传输线之一，微带线可以用光刻工艺制作，并且易于与其他无源和有源器件集成，因此被广泛应用于印刷电路板中。

微带线滤波器、微带线定向耦合器、微带线放大器是微带线的三个典型应用：

一、 微带线滤波器

滤波器的基础是谐振电路，它是一个二端口网络，对通带内的频率信号呈现匹配传输，对阻带频率信号失配而进行发射衰减，从而实现信号频谱过滤功能。微波带通滤波器在无线通信系统中起着至关重要的作用，尤其是在接收机前端。滤波器性能的优劣直接影响到整个接收机性能的好坏，它不仅起到频带和信道选择的作用，而且还能滤除谐波，抑制杂散。平行耦合微带线滤波器是一种分布参数滤波器，它是由微带线或耦合微带线组成，其具有重量轻、结构紧凑、价格低、可靠性高、性能稳定等优点，因此在微波集成电路中，它是一种被广为应用的带通滤波器。

微带线滤波器有很多种类，下面以1/2波长终端谐振耦合滤波器为例子说明：

通常意义上所说的1/2波长终端谐振耦合滤波器结构形式如图12所示。图中所示的每一个终端开路微带线谐振长度近似为通带滤波器中心频率的半

微波集成电路

期末报告

题目：基于左手材料的定向耦合器技术研究

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

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使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

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2

学位论文原创性声明

本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识