定向耦合器论文

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

I

Abstract

Directional 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.

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 microstrip 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 performance 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 coupler.

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 for power testing, the final conclusions drawn from the analysis of the data.

Keywords: directional couplers principle circuit core power test

II

目录

摘要 ........................................................... I Abstract ....................................................... II

1绪论 .......................................................... 1

1.1课题背景和研究意义 ....................................... 1

1.2定向耦合器的种类和应用 ................................... 1

1.3几种定向耦合器的实现方式 ................................. 3

1.4研究现状 ................................................. 7

2方案选择 ...................................................... 8

2.1定向耦合器的原理 ......................................... 8

2.2耦合方式 ................................................ 11

2.3匝数的选择 .............................................. 13

2.4磁环大小的影响 .......................................... 18

3传输线变压器 ................................................. 19

3.1传输线变压器的构成 ...................................... 19

3.2磁芯 .................................................... 20

4定向耦合器的制作与功率特性的测量 ............................. 24

4.1定向耦合器的制作 ........................................ 24

4.2大功率特性的测量 ........................................ 25

5.结论与总结 ................................................... 28

致谢 ........................................................... 30

参考文献 ....................................................... 31

III

1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：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

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）λg0/4 的小孔实现耦合其中，λg0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，βd=π/2，此时D→∞; 当偏离中心频率时，secβd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“①”的特性阻抗为, 主线出口线“②”的特性阻抗为(k为阻抗变换比), 副线隔离端“④”的特性阻抗为, 副线耦合端“③”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“①”

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λg/4, 另一路由A→B→C→D, 波行程为3λ

g/4；故两条路径到达的波行程差为λg/2, 相应的相位差为π, 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“④”处的两路信号相互抵消, 从而实现隔离。 同样由A→C的两路信号为同相信号, 故在端口“③”有耦合输出信号, 即端口“③”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“③”的反射波电压为|U3r|, 则该耦合器的耦合度为：

c 10lgk

3r2(dB)

3

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3dB、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

Zop=2Z0

Zt1=Zt2=Z0

3r=

此时散射矩阵为 12

⎡0j10⎤⎢⎥1⎢j00j⎥ [s]=-⎢100j⎥⎢⎥01j0⎣⎦

分支线定向耦合器的带宽受λg/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“①”为输入口, 端口“②”为直通口, 端口“③”为耦合口, 端口“④”为隔离口。

图1-5 平行耦合微带定向耦合器

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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)

由于铁氧体具有各向异性，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μ-和μ+）。 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ω等于铁氧体的谐振角频率ω0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μ+，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μ-，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 所示的矩形波导在x=x1处放置了铁氧体, 下面来确定铁氧体片放置的位置。

对于矩形波导TE10模而言, 其磁场只有x分量和z分量,两者存在π/2的相差。在矩形波导宽边中心处, 磁场只有Hx分量, 即磁场矢量是线极化的, 且

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幅度随时间周期性变化, 但其方向总是x方向; 在其它位置上, 若|Hx|≠|Hz|,则合成磁场矢量是椭圆极化的, 并以宽边中心为对称轴, 波导两边为极化性质相反的两个磁场; 当在某个位置x1上有|Hx|=|Hz|时, 合成磁场是圆极化的,进一步分析表明, 对TE10模来说,在x=x1处沿+z方向传输的圆极化磁场不与恒定磁场方向成右手螺旋关系, 即为左旋磁场, 而沿-z方向传输的圆极化磁场则是右旋磁场。可见，应在波导x=x1处放置铁氧体片, 并加上如图 1-6所示的恒定磁场, 使Hi与传输波的工作频率ω满足

ω=ω0=γ

Hi

式中，ω0为铁氧体片的铁磁谐振频率；γ=2.8×103/4πHz•m/A, 为电子旋磁比。这时, 沿+z方向传输的波几乎无衰减通过, 而沿-z方向传输的波因满足圆极化谐振条件而被强烈吸收, 从而构成了谐振式隔离器。

应该指出的是，若在波导的对称位置x=x2=a-x1处放置铁氧体，则沿+z方向传输的波因满足圆极化谐振条件而被强烈吸收, -z方向传输的波则几乎无衰减地通过。也就是单向传输的方向与前述情形正好相反。另外，由于波导部分填充铁氧体，主模TE10的场会有所变化，因此实际铁氧体的位置与计算的略有差异。 2)

场移式隔离器是根据铁氧体对两个方向传输的波型产生的场移作用不同而制成的。

它在铁氧体片侧面加上衰减片, 由于两个方向传输所产生场的偏离不同，使沿正向（-z方向）传输波的电场偏向无衰减片的一侧，而沿反向（+z方向）传输波的电场偏向衰减片的一侧, 从而实现了正向衰减很小而反向衰减很大的隔离功能。

由于场移式隔离器具有体积小，重量轻，结构简单且有较宽的工作频带等特点, 因此在小功率场合得到了较为广泛的应用。

3） 输入驻波比ρ

在各端口都匹配的情况下，我们将输入端口的驻波系数称为输入驻波比，记作ρ，对于具体的隔离器, 希望ρ值接近于1。

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1.4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[3]：

选模定向耦合器。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。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。

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2方案选择

2.1定向耦合器的原理

2.1.1定向耦合器的技术指标[4]

包括频率范围、主线衰减、耦合度、方向性、隔离度、回波损耗、带内波动等。

（1）工作频带

定向耦合器的功能实现主要依靠波程相位的关系，也就是说与频率有关。

（2）主线衰减

Am=10lgP1(DB)P2

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。。

（3）耦合度

P1Ac=10lgDB)P3

描述耦合输出端口与主路输入端口的比例关系，通常用分贝表示，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。

（4）方向性

Ad=10lgP3(DB)P4

描述耦合输出端口与耦合支路隔离端口的比例关系。理想情况下，方向性为无限大。

方向性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。方向性和隔离度都是表示定向耦合器定向性能的好坏的，方向性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：

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P1=P2+P3+P4=P2+P3

以上所提到的定向耦合器的参数，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）隔离度

Ar=10lgP1(DB)P4

描述主路输入端口与耦合支路隔离端口的比例关系。Ar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，隔离度为无限大，但实际情况总是与理想相去甚远。描述定向耦合器特性的三个指标间有严格的关系，即：

方向性=隔离度-耦合度。

（6）回波损耗（驻波比）

回波损耗是负载的匹配特性，回波损耗定义为当信号通过端口时，入射信号与反射信号之比，一般用dB表示。

回波损耗（dB）= 10Log（Pin/Pr）= Pin(dBm) - Pr(dBm)

输入功率 Pin端口通过功率 Pout

发射功率 Pr

图2-1功率示意图

回波损耗（Lr）、反射系数（ρ）、驻波比（VSWR）之间的数学关系如下

Lr = 20 Log（1/ρ） 或 ρ = 1 /10 Lr/20

VSWR =（1+ρ）/（1-ρ） 或 ρ = （VSWR-1）/（VSWR+1）

回波损耗（Lr）、反射系数（ρ）、驻波比（VSWR）之间关系如表2-1，一般当回波损耗大于20dB（驻波比小于1.2）为良好匹配，回波损耗大于14dB（驻波比小于1.5）时为工程可以接受的匹配。

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表2-1 回波损耗、反射系数、驻波比三者之间的关系

回波损耗（Lr） 电压反射系数（ρ） 驻波比（VSWR）

10 0.32 1.92

11 0.28 1.78

12 0.25 1.67

13 0.22 1.58

14 0.20 1.50

15 0.18 1.43

16 0.16 1.38

17 0.14 1.33

18 0.13 1.29

19 0.11 1.25

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（7） 带内波动 0.10 1.22

带内波动又称为幅频特性。在功分器的工作频带内，不同频率的总损耗会有所差异，幅频特性是指在指定工作频带内总损耗随频率变化的程度，一般用指定频带内最大损耗和最小损耗的差值表示，单位为dB p-p/工作带宽。

测试方法：

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点频法

扫频法

工程上要求在工作频带内，带内波动小于0.3dB p-p / 工作带宽.

2.1.2定向耦合器的原理 主线中传输的功率通过多种途径耦合到副线,并互相干涉而在副线中只沿一个方向传输[5]。

图2-2为矩形波导定向耦合器的三种典型耦合结构。a是相距1/4导波长的双孔耦合;b是间距和长度都等于1/4

导波长的双串联分支线耦合；c是在裂缝区域内TE和TE两种传播模式的连续耦合。以a和b两种结构为例，从端口①输入的信号分两路耦合到副线后，朝端口④方向因行程相等而同相叠加，有输出；朝③方向则行程相差1/2导波长而反相抵消，被隔离而无输出。

图2-2 矩形波导定向耦合器的三种典型耦合结构

微带定向耦合器有两种典型的耦合结构。一种是间距和长度都等于1/4导波长的双并联的分支线耦合,另外一种是在平行区域内电场和磁场两种结构连续耦合。

2.2耦合方式

2.2.1分布参数与集中参数[6]

定向耦合器在射频电路中有着重要作用，可作分支器及功率检测部件。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。定向耦合器具有以下两个主要特征：第一，用来耦合或分流信号，

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第二，耦合或分流是有方向性的。定向耦合器与大多数射频部件一样亦有分布参数和集中参数之分。分布参数定向耦合器是通过微带线之间的耦合来实现的，因此这类器件的尺寸有与工作波长紧密相关，存在着如相对带宽窄，尺寸大等缺点，基本不适用于短波频段。集中参数定向耦合器是变压器的混接网络。因此集中参数定向耦合器等基本特点与变压器一样即相对带宽大，并且尺寸小，适用的典型频率为几百兆赫兹以下。定向耦合器中的双定向耦合器在通信发射机中得到广泛应用。因此本次设计选用的定向耦合器为集中参数形式。

2.2.2串联耦合与并联耦合[7]

在短波频段，变压器的分布参数对电路的影响极小，使得其在这一频段内有着广泛的应用。变压器可用来耦合信号，耦合有两种方式，一种是串联耦合，另一种为并联耦合，所谓串联耦合是指耦合变压器的初级串接在电源与主线负载之间的耦合，并联耦合是指耦合变压器的初级与电源、主线端负载并联的耦合。这两种耦合方式，在以不同的主线端作为输入时，耦合端极性的变化是不同的。对于串联耦合，耦合端的极性与以哪一个主线端作为输入有关，而并联耦合时耦合端的极性与以哪一个主线端作为输入无关，而这种差别正是实现定向耦合的基础。

图2-3为变压器串联耦合电路，图2-4为变压器并联耦合电路。在图2-3中，A和B为主线端，C为耦合端，其中ns为匝比，TS为串联耦合变压器，当信号从主线

端A输入时，耦合端c的极性与输入端相同，而以B端作为输入肘-耦合端的极性与输入端相反。在图2-4中．A和B为主线端，D为耦合端，其中np为匝比，Tp为并联

耦合变压器，耦合端D的输出功率与以哪一个主线作为输入无关，并且耦合端的极性始终与输入端信号的极性相同。如果我们把串联和并联同肘耦合，并且使其耦合到同一负载(耦合端)上的功率相同．那么就可实现定向耦合。图2-5为由变压器串联、并联以及魔T组成的定向耦合器原理图。

图2-3 变压器串联耦合电路

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图2-4变压器并联耦合电路

图2-5变压器串并联同时耦合

图2-5中的Tps 为变压器魔T，其它符号意义同前。当信号从A端输入时(图2-5a)

通过并联耦台变压器耦合至魔T的P端的极性与通过串联耦合变压器耦合至魔T的s端的极性相反。适当调整匝比ns和np 有可能使两路耦台信号的电压相同，此时

魔T作等幅反相合成．耦合功率在D端输出．C端输出为零。如果信号从B端输入(图2-5b)，此时通过串联耦合变压器 TS和并联耦合变压器 Tp耦合至魔T的S端和P端的极性相同，两路耦合信号在魔T作等幅同相功率合成，合成的耦合信号在C端输出，而D端输出为零。所以，在理想情况下，以A端为输入时，耦合端是D，隔离端是C；以B端为输入时，耦合端是C，隔离端是D。

2.3匝数的选择

双定向耦合器的实现电路有多种，其中图2-5所示的电路为变压器串并联同时耦合的双定向耦合器，其需要一个三线传输线变压器魔T

．在绕制时，三线的

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最佳奇模特性阻抗Z00和最佳偶模特性阻抗Zoe。都较难确定，在实际制作时较少采

用。图2-6所示的电路为双定向耦合器电路中的一种，为本文要重点分析的集中参数形式双定向耦合器电路。它由两个单定向耦合器组合而成， 由于省掉了一个三线传输线变压器魔T，所以实际制作绕制和调试都较简单，适合生产制作，另外其各项性能指标都能做到较高。图中A、B端为主线端，C端为A端的耦合端(B端的隔离端)，而D端为B端的耦合端(A端的隔离端)，m，n分别为并联变压器和串联变压器的匝比[8]。 AB

n

n

RC2RC1

Rd1Rd2

m

图2-6 集中参数形式双定向耦合器电路

图2-7 集中参数形式双定向耦合器的另一种电路

14

参考图2-7，假设图中的电阻都相同即Ra =Rc =Rd1 =Rd2 =R，理想情况下，由

于B、C端是隔离的(即耦合端D与隔离端C之间的方向性为无穷大)，则Vc=0，假设串联变压器和并联变压器都为理想变压器，此时应有下列关系：

Va=Ve (2-1)

i2=i4 (2-2) n

mi3=i4+i5 (2-3)

ii1

4R=i5R+(n+i5）R (2-4)

Ve

m=i4R (2-5)

当信号从B端输入时，应有:

i1=i2+i3 (2-6)

i2R=Va (2-7) (i1

n+i5)R

n+Ve=Vb=V (2-8)

由以上各式可解得:

2m4

=+3m2

iV

12m4+3m2+2R (2-9) i2m4+m2V

2=2m4+3m2+2R (2-10) 2m2

iV

3=2m4+3m2+2R (2-11)

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2m3+mV (2-12) i4=42R2m+3m+2

i5=-mV (2-13) 422m+3m+2R

输入功率: Pb=Pa+Pc+Pd1+Pd2 (2-14)

式中: Pa=i2Ra (2-15)

Pc=i4Rc (2-16)

Pd1=i5Rd1 (2-17) 222

Pd2=(i5+i12)R (2-18) m

2m4+3m2V2

(2-19) Pb=422m+3m+2R

主线衰减:

Pb4m6+12m4+13m2+6Am=10lg=10lg(dB) (2-20) 642Pa4m+4m+m

耦合度：

Pb4m6+12m4+13m2+6Ac=10lg=10lg(dB) (2-21) 62Pd24m+8m+4

B端输入阻抗：

Zb2m4+3m2+2==R (2-22) 42i12m+3mV

如果为弱耦合，即n=m>>1，Zb≈R，此时端口A、B、C、D阻抗以及耦合器所用电阻的值都相同。

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本次设计要求频带为1—30MHz； 耦合度为30±0.5db，方向性≥25db，主线损耗≤0.3db, 端口驻波系数

实际制作电路如图2-8所示，图中的串、并联耦合变压器的匝比都是整数比，为32：l，即m=n=32，由式(2-21)知，采取此匝比可使耦舍度最接近30db，电阻值与各端口的阻抗值相同都为50Ω，主线采用适合大功率通过的SFT一50—5的半刚电缆。变压器磁芯全部为高磁导率的镍锌铁氧体，选用高磁导率磁芯，是为了变压器初、次级之问的耦合系数K近似等于1，这样串联变压器和并联变压器才都可当成理想变压器，而这正是上一节公式推导的前提条件。 L1

ABL2

nC3

50C25050

m

C1

图2-8 耦合器的实际制作电路

与图2-6、2-7的电原理图相比多了三个调试用的匹配电容C1、C2和C3，另外还有两个调试用的匹配电感L1和L2 其中C1为C端和D端公用的匹配电容，C2和C3分别为C端和D端微调用的匹配电容，各调试用的匹配电容的值在几皮法到几十皮法之间。在匹配电容C1确定后，调试匹配电容C2的大小，可以改善c端的传输平坦度以及驻波系数；同理，调试匹配电容C3的大小，可以改善D端的传输平坦度以及驻波系数。由式(2-22)得，输入端阻抗Zin大于R，即大于50Ω，另外输入、输出端口阻抗在实际制作时由于接地效果好坏的原因呈现一定的容性，所以在输入端并接上一个带高磁导率铁氧体磁芯的电感则不但可以降低输入端的驻波系数，并且可以改善主线的传输特性。调试匹配电感Ll的大小，可以改善A端输入时A端到B端的主线衰减的平坦度以及降低A端的驻波系数；相应地，调试匹配电感L2的大小，可以改善B端输入时B端到A端的主线衰减的平坦度以及降低B端的驻波系数。在实际制作过程中，要特别注意串联变压器和并联变压器抽头的接地点

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位置的摆放，接地效果的好坏直接影响到耦合器的各项性能指标，特别是对方向性的影响。

由于实际制作时匝数m=n=32，把它代入公式可求得：

Pb4m6+12m4+13m2+6Am=10lg=10lg≈0.0085(dB) 642Pa4m+4m+m

Pb4m6+12m4+13m2+6Ac=10lg=10lg≈30.12(dB) 62Pd24m+8m+4

2.4磁环大小的影响

我们分别选取了两种不同大小的磁环来制作定向耦合器，经过多次调试，最终较小的磁环容易达到所要求的指标，即耦合度为30dB左右，隔离度为大于70dB（方向性大于40dB）。大的磁环耦合度很容易达到所要求的30dB，而隔离度则不太容易满足要求，大概只有50~60Db。经分析认为由于变压器匝比只有32:1，大的磁环绕不满，大概只绕了三分之二，因此会产生较大的寄生效应而使隔离度达不到要求。

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3传输线变压器

3.1传输线变压器的构成

我们知道变压器有集中参数变压器和分布参数的传输线段阻抗变换器两种。但是他们都不能满足现代通信技术发展所提出的对变压器的宽带要求,在这种情况下一种新的阻抗变换器—传输线变压器应运而生,随着高磁导率材料的进一步发展, 传输线变压器正以其良好的阻抗变换特性在通信器件中得到越来越广泛的应用。

一个传输线变压器主要由两部分组成: 传输线和磁芯。并且要满足两个条件:

(1)传输线的串联电感感抗甚大于传输线特性抗Zc (通过将传输线绕在磁芯上实现)

(2) 传输线长度l

图3-1 传输线变压器的分布、集中参数形式

由图3-1可看到传输线变压器中的两根导线恰好组成了一条传输线, 但它同时又是变压器的两个线圈[9]。我们知道在普通变压器中, 线圈的漏感和分布电容成为影响高频应用的有害参量, 但是在传输线变压器中确正是巧妙地利用了线圈的分布电容, 使其成为组成传输线的参数, 从而实现了宽带的要求。传输线变压器中能量的传播是以电磁波的形式在传输线上进行的。

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3.2磁芯

3.2.1磁芯的种类

本课题中涉及到的磁芯是指软磁铁氧体磁芯。软磁铁氧体磁芯按化学成分来分类，主要可分为 MnZn 系、NiZn 系和 MgZn 系三大类。MnZn 系铁氧体具有高的起始磁导率，较高的饱和磁感应强度，在无线电中频或低频范围有低的损耗，它是1 兆赫兹以下频段范围磁性能最优良的铁氧体材料。常用的MnZn 系铁氧体，其起始磁导率 μi= 400～20000，饱和磁感应强度 BS=400～530mT。MnZn 系铁氧体广泛制作开关电源变压器、回扫变压器、宽带变压器、脉冲变压器、抗电磁波干扰滤波电感器及扼流圈等。NiZn 系铁氧体使用频率 100kHz～100MHz，最高可使用到 300MHz。这类材料磁导率较低，电阻率很高，一般为 105～107Ωcm。因此，高频涡流损耗小，是 1MHz 以上高频段磁性能最优良有材料。常用的 NiZn 系材料，磁导率 μi=5～1500，广泛用于制作各种高频固定电感器，可调电感器，谐振回路线圈，线性调节线圈抗电磁波干扰线圈等。MgZn 系铁氧体材料中附加小量 MnO 后制成 MgMnZn 系材料，电阻率较高，广泛用于制作各种显象管或显示管的偏转线圈磁芯，MgZn 系铁氧体在某些高频电感线圈及天线线圈中也得到应用[10]。

若按磁性所分类，软磁铁氧体材料可分类： (1) 高磁导率材料，主要制作宽频带变压器、脉冲变压器、以及抗噪声滤波电感器等。(2) 功率铁氧体材料，这类材料主要特征是饱和磁感应强度 Bs 高，大磁场下功率损耗低，因此适合制作较大磁场下运行的开关电源变压器，回扫变压器，扼流圈等。(3) 高频铁氧体材料。其主要特征是磁导率低，高频损耗小，可适用于几兆赫兹到几百兆赫兹的高频，特高频范围。这类材料主要用于制作高频变压器及固定或可调电感器。(4) 高电阻率材料。电阻率通常高达 107～109Ωcm，主要适于制作显象管或显示管用偏转线圈磁芯，可避免线圈直接绕制在磁芯上而发生短路现象。

磁芯还有各种不同的形状。常见的有：

（1）环形磁芯，这种磁芯的漏磁通最小，它的主要用途是作为变压器。但是这种磁芯绕线却是很麻烦，因为绕线时，必须将没一匝线穿过磁芯的孔。由于环形磁芯的外形简单，所以特别适用于测定材料的性能参数。同类型的还有双孔或则多孔磁芯，双孔磁芯相当于两个环形磁芯的叠加，当中间绕线时，可以获得比环形磁芯更大的电感值。多孔磁心则有四孔或六孔磁芯，相当于更多环形磁芯送加，更适合制作电磁波干扰抑制器，各种变换器等。

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（2）E型磁芯，具有矩形截面的E型磁芯，由于结构和制造简单，已成为最广泛应用的高频变压器磁芯，可以在低磁通密度或高磁通密度下使用。这类磁芯通常成对使用，组成闭合磁路。一般是由两个E型磁芯组成，少数由一个E型磁芯和一个I型磁芯组成。这类磁芯的绕线比环形磁芯简单得多。

（3）U型磁芯，这类磁芯也是由两只U型磁芯组成，或是由一只U型和一只I形磁芯组成。U 型磁芯窗口面积大，适于制作功率型或高压型变压器，如电视机及计算机显示器的回扫变压器，用量很大；也可制作其它类型变压器。

（4）罐形磁芯，罐型磁芯有很多优点，如结合面较大，屏蔽好，漏感及分布电容小，电感可以调节（配以调节芯后）等，因此获得广泛采用。凡是在通信技术中有需要线圈与变压器的地方，大多数都是最适宜采用罐形磁芯的。对于谐振回路，它的优点特别在于能获得高Q与高稳定性，这正是许多载波通信技术用的滤波器及其它用途中所需要的。

（5）棒形磁芯，它是指带螺纹的螺纹磁芯，或不带螺纹的棒形磁芯，这类磁芯由于是开路的，所以漏磁相对很多，但是绕线很简单。

3.2.2磁芯的作用

在传输线变压器中信号源电压在加到传输线始端的同时也加到了线圈I 的两端, 因此线圈I 的电感便成为信号源负载的一部分, 该电感产生的效果为一感抗值,且感抗值随着f的降低而减小。同时又由于受到频带高端延伸的限制, 线长不可能取得较长,如果没有磁芯的话, 线圈的感抗将非常小, 对信号源的分流作用很大,甚至于短路,要使传输线变压器的低频性能好, 就应该使线圈的激磁电感( 励磁电感) 大, 利用高磁导率的铁氧体材料,它的拼值相当高, 所以用很小尺寸的磁环和绕较少的圈数就能得到足够大的激磁电感量, 从而能够获得良好的低频响应, 实现频带的展宽[11]。

在高功率传输线变压器的设计中,电路结构与磁芯材料的设计是实现设计

技术指标关键所在。就传输损耗以及与反射损耗对于磁芯Q 值的依赖关系而言, Q 值越高,传输损耗越小, 但驻波系数指标会随之下降; 反之, 磁芯的损耗大、Q 值低时, 更容易实现优良阻抗匹配。所以,在低功率的情况下,往往选择损耗大、Q 值低的磁芯。当传输功率较大时,就要控制磁芯损耗, 在保证阻抗匹配的前提下，适当提高Q 值,从而获得稳定的传输性能[12]。

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3.2.3磁芯的参数

1）自发极化强度和饱和极化强度。饱和极化强度是指在足够强的磁场作用下，磁芯内部所有外斯畴的自发极化都平行于该磁场方向时的极化强度。自发极化强度等于该畴的全部磁矩矢量和除以该畴的体积，它近似地等于磁芯的饱和极化强度。

2）居里温度[13]。铁磁性物质的自发极化强度一般在绝对零度时最大，因为这时所有的磁矩完全平行取向。温度升高，热能增加，平行排列渐渐减小。直到某个温度平行排列被完全破坏，这个温度成为居里温度。居里温度是铁磁性或亚铁磁性物质转变成顺磁性物质的临界点。低于居里点温度时该物质成为铁磁体，此时和材料有关的磁场很难改变。当温度高于居里点温度时，该物质成为顺磁体，磁体的磁场很容易随周围磁场的改变而改变。

3）起始磁导率。起始磁导率是指预先退磁后，在极小的磁场下测得的磁感应强度与磁场之比的极限值。起始磁导率的大小，取决于材料磁化的难易程度，也即取决于退磁后建立的磁畴结构受外磁场影响的大小程度。磁畴内部的自发极化强度受到局部各向异性方向的束缚越松，自发极化强度越容易转到外磁场的方向，或是分隔磁畴的布洛赫壁越容易移动，则磁导率越高[14]。

4）截止频率。文献中对截止频率的定义没有完全统一。有人将起始磁导率陡峭下降的频率称为磁芯的截止频率，也可以将磁导率的实数与虚数部分相等的频率称为截止频率，或则将初始磁导率下降到稳定值的一半处的频率称为截止频率。

5）温度系数。由于磁晶各向异性与磁饱和磁化强度随温度的变化，起始磁导率也随温度变化。常见的镍锌铁氧体和锰锌铁氧体，起始磁导率从低温下的小值开始，随温度的升高而增加，到居里温度时到一个最大值，然后陡峭地下降。实际中，磁芯的起始磁导率曲线随温度的变化一般都是弯曲的，有的甚至还有峰值，大多数都只是在意小段温度范围内近似为直线。温度系数的定义是指两个温度T1和T2之间实际磁导率的平均上升值。厂家表示起始磁导率温度系数的方式有两种：一种是在很宽的范围内给出了磁导率随温度变化的连续曲线，这种曲线可以看出任何一个温度下的磁导率大小。另一种表示表示方式是在产品性能表中，重点列出了一种或几种温度范围的比温度系数及分散范围。

6）减落系数。减落系数是磁导率随时间的变化，由扩散过程引起。由于极化方向或布洛赫壁的最低能量位置随时间的扩散过程达到稳定。由此产生的能量最低值的降低，使极化矢量和畴壁的活动性降低，使极化矢量和畴壁的活动性降

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低，其结果使磁导率下降。理论上，经过无限长的时间后，势阱已下降到最深位置，磁导率将达到一个稳定值。此时，如果将材料加热到居里温度以上再缓慢冷却下来，或者将它磁化到饱和后，再缓慢地减小交变磁场退磁，可以使布洛赫壁再次重新产生。磁导率也回到原来的值，从这个值开始，随着时间的变化，再慢慢地减小，直到趋于稳定值。所以铁氧体磁性材料的减落过程是可以重复的。减落系数的定义是磁导率与时间的对数的比值。这种定义有一个前提：每十倍时间，磁导率变化的百分率大体相等。但实际的减落曲线是这样的，在紧接着冲击以后的短时间内陡峭地下降，然后再进入直线段，很长时间后，变化又趋于缓慢。所以，减落系数是定义在减落曲线呈直线的那段时间内。

7）复数磁导率。由于畴壁的转动或者位移需要时间，当外磁场变化足够快时，磁化过程变跟不上了，这会使磁感应与磁场有一定的相位差。这一相位差可以用复数磁导率表示。复数的实部表示磁化跟得上外部磁场变化的部分，虚部表示磁感应与磁场滞后九十度的部分。在直流和低频下，磁感应与磁场是同步的，所以，低频下磁导率虚部很小。磁导率的实部在低频下变化很小，当频率上升到某个值时，实部开始迅速地下降，而虚部在低频下很小，当频率上升到某个值时，开始迅速地上升，达到一个峰值后又迅速的下降。磁导率实部的静态值（只低频下的值）越高，其开始下降的频率越低，虚部开始上升的频率越低。而实部的静态值越低，其开始下降的频率越高，虚部开始上升的频率越高。所以，高磁导率的锰锌铁氧体主要使用于低频，而低磁导率的镍锌铁氧体使用于高频。

8）损耗[15]。对磁性材料来说，损耗和起始磁导率是最重要的两个参数。损耗会导致发热，能量消耗和信号的畸变。损耗主要由磁滞和涡流造成。磁滞是由于磁化跟不上磁场的变化，使的磁感应与磁场有一定的滞后角，这种滞后导致磁场能转化为了热能。涡流损耗是指时变的磁场在导体或者半导体内产生涡流，通过与晶格的交换作用产生的能量损耗。涡流损耗与材料的磁场频率成正比，与电阻率成反比。镍锌铁氧体的电阻率很大，适合高频应用，锰锌铁氧体的电阻率较小，不适合高频使用。

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4定向耦合器的制作与功率特性的测量

4.1定向耦合器的制作

本课题要求的指标为：频率1-30MHz，耦合度为30±0.5db，方向性≥25db，主线损耗≤0.3db。

选用的电路为图2-8的电路。实际制作时，C端和D端会接上一个高频接头，加上50欧姆负载，就相当于电阻R1和R4。所以，R1和R4去掉，其他电阻和各个端口的阻值都是50欧姆。由式（2-21）可以计算出，三个变压器的匝数比n:1=32:1时，耦合度最接近30dB。绕制变压器T1，T2和T3的磁芯选用NXO-400。因为此种材料的磁导率最大，容易满足低频的要求。而且高的磁导率加环形形状有利于减少变压器的漏磁，减小漏感。

图4-1 制作耦合器的实物图片

利用网络分析仪来测定耦合器的各项性能指标时，首先要校准，然后设定频率为1-30MHz，首先测量的是驻波系数，接着分别测定对应于输入、输出端口的耦合度和隔离度。由于耦合器是双向的，因此两边大概是对称的，所以两边测得的耦合度和隔离度不应相差太大，否则可能是因为焊接不好或者线圈绕得不够紧密。

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4.2大功率特性的测量

本次试验的功率设定为150W。

图4-2 功率测量的电路连接图

图4-3 频谱分析仪测量数据图

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图4-4 矢量信号发生器与功率仪、耦合器的连接实物图

实验测得数据列成表格如下：

表4-1 频率为1.6MHz时信号发生器给出功率与频谱分析仪测得功率

函数信号发生器（dBm）

-30 -10

-7

-4

-1

频谱分析仪（dBm） -52 -30 -26.7 -23 -19.8

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表4-2 频率为30MHz时信号发生器给出功率与频谱分析仪测得功率

函数信号发生器（dBm）

23 34

44.8

49.1

49.8

50.5

50.24

50.20

51.07

51.45

51.49

51.47 频谱分析仪(dBm) -47 -36 -25.6 -21.3 -21.1 -20.4 -20.6 -20.7 -19.8 -19.44 -19.42 -19.44

分析上面的数据可以看出，1.6MHz时信号发生器给出的分贝值与频谱分析仪测得的相差约30dBm。30MHz时相差约70dBm（耦合度30db+30db衰减器+10db衰减器）。

小结：功率特性测量的电路连接比较复杂，需要我们弄清楚每个环节的作用以及信号分别从哪个端口进、哪个端口出。由于实验室功率仪本身输出功率不太准确，使得实际输出功率达不到150W，实际测量时我们又接入了一个通过式功率计来提高定向耦合器的输入功率，经过实验测得的数据证明这种思路是可行的，也表明制作的定向耦合器功率特性是良好的，能够承受大功率。

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5.结论与总结

在此次毕设过程中，遇到了很多问题，也学到了很多的知识。通过对定向耦合器原理的学习，到能完整的设计出简单易实现的电路，并自己动手制作实物，这其中遇到过不少问题，最终是通过自己查阅资料以及向学长老师请教而得到解决的。实物制作完成后，利用网络分析仪进行测试，为了使隔离度达到要求，还要对耦合器进行调试。调试过程并不容易，会花费大量时间，但是却能够让我摸清实物的特性，哪些因素会对隔离度产生较大影响，如绕线圈的紧密程度、磁环的位置、焊接的精细程度等等。实际上一共制作了4个耦合器，2个大环和2个小环的。最终只有一个小环的隔离度能达到70dB以上,大环的只有60dB左右。最后我们还要将到达要求的小环制作的耦合器进行功率测试，测试功率为150W,将测试的数据分析并获得相应的结论。完成了整个过程后，我学会这一套科学的学习与研究的方式，并能通过这一方式获得自己需要的数据与结论，让我受益颇深，对以后的学习与工作来说，也都是一笔不可多得的财富。最终经过分析，得出的拟合结果，能大体的展示实验的实际结果，通过和理论进行对比，可以发现理论和实际之间还是存在略微的差别，但是总体还是和理论相符合的。

从本次课题得到的结论如下：

第一，选择正确的电路结构。只有选择了正确的电路，才能实现双定向耦合器的基本功能，才为达到要求的指标提供了可能。同时，电路结构也给出了理想情况下的各个指标的计算公式，如耦合度与线圈匝数的关系公式就是我们实际制作时选择匝数的重要依据。同时电路结构应尽可能简单容易实现，并且具有正常的功能。

第二，磁环的大小对定向耦合器的性能影响较大。由于变压器线圈的匝数是一定的（耦合度要求30dB）,所以大环不能紧密缠绕，容易产生较大的寄生效应。同时由于焊接的底板面积较小，放上去的三个大环挨得十分紧密，甚至会跑到底板边缘，因此大环的不可控因素较多。最终测试也证明小环能达到要求而且性能比较稳定。

第三，接地是否良好非常重要。刚开始使用通用板做了一个双定向耦合器，一测试，根本连定向耦合器的基本功能都没有。仔细检查后发现原来是焊口发生脱落，接地点没有连上。

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第四，掌握正确的测试方法，才能得到正确的结果。尤其是对于像网络分析仪这样高精密的仪器，操作稍有失误，测试结果就会天壤之别。

第五，定向耦合器的大功率特性测量的电路连接比较复杂。对于每个接口连到哪里以及信号在电路里是如何传输的都要有清楚的认识。

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致谢

经过半年的忙碌和工作，本次毕业论文设计已经接近尾声，作为一个本科生的毕业论文，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有老师的督促指导，以及一起工作的同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。

另外，我还要感谢培养我长大含辛茹苦的父母，谢谢你们!

感谢这篇论文所涉及到的各位学者。本文引用了数位学者的研究文献，如果没有各位学者的研究成果的帮助和启发，我将很难完成本篇论文的写作。

感谢在百度百科等数据库中编辑和定义这些内容的人。有了网络资源的帮助，让我更加了解一些书本上看不到的知识与经验。

最后我还要感谢电子系和我的母校—华中科技大学四年来对我的栽培。

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