淺析微波耦合器的設計分析

摘要：隨著現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展，無線通信技術已應用于各個領域中，其中無線通信技術在衛(wèi)星精確導航、遠距離無線通訊、智能測繪遙控、軍事電子干擾對抗等領域都有廣泛的應用。因此為了滿足日益增多的頻率容量需求，便要對密集型的微波頻率實行間隔高效的利用，為此交叉耦合方式的高性能耦合器應運而生。微波技術的發(fā)展是以高性能交叉耦合式耦合器元件的研發(fā)設計為基礎,筆者將會對微波通信系統(tǒng)中的核心無源元件耦合器的設計研發(fā)、應用現(xiàn)狀，發(fā)展前景進行簡要概述。

關鍵詞：微波技術；無線通信； 測繪遙控； 耦合器

前言：根據(jù)當前信息技術的發(fā)展前沿進行分析，其中無線通信技術的研發(fā)，無論是對于國家軍事還是生活都有緊密的聯(lián)系。而耦合器是微波通信系統(tǒng)中主導部分，技術參數(shù)要求最高的核心無源元器件，它同樣是現(xiàn)代高科技衛(wèi)星測繪、通信、雷達精確測控的核心元件。隨著無限通線技術的日臻成熟完善，在各領域通信中得到了更為廣泛的應用，但是微波波段資源有限，各種通信技術的應用使信息傳播中波段頻率的間隔越來越小，這就造成了在信息傳輸過程中波段頻率出現(xiàn)重合概率的增大，這樣便會使微波通信的準確度不可避免的下降，因此設計研發(fā)高性能微波耦合器是科研技術人員面臨的重要課題。

一、耦合器技術的性能分析

1、當前耦合器技術的發(fā)展歷程

無線微波核心元件的主導部分是耦合器,并且廣泛應用于現(xiàn)代衛(wèi)星遙感測繪系統(tǒng)、現(xiàn)代無線通信與雷達精確遙控等領域，有著不可替代的重要作用?，F(xiàn)代通信系統(tǒng)要求精準度高、抗干擾能力強、體積相對較小、重量較輕等特點，這就對微波耦合器設計研究工作提出了很高的要求，因為耦合器性能高低將直接影響整個無線通信系統(tǒng)的通信質(zhì)量。而未來微波耦合器發(fā)展方向將是體積更小、重量更輕、工作損耗更小、抗干擾能力更強的耦合器。目前微波通信技術還主要應用于國防軍事方面，普通的民用通信基礎設施還沒有完善而且價格很高?，F(xiàn)在高端通信技術比如衛(wèi)星通信、雷達測控等要求微波耦合器具有體積小、重量輕、低損耗、窄頻段等特點，因此在進行微波耦合器設計研發(fā)工作時，便要求耦合器對微波波段的相位與振幅強度進行精確校正。

2、平行耦合線的設計分析

平行耦合線是當今耦合器中最常見的一種輸入電流與輸出電流的耦合方式，按照耦合方式的不同分為奇模耦合方式和偶模耦合方式，以此按照這種類型方式來分析平行耦合線的設定的阻抗參數(shù)L，然后根據(jù)所求出的阻抗參數(shù)來分析其他參數(shù)矩陣的排列情況。如下圖所示為一個四端口網(wǎng)絡的平行耦合線，其中在a、b兩個端口上加入同向等幅值的電流源I1，然后在此基礎上同時添加反向等幅值的電流源I2，在耦合器線型單元中進行偶模激勵，與此同時奇模激勵也正朝向耦合線型幅值進行疊加和衰減；在c、d兩個端口上也加入同向等幅值的電流源I3，然后在此基礎上同時添加反向等幅值的電流源I4，在耦合器線型單元中進行偶模激勵，奇模激勵也正同時進行。此時四個端口電流之間的疊加情況如下列公式所示：

a=I1+I2；b=I1-I2； c=I3+I4；d=I3-I4

在如圖所示的結構中，因為輸入的電流源相同，在偶模激勵下，傳輸?shù)碾娏?、電壓值相等方向相同且處于同一種傳輸介質(zhì)中，利用對稱原理在同一條干路所傳輸?shù)碾娏髋c電壓值為各支路之和，但是在奇模激勵作用下，兩根線上所傳輸?shù)碾娏鳌㈦妷悍较蛳喾?，所以干路所引起的電流、電壓為各個支路之差。

cI4 I3 I4 d

I14 I2

U14U23

aI1I2I1b

根據(jù)圖中所標示的線性關系，線路中沒點的電壓電流值均為該點單獨在恒流源控制下，所引起的偶激勵與奇激勵之間的代數(shù)和，當a、b兩端口加入恒定電源然后進行偶模激勵，然后保持c、d之間為開路端口，此時線上的電壓與電流之間的關系將呈現(xiàn)出正弦函數(shù)的關系：I1=I2=I12，傳輸線路上的駐波電壓與電流在線型圖像上相差β/4，即傳輸?shù)碾妷翰ǜ裹c為所傳輸電流的波節(jié)點，兩者之間存在這樣使比例關系：U14=U23=—PZIcos.

微波耦合器網(wǎng)絡傳輸函數(shù)主要非為以下幾種：切比雪夫函數(shù)、橢圓函數(shù)、巴特沃斯函數(shù)等。切比雪夫函數(shù)與橢圓函數(shù)微波耦合器在現(xiàn)在通信領域中是應用最為廣泛的兩種，而巴特沃斯耦合器是最為平穩(wěn)的耦合器，而且微波頻段邊緣下降速度緩慢，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代通信系統(tǒng)高性能的設計要求。

二、定向耦合器的發(fā)展應用

1、定向耦合器性能分析以及發(fā)展應用

在整個微波通信系統(tǒng)中，定向耦合器是一種應用最為廣泛的電子元件。它的主要作用是對傳輸信號微波頻段進行功率的整合以及分配，定向耦合器應用與微波通信系統(tǒng)中信號發(fā)射器功率和波段頻率的測定與整合。除此之外信號波段相位調(diào)節(jié)，電橋式微波阻抗、平衡信號波段放大器、信號功率控制等一些其測量作用的儀器也有定向耦合器的相關應用。

總而言之，微波通信領域中微波耦合器應用越來越廣泛，而它的性能隨著現(xiàn)代科技的進步與發(fā)展，也將大大提高。而且現(xiàn)代通信對信號頻率帶橫向寬度的需求越來越明顯，擺在科研技術人員面前一個很重要的課題就是盡量改善耦合器設計研發(fā)工藝水平，改良耦合方式等等，研制寬帶、緊促式耦合器，提高耦合器性能，提高微波通信質(zhì)量。

2定向耦合器的分類指標

定向耦合器有許多種不同的類型，可以按照傳輸方向、傳輸電路線類型、耦合方式以及輸出端口相位等不同角度予以分類。比如按信號頻段傳輸方向進行分類可分為同向定向耦合器與反向定向耦合器；按信號傳輸電路線類型可分為波段帶狀線型、同軸波段線型、矩形波導型、圓波導型等微波定向耦合器。若按耦合形式可分為單孔、多孔耦合、波導接頭形耦合以及環(huán)形耦合定向耦合器等。若以信號波相位可分為90度和180度定向耦合器。

3、定向耦合器的性能參數(shù)指標

微波定向耦合器的重要參數(shù)指標主要包括定向性以及耦合度。微波定向耦合器的定向性系數(shù)指的是在理論情況下，信號通道應該只有一個能量輸出端口，但實際情況下別的輸出端口也會有能量的逸散，就將逸散能量與理論情況下能量輸出比值的分貝數(shù)就做定向耦合器的定向系數(shù)，稱之為耦合器的定向性。由此可以看出耦合器的定向性系數(shù)越大證明耦合器的定向性能越好。微波定向耦合器的耦合度指的是交叉耦合時信號輸入的主要通道的輸入電壓與其他通道輸出電壓的比值。對定向耦合器這種耗能元件來說，總的能量輸入一定大于其輸出能量，耦合系數(shù)越大證明能量損耗越少，定向耦合器的耦合度也就越弱。

結語：

隨著社會的不斷發(fā)展，人類逐漸邁入信息化時代，信息準確無誤的及時傳輸離不開當前通信技術。而現(xiàn)代通信技術中占據(jù)重要位置的是無線通信技術，無線通信技術的核心是無源器件耦合器。總的來說耦合器性能優(yōu)劣將直接影響無線通信系統(tǒng)信息傳輸質(zhì)量。未來耦合器的發(fā)展趨勢將是朝向小型化，低能耗的發(fā)展方向進行發(fā)展，優(yōu)良的加工制作工藝將來為企業(yè)帶來更多的產(chǎn)值效益。為此要明確定向的發(fā)展目標，不僅僅需要現(xiàn)代通信技術還要與高性能材料加工工藝學，電磁學，現(xiàn)代物理學等相結合，可見現(xiàn)代通信技術擁有廣闊的發(fā)展空間。

參考文獻：

[1]張爽，王家禮.超寬帶定向耦合器的設計.無線電工程.2003年12月.

[2]周萌.帶狀線性定向耦合器的分析與設計.西安電子科技大學，碩士學位論文.2009.

作者簡介：孫志宇，1979年5月出生，男，漢族，石家莊市人，本科，工程師，工作于中國電子科技集團公司?河北半導體研究所