-
单位代码：
10293
密
级：
硕
士
学
位
论
文
论文题目
：带短路支节的高隔离度分支线定向耦合器设计研究
学
业
电磁场与微波技术
科
专
研
向
移动通信与射频技术
究
方
申
请
学
位
类
别
工学硕士
论
文
提
交
日
期
二零一五年三月
摘要
定向耦合器是一种常用微波无源
元件，在无线系统的射频前端中有着广泛的应用。特别
在收发同频的无线系统中定向耦合
器常常被用作隔离收发信号的一种关键部件。但是传统的
定向耦合器隔离度偏低且工作带
宽较窄，无法满足系统的要求。本文以分支线定向耦合器为
研究对象，主要围绕如何提高
其隔离度和增加工作带宽来进行深入研究。论文的主要工作和
创新点包括：
（
1
）根据功率相消原理
在其耦合端口增加一条微带短路支节，设计出一款
3dB
带短路
支节双分支线定向耦合器。这种方法结构简单，易于实现，且能够大幅提高耦合器隔离度
。
（
2
）完
成了一款实验样品的加工、测量工作，验证了短路支节线用于提高双分支线定向
耦合器隔
离度的效果，以及工作带宽提高不明显的缺点。
（
3
）在双分支线定向耦合器基础上，总结出一种有效提高其工作带宽的方法
：增加耦合
路径，并设计出一款
3dB
三分支线定向耦合器，该耦合器能够大幅拓宽工作带宽。在
3dB
带
短路支节双分支线定向耦合器的基础上设计出一款
3dB<
/p>
带短路支节三分支线定向耦合器，该
款改进型定向耦合器在很大程
度上拓宽了工作带宽，且提高了隔离度。
关键词
:
定向耦合器，隔离度，短路支节，工作带宽
I
Abstract
Reader
is an important part of the RFID system, and the
reader send and receive isolation is
one of the key performance 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
traditional directional coupler 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 research on
how to improve the isolation and increase
bandwidth. The main work and
innovation
of this paper include:
(1)
We use method of old-even mode to
analyze the double branch line directional
coupler,and
use
the
HFSS
simulation
software
to
model
and
simulation,find
the
directional
has
a
low
degree
isolation
shortcoming.
In
order
to
increase
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 method is
simple in structure, easy
to implement,
and can greatly improve the coupler isolation.
(2)
We process the 3dB dual-branch directional coupler
with a short branch section into objects,
using
a
vector
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.
(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
coupler,
the
coupler can greatly
expand
the
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,The directional
coupler significantly increases the operating
bandwidth, and improve
the isolation.
Key words:
the
RFID system, isolation , short branch section,
directional coupler
II
目录
第一章
绪论
..................................................
..................................................
..................................................
....... 1
1.1
研究的背景与意义
...................
..................................................
..................................................
............. 1
1.2
RFID
系统基本介绍
.................
..................................................
..................................................
.............. 1
1.3
RFID
系统现状和进展
................
..................................................
..................................................
........... 3
1.3.1
RFID
系统使用现状
.................
..................................................
..................................................
... 3
1.3.2 RFID
系
统中读写器收发隔离技术的重要程度
.......................
..................................................
.... 3
1.4
本文的主要工作及内容安排
...............
..................................................
..................................................
. 4
第二章
定向耦合器基本原理
..................
..................................................
..................................................
........... 6
2.1
定向耦合器工作原理
..................
..................................................
..................................................
.......... 6
2.1.1
定向耦合器基本特性
..................
..................................................
.................................................
6
2.1.2
定向耦合器理论分析
..................
..................................................
.................................................
7
2.1.3
定向耦合器的技术指标
.................
..................................................
..............................................
9
2.2
常见定向耦合器的介绍
.................
..................................................
..................................................
..... 10
2.2.1
平行耦合线定向耦合器
.................
..................................................
.............................................11
2.2.2
波导定向耦合器
....................
..................................................
..................................................
....11
2.2.3
分支线定向耦合器
...................
..................................................
..................................................
13
2.2.3
环形定向耦合器
....................
..................................................
..................................................
... 14
2.3
3dB
微带分支线定向耦合器理论分析
.
.....................................
..................................................
............ 15
2.4
本章小结
.......................
..................................................
..................................................
....................... 18
第三章
带短路支节双分支线定向耦合
器设计
....................................
..................................................
.............. 19
3.1
3dB
双分支线定向耦合器设计
.<
/p>
........................................
..................................................
..................... 19
3.1.1 3dB
双分支线定向耦合器
ADS
仿真
.
................................................ .......................................... 19
3.1.2
微带线理论分析
....................
..................................................
..................................................
... 21
3.1.3
3dB
双分支线定向耦合器建模与结果分析
< br>............................................... .................................. 23
3.2
3dB
带短路支节双分支线定向耦合器设计
< br>.
...................................
..................................................
...... 26
3.2.1
3dB
带短路支节双分支线定向耦合器的工作原理
............................................ ......................... 27
3.2.2
3dB
带短路支节双分支线定向耦合器建模与仿真
............................................ ......................... 29
3.2.3
相关参数优化与结果分析
..................................................
..................................................
....... 31
3.2.4
两款定向耦合器对比分析
................
..................................................
.........................................
38
3.3
本章小结
.......................
..................................................
..................................................
....................... 40
第四章
实物测试与结果分析
..................
..................................................
..................................................
......... 41
4.1
实物加工与测试
....................
..................................................
..................................................
.............. 41
4.2
测试结果与仿真结果分析
................
..................................................
..................................................
.. 44
4.3
本章小结
.......................
..................................................
..................................................
....................... 47
第五章
改进型微带分支线定向耦合器设计
............
..................................................
.........................................
48
5.1
3dB
微带三分支线型定向耦合器设计
.
.....................................
..................................................
............ 48
5.1.1 3dB
微带三分支线定向耦合器
ADS
仿真
...............................
..................................................
.. 48
5.1.2
3dB
微带三分支线定向耦合器建模与仿真
< br>............................................... .................................. 51
5.2
3dB
带短路支节三分支线定向耦合器设计
< br>.
...................................
..................................................
...... 54
5.2.1
3dB
带短路支节三分支线定向耦合器建模与仿真
............................................ ......................... 54
5.2.2
参数优化与结果分析
.
..................................................
..................................................
.............. 56
5.2.3 3dB<
/p>
带短路支节双分支线和
3dB
带短路支节
三分支线定向耦合器对比分析
.
........................
60
5.3
本章小结
.......................
..................................................
..................................................
....................... 61
第六章
总结与展望
......................
..................................................
..................................................
..................... 62
III
参考文献
.......................
..................................................
..................................................
......................................
64
IV
南京邮电大学硕士研究生学位论文
第一章
绪论
第一章
绪论
1.1
研究的背景与意义
无线射频识别技术
(Radio
Frequency
Identification,RFI
D)
是一种非接触式的自动识别技
术，它的主要特征是运用射频
信号和空间耦合传输特性，达到对被识别物体的自动识别
[1]
。
RFID
技术是在雷达的理念的基础上，并由此进化出来的一
类新型自动识别技术。
19
世纪
40<
/p>
年代，哈里斯托克曼所创新的“利用反射功率的通信”从而奠定了无线射频技术的相关基础
理论
[2]
。
无线射频识别系统一般由电子标签（应答器）和阅读器（读头）这两个部分构成。
RFID
的现实运用中
[10,11]
，电子标签贴敷于被识别物体的表面或内部，每当带有着电子标签的被识
别物体经过它的可识读范围内，阅读器可以自己用非接触的方式将电子标签中的识别信息提
取，进而达到自动收集物品标志信息或自动识别物品的性能。
RFID
技术起始于上个世纪
90
年代，它是一个新的自动化识别技术，而且发展迅速且得
到了很大的肯定。
RFID
是一类新型的无接触识别技术，
它运用发射
射频信号经过空间的耦合
来自动识别需要识别的物体。
RFID
技术相比于早期的识别技术如
IC
卡等
最大的优势在于其
并不需要与待识别物体接触就可以实现自动识别的功能，因此这一技术
在射频通信领域得到
了十分迅速的发展。无线射频识别技术应用范围非常大，如制造，信
息，材料等新技术方面，
也覆盖了无线通信，芯片设计，集成系统，信息安全等层面。在
21
世纪初，美国，欧洲等西
方发达国
家及地区已申请了数千项涉及到
RFID
的专利。
因而，
我国目前将
RFID
技术的列入
深入研究已经是迫不及待且有着十分重大的影响。
RFID
技术的研究迅速依赖着很多技术的共同进步。
其所涉及的关键技术包括：芯片、
无
线接收发、
电磁传播、数据转换和编码等。
RFID
技术的发展路程已经跨
过
50
个年头，
21
< br>世
纪的这些年中它的发展很快。
伴随技术的迅速发展，<
/p>
RFID
衍生物品的类别将会越来越多，
而
随之而来的应用也会更多。能够想象到，今后的岁月中，
RF
ID
技术仍继续维持以这种快速的
发展趋势
[9]
。
1.2
RFID
系统基本介绍
RFID
的实现形式如下
1-1
，
它的构成由读写器，
电子标签和后台数据管理系统这个三个
1
南京邮电大学硕士研究生学位论文
第一章
绪论
模块
[4]
。该系统的基本原理为：读
写器利用天线发射指定频率的射频信号给电子标签，电子
标签运用耦合机制反馈数据信息
于读写器，再经过后台数据管理对数据信息进行相关处理和
分析并发出有关的处理信号给
射频终端设备。
图
1.1
RFID
的基本结构图
读写模块和信号发射接收这两块构成了阅读器，而读写模块又由读写电路和读写程序这
两块组成，
读写器则是用来链接应答器和应用系统，
信
号发射和接收部分由射频信号放大器、
滤波器、检波器及发射天线等几部分共同构成
[5]
。
RFID
系统的标签是芯片电路和元件两块所
构成。标签是含有识别信息且有具有表明身份信息的
编码，标签由天线、电容和芯片等几个
部分组成。对于标签的种类，当今市面上的标签有
下面几种：无源、有源和半有源半无源。
后台数据管理系统承担的主要职责是对数据信息
进行存储及处理操作，此系统可以是功能唯
一的本地软件，
也可
以使用集成了无线射频识别系统管理模块的分布式
ERP
管理软
件来替代
[7]
。
< br>一个完整的
RFID
系统的运行过程如下，读写器天线连
续将指定频率的信号发射到周围
的空间当中去，每当在读写器的可识读范围内进入了具有
电子标签的识别物体时，此时电子
标签内的天线和线圈能够感应出相应的感应电流。此时
，电子标签就会利用感应出来的电流
为自己提供能量，使得标签芯片内存储的待识别物品
的数据信息由标签天线发射出去，当读
写器天线接收到电子标签返回的电磁信号时，把该
电磁信号经过检波和解码，再将接收到的
数据信息反馈给后台的数据库管理系统进行数据
分析和整合处理，然后管理系统将所获得的
识别物数据信息和自身数据库数据进行比对，
最终完成对待识别物的识别目的
[2-4]
。
< br>
2
南京邮电大学硕士研究生学位论文
第一章
绪论
1.3
RFID
系统现状和进展
1.3.1
RFID
系统使用现状
目前国际上使用的
RFID
系统的工作频段主要包括
低频
（
LF
）
、
高频
（
HF
）
和超高频
（
UHF
< br>）
以及微波频段这四个不同的频段
[7]
。
低频
RFID
系统主要工作
频段是
100kHz-500kHz
，
通常用
的工作频率是
125kHz
和<
/p>
134.2kHz
两种；
高频
RFID
系统主要工作频段是
10MHz-15M
Hz
，
比
较常用的工作频率是
13.56MHz
；超高频
RFID
系统主要工作频段是
850MHz-960MHz
，比较
常用工作频率是
915MHz
；
微波
RFID
系统主要工作在
2.4GHz-5Ghz
频段。
具体情况见表<
/p>
1.1
[12]
：
表
1.1
不同频段的
RFID
系统详情
频率
识别距离
低频
125
< br>、
134.2kHz
<60cm
高频
13.56MHz
约
60cm
1.
比低频成
本低
2.
适合短距
离识别以及
多重标识的<
/p>
应用
无源型
低速
迟钝
大型
超高频
433.9MHz
50~100m
1.
适合长距
离识别
2.
实施跟
踪，但是
对
环境因素敏
感
无源型
微波
2.45GHz
860~960MHz
约
3.5m
（无源）
<1
m(
无源
)
100m
< br>（有源）
50m
（有源）
1.<
/p>
先进的
IC
技术，可以
< br>大规模生产
2.
多重标签
识别距
离和
性能突出
1.
特性与
900MHz
类似
2.
对环
境因
素较为敏感
一般特性
1.
比较高价
2.
受环境影
响小，性能
变化不大
运行方式
识别速度
环境影响
标签尺寸
无源型
无源型
/
有源型
有源型
/
无源型
高速
敏感
小型
1.3.2
RFID
系统中读写器收发隔离技术的重要程度
众所周知，<
/p>
RFID
系统中读写器和电子标签之间是用数字信号信息进行传输
和交换的，
射
频标签和读写器中的天线只能发射和接收模拟信号
，那么，首当其冲的就是要把数字信号变
换成模拟信号然后经天线发射出去。而在收发具
有相同频率的
RFID
系统中，读写器的发射
< br>信号和接收端的接收信号难免要产生同频互扰，此时读写器的抗干扰能力的强弱就对整个
< br>RFID
系统的使用质量就起着非常重要的影响。
读写器
的抗干扰能力具体体现在读写器的收发
隔离性能方面。因此，读写器天线的收发隔离性能
的好坏直接决定了整个
RFID
系统的运行
质量的好与坏，如果读写器天线的收发隔离性能较差，就会造成接收端接收到天线发射端的
< br>同频强信号，从而对信号接收机进行干扰，造成信号处理出现误码，对整个
RFI
D
系统的正
常使用产生了严重的危害
[13,14]
。
3
南京邮电大学硕士研究生学位论文
第一章
绪论
RFID
系统中至关重要的一部分就是读写器，它的结构图如下
1.2
所示，它的好坏将会对
整个
RFID
系统都产生一定影响。
常见的
RFID
系统中采用环行器作为收发隔离器来提升隔离
度，然而环行器是基于铁氧体制作而成的，成本高，体积大，隔离度较低，并不满足
< br>RFID
读写器的隔离度要求
[43-45]
。
图
1.2
读写器结构图
为了能够提升该器件的
隔离度，常见改进如：一种是改变天线自身的结构来提升隔离度
的性能
< br>[6-8]
；一种是提高天线前端馈电网络的隔离性能来提升系统收发隔离度
[16-18]
。而关于天
线结构的改变是
非常有限的，所以当今研究的重点都放在了馈电网络上。目前最流行的方法
是：采用
3dB
定向耦合器作为馈电网络产生两个同频、同功率、相位差为<
/p>
90
度的正交线极
化波，然后组成一个圆
极化波。这样，关于
3dB
定向耦合器的隔离度的研究就成为了
RFID
系统收发隔离度的关键
[19
,20]
。
1.4
本文的主要工作及内容安排
本文主要
工作是针对
RFID
系统的需求，研究如何改进提高定向耦合器
的隔离度指标，
在多种不同结构的传统定向耦合器中，
本文选择
了
3dB
微带分支线定向耦合器作为基本结构，
研究了通过在耦合端口添加一条短路微带线来改进隔离度指标的设计方案。根据该设计思路
本文首先在双分支微带线定向耦合器的基础上，通过数值仿真进行优化设计，成功地设计出
了一款高隔离度分支线定向耦合器。在此基础上又进行了实验样品的加工测试，并通过实际
测量验证了设计方案的正确性和可靠性。然后，本文又进一步将该设计思路应用于三分支定
向耦合器，结果表明采用三分支定向耦合器通过添加一条短路微带线可以获得更好的技术指
标，特别是工作带宽可以获得显著的改善。
本文具体章节安排如下：
第一章，主要从结构，工作原理等内容对
RFID
系统作了系统的描述，同时根据有内外
4
南京邮电大学硕士研究生学位论文
第一章
绪论
RFID
系统的背景和发展趋势对
RF
ID
系统的重要性进行详细的分析，
并对该结构中读写器收
发隔离度的重要性进行了分析。
第二章，
先简单说明了定向耦合器的主要特性，并着重描述了定向耦合器的相关原理，
并对定向耦
合器运用网络分析；再对当今经常运用的几种定向耦合器分别作了简介；重点对
3dB<
/p>
双分支定向耦合器作了介绍，运用奇偶模分析法对其基本结构进行了电路分析；最后用
ADS
仿真了一个中心频率为
915MHz
的
3dB
双分支线型定向耦合器，同时
给出仿真结果。
第三章，
先设计出了
一种耦合度为
3dB
的双分支定向耦合器并将其进行建模优化。
其次，
重点研究展示了一款微带短路分支线定向耦合器，并对此
结构进行
HFSS
建模仿真，同时对
此
微带短路分支线定向耦合器的参数进行分析及优化，得出短路分支线对定向耦合器隔离度
性能的提高。
最后对优化后的短路分支线
3dB
定向耦合器和传统的双分支
3dB
定向耦合器进
行分析对比，由分析结果可知短路分支线定向耦合器的各项性能都比传统的双分支线定向耦
合器有了较大的提升。
第四章，本章主要
是将前一章设计的微带短路分支线定向耦合器加工成实物，并用适量
网络分析仪对其性能
进行测量分析；将测量结果与此前仿真结果进行分析对比，得出实物的
测试性能与仿真结
果大致相同，并对此次实物的测量值和仿真值的误差进行了简要分析，并
得出结论。
第五章，在第四章的基础上，为了更好的提高耦合器的隔离度和工
作带宽，提出了一种
常见的方法：增加耦合路径，并设计一款
3
dB
微带三分支线定性耦合器，仿真后验证了作者
的猜想。将第
三章提高隔离度的方法运用到三分支定向耦合器研究出一款改进型的定向耦合
器：
3dB
微带短路三分支线型定向耦合器，对该耦合器作了重点建模和结
果分析，并将微带
短路三分支线定向耦合器和短路双分支线定向耦合器进行比较，发现此
耦合器所有性能参数
都能够提高很多。
第六章，对本文主要研究工作的内容总结，并对过程中出现的问题作了分析，最后对下
一步工作提出展望。
5
南京邮电大学硕士研究生学位论文
第二章
定向耦合器基本原理
第二章
定向耦合器基本原理
2.1
定向耦合器工作原理
2.1.1
定向耦合器基本特性
定向耦合器是一
种无源微波器件，其功能是功率组合分配或功率组合，如下
2.1
所示。
定向耦合器可使一路输入信号
P
1
变成具备一定比例关系的两路小功率的信号
P
2
和
P
3
< br>，同样
也可以将具备一定比例关系的两路功率较小的信号
P
2
和
P
3<
/p>
汇合成一路信号
P
1
输出
[8]
。
< br>P
1
P
2
?
?
P
耦合器或者
< br>分配器
P
1
?
< br>P
2
?
P
3
P
2
耦合器或者
< br>分配器
P
3
< br>P
3
?
(1
?
?
)
P
1
图
2.1
耦合器示意图
定向耦合器在微波系统
领域的应用非常广泛，比如调制器、混频器及天线中信号合成与
信号分离都有涉及。它既
可是如图
2.1
所示的无耗的或者有耗的三端口器件，也可以是
四端
口或者多端口网络。经常运用的有三端口和四端口结构。三端口网络比较常见如
T
型结或其
他功率分配器形式，而四端口网
络一般常见的是定向耦合器及混合网络结构
[46]
。
1
定向耦合器
4
图
2.2
定向耦合器平面示意图
2
3
定向耦
合器如上图
2.2
，上图中
1-2
和
4-3
分别是两根普通的线，而这两根线
间包含一定
的耦合机制，若信号能量经过
1
端口输入，由耦合器的功率分配比可知，一些信号能量从端
口
2
输出，而另一部分被耦合到了
4-3
传输线中，并从
3
端口或
4
端口输出。如若
3
端口是
信号输出端口，那么端口
4
则是隔离端口，称作“同向定向耦
合器”
，因其信号在
1-2
及
4-3
传输线上同向传输；同理，当信号由端口
4
输出，且端口
3
没有信号输出时，那
么称作“反
向定向耦合器”
。
以耦合方
式可归分为单孔耦合、
连续耦合、
多孔耦合、
< br>支线耦合、
环耦合等；
o
o
90<
/p>
180
以输出相位可以归划成
定向耦合器
和
定向耦合器等
[2]
。
6
南京邮电大学硕士研究生学位论文
第二章
定向耦合器基本原理
2.1.2
定向耦合器理论分析
分析四端口网络
，若设网络是互易并且各个端口都匹配
[21]
，那么
S
矩阵就为：
?
0
?
S
[
S
]
?
?
12
?
S
13
?
?
?
S
< br>14
S
12
0
S
23
S
24
S
13
S
23
0
S
34
S
14
?
?
S
24
?
S
34
?
?
0
?
?
(2.1)
当网络是无耗的，使矩阵中的第一行和第二行以及
第三行和第四行进行乘法运算：
*
*
S
S
?
S
S
24
?
0
(2.2)
13
23
14
*
*
S
S
?
S
S
23
?
0
(2.3)
14
13
24
现以
S<
/p>
24
*
乘式
(2
.2)
，以
S
13
*
乘式
(2.3)
，并用二者所得
答案进行减法运算，得出
*
S
14<
/p>
(
S
13
?
S
24
)
?
0
2
2
(2.4)
同样由矩阵第一行和第三行及第二行和第四行展开乘法运算得：
*
*
S
S
?
S
12
23
1
4
S
34
?
0
(2.5)
*
*
S
S
?
S
S
23
?
0
(2.6)
14
12
34
现以
S<
/p>
12
乘式
(2
.5)
，以
S
34
乘式
(2.6)
，并用二者所得结果进行减法运算，得到<
/p>
S
23
(
S
12
?
S
34
)
?
0
2
2
(2.7)
同时满足式
(2.4)
和式
(2.7)
时的情况是：假设
S
14
=S
23
=0
，此时结果四端口网络则为定向耦<
/p>
合器。则其
[S]
矩阵变为：
?
0
S
12
S
13
0
?
?
?
S
0
0
S
24
?
S
?
?
12
(2.8)
?
S
13
0
?
0
S
34
?
?
0
S
S
0<
/p>
24
34
?
?<
/p>
然后，将所得幺正矩阵的每一行进行自乘，能够得到以下关系式：
?
1
(2.9)
（
S
12<
/p>
?
S
13
）
2
2
(
S
12
?
S
24
)
?
1
(2.10)
(
S
13
?
S
34
)
?
1
(2.11)
(
S
24
?
S
34
)
?
1
(2.12)
由式
(2.9)
和
(2.10)
可得：
S
13
?
S
24
，同样的也可由式
(2.11)
和
(2.12)
得：
S
< br>12
?
S
34
< br>。
2
2
2
2
2
2
7
南京邮电大学硕士研究生学位论文
第二章
定向耦合器基本原理
假设其中三个端
口输出信号的幅度值和相位值，可将上面方程做进一步简化。假设
S
12
?
S
34
?
?
,
S
13
?
?
e
j
?
和
S
24<
/p>
?
?
e
j
?
，其中
?
和
?
是实数、
?
和
?
则是待求的相位常数。
把式
(2.8)
的第二行与第三行进行乘积运算得：
*
*
S
12<
/p>
S
13
?
S
24
S
34
?
0
(2.13)
将
< br>S
12
?
S
34
?
?
，
S
13
?
?
e
j
?
和
S<
/p>
24
?
?
e
j
?
带入上式可得
??
(
e
j
?
?
e
?
j
?
)
?
0
(2.14)
从而可得出待求的相
位常数
?
，
?
两者存在和的等式：
?
?
?
?
?
?
2
n
?
(2.15)
倘若略去
2
?
的整数倍，
在实际应用中应据相位常数关系的不
同，
能得到两种定向耦合器
的形式：
1)
对称耦合器：
< br>?
?
?
?
?
/2
，如果含有实数
?
的所有项的相位相等。则矩阵就变成了以
下形式：
0
S
?
?
0
0
j
?
j
?
0
0
0
< br>j
?
?
j
?
0
?
0
(2.16)
?
2)
反对
称耦合器：
?
?
?
，如果振幅
?
的所有项的相位差为
180
度。则矩阵就变成了下
式：
0
S
?
?
0
0
?
0
0
0
?
?
?
?
0
< br>?
0
(2.17)
?
?
?
特别留
意，此两类耦合器的唯一的不同就是参考平面的选取不同。此外，振幅
?
和
?
应
满足式
(2.9)
，则有：
?
2
?
?
2
?
1
(2.18)
符合式
(2.4)
和式
(2.7)
还有另外一类方法：假设<
/p>
S
13
?
S
24
和
S
12
?
S
34
。使用相
同的办法，
如果选择相位参考点，使
S
13
?
S
24
?
?
和
S
12
?
S
34
?<
/p>
j
?
（满足式（
2.15
）
）
，则由式（
2.2
）可得：
8
南京邮电大学硕士研究生学位论文
第二章
定向耦合器基本原理
?
(
S
23
?
S
14
?
)
< br>?
0
；由式（
2.5
）可得：
?
(
S
14
?
?
S
23
)
?
0
。联立两个式子得出两个方程的解：一
个是
S
14
?
S
23
?
0
，这就与之前定向耦合器的答案相等；另
一个解是当
?
?
?
?
0
时，意味着
S
12
?
S
13
?
S
24
?
< br>S
34
?
0
。则就成了两个去耦合二端口网络的情况（端口
1
与端口<
/p>
4
，端口
2
与<
/p>
端口
3
）
，对此
不再做进一步讨论。基于以上推导，可以得到以下结论：只要任意四端口网络
可以使得互
易、无耗、匹配这三个条件成立则就是一个定向耦合器
[22]
。
2.1.3
定向耦合器的技术指标
如下
2.3
描述了定向耦合器的功率传输流
图，结合上述公式推导，若端口
1
输入功率时，
一部分能量耦合至端口
3
即耦合端口，另一部分能量传
送至端口
2
即直通端口。在没有泄漏
信
号的定向耦合器中，无能量于端口
4
（隔离端口）输出。
图
2.3
定向耦合器的功率流图
用端口
1
输入情况分别列出了定向耦合器的常用参数指标的定义。
（
1
）耦合度：当每个端口都端接匹配负载时，输入端口
1
的输入功率
P
1
除以耦合端口
3
的输出功率
P
3
的值。
耦合度一般简记为
C
，并以
dB
单位，即<
/p>
<
/p>
C
(
dB
)
?
10
lg
P
1
?
?
20
lg
?
(2.19)
P
< br>3
按式
(2.19)
的定义，<
/p>
耦合度是
3dB
的定向耦合器的耦合端口
输出功率是输入端口输入功率
的二分之一，耦合度为
10dB<
/p>
的定向耦合器的耦合端输出功率是其输入端口输入功率的
1/10
。
由此可见，耦合度的值低，则耦合能力强。定向耦合器耦合度
并不是越低就越好，而是要根
据实际情况来决定
[23]
。
（
2
）隔离度：隔离端口的功率除以输入端口的功率。
9
南京邮电大学硕士研究生学位论文
第二章
定向耦合器基本原理
通常隔
离度为
I
，并以
dB
< br>为单位，即
I
(
dB
)
?
10
lg
P
1
?
?
20
lg
S
14
(2.20)
P
4
< br>隔离度是用来表明信号能量由隔离端口
4
输出状况的参量
。理想中定向耦合器的隔离度
应当是趋于无穷大
I
?
?
，而在实际工程应用中是无法实现端口
4
的完全隔离，这就要求工
程设计中定向耦合器
的隔离度值尽量更高，那么定向耦合器就可以有较好的整体性能。
（
3
）方向性：
当定向耦合器的所
有端口都处于无反射时，
定向耦合器的耦合端
3
输出功
率和泄露到隔离端
4
信
号功率之比。
通常方向性为
D
，并以
dB
为单位，即
D
(
dB<
/p>
)
?
10
lg<
/p>
P
3
?
(2.21)
?
20
lg
P
4
S
< br>14
理论上，定向耦合器泄露到位于端口
4
信号的功率趋向于
0
，方向性应该等于无限大。
D
?
?
。不过在实
际情况下，定向耦合器的隔离端口并非完全没有能量流出，端口的不完全
匹配、耦合线的
不连续性和容差都会使得少部分能量从隔离端口流出。所以方向性是不能实
现其值是无限
大的。
方向性，耦合度和隔离度存在一定的联系，隔离度在数
值上等于耦合度与方向性相加，
即：
I
(
dB
)
?
D
?
C
(2.22)
< br>（
4
）输入驻波比：当
2
，
3
，
4
这三个端口都端接匹配负载时端口
1
的电压驻波比
。
通常记为
VSWR
，即
?
?
1
?
S
11
(2.23)
1
?
< br>S
11
（
5
）频带宽度：当定向耦合器的耦合度、方向性、隔离度及输入电压驻波比同时满足相
应指标要求时。耦合器的工作带宽。
2.2
常见定向耦合器的介绍
常见的定向耦
合器主要有：平行耦合线定向耦合器，波导定向耦合器，分支线定向耦合
器，环行定向耦
合器等。
10
南京邮电大学硕士研究生学位论文
第二章
定向耦合器基本原理
2.2.1
平行耦合线定向耦合器
若两根没有屏
蔽的传输线相距一定距离时，两根线之间会存在电磁耦合的效应，将一根
传输线上的能量
耦合到另一根传输线上，通过根据耦合的电磁能量来设计特定耦合度的平行
耦合线定向耦
合器。
1
3
主线
2
副线
图
2.4
平行耦合线定向耦合器
4
众所周知，
TEM
波传输线定向耦合器最显而易见的耦合器就是平行耦合线定向耦合器。
图
2.4
给出了一节四分之一波长平行耦合线定
向耦合器的平面示意图，该耦合器由两个宽度
一样的耦合传输线组成，
< br>此耦合线的大小是四分之一中心频率处波长，
各端都接匹配负载
< br>Z
0
。
实际运用中，一般用微带
线或是带状线来构成这种平行耦合线定向耦合器
[23]
。
表
2.1
耦合器各端口间相位存在关系图
2.2.2
波导定向耦合器
（
1
）
倍兹孔定向耦合器
现今的定向耦合器
的工作特点皆是由两个分开的波存在一定的耦合机制在耦合端口相位
叠加，同时在隔离端
口产生相位相消原理。最简单的耦合器就是在两个波导公共宽壁上开一
个小孔，
经过此小孔耦合电磁波从一个波导传输至另一个波导，
这种耦合器就是倍
兹孔
（
Bethe
hole
）定向耦合器。此定向耦合器存在两类不一样的应用：平行波导和斜交波导。如图
2.5
所
示：
11
南京邮电大学硕士研究生学位论文
第二章
定向耦合器基本原理
(a)
(b)
图
2.5
倍兹孔定向耦合器的两种结构
通过小
孔理论知道，利用电荷磁耦极矩构成的等效源可以来替换一个耦合孔
[24]
。其中，
横向磁耦极矩在耦合波导中的幅射表现为奇对称关系，法向的电偶
极矩与轴向的磁耦极矩的
能量辐射呈现对称关系。可以改变这两个等效源的振幅大小使辐
射到隔离端口的电磁相消，
从而加强了辐射到耦合端口的电磁波。
对于图
2.5(a)
的平行波导定向耦合器，
其中两个波导尺
寸相同且平行的，具体控制输出端口波振幅的方法是改变耦合孔
与公共波导的距离；而对于
图
2.4(b)
的斜交波定向耦合器，它控制输出端口波振幅的方法跟平行波导有所区别，它通过
改
变两个斜交波导之间的夹角来控制振幅。
（
2
）
多孔定向耦合器
单孔耦合器结构虽然
简单，但它的缺点是工作带宽非常的窄。为了满足宽带宽的要求，
一种提高工作带宽的方
法就是在耦合器的公共窄壁上添加一些耦合孔，利用这些耦合控之间
的相位叠加原理可以
一定程度上改善工作带宽。
12
南京邮电大学硕士研究生学位论文
第二章
定向耦合器基本原理
4
2
3
1
图
2.6
双孔定向耦合器立体示意图
如上图<
/p>
2.6
所示，最简单的波导多孔定向耦合器是只含两个孔的双孔定
向耦合器，两孔
之间的距离为四分之一波导波长。若有信号经端口
1
输入，在主波导中就有
H
10
波传输，鉴
于
H
1
0
波在窄壁上只有纵向磁场分量，因此通过每个孔都只有一种耦合波，倘若要在副波导<
/p>
中形成定向耦合，至少需要开两个孔
[23]
。
为了拓展波导定向耦合器的工作带宽，可以从降低耦合
器方向性对频率的敏感性出发，
比如增加耦合孔的数量，这就是形成了多孔定向耦合器<
/p>
[13]
。在多孔定向耦合器结构中，
N
个
耦合孔会激励起
N
< br>个正向波和
N
个反向波，通过调整耦合孔间距来使得叠加
这
N
个反向波
从而相抵消。耦合孔越多
，反向波相消可能性就越大，如此一来耦合器性能对中心频率的依
赖性越小，从而可以使
得定向耦合器在更宽的频率周围内保持较好的方向性与隔离性。所以
多孔定向耦合器拥有
较大工作带宽。
2.2.3
分支线定向耦合器
众所周知两根平行
的传输线就可以组成分支线定向耦合器，并分为主副通道，主副通道
利用两个或多个支线
来建立耦合机制的定向耦合器。以双分支定向耦合器为例，其中各分支
线的长度和分支线
之间的间距都是
1/4
波导波长
[25
]
，其结构示意图如下
2.7
：
13
南京邮电大学硕士研究生学位论文
第二章
定向耦合器基本原理
1
4
A
B
2
< br>3
D
C
图
2.7
双分支线定向耦合器平面图
分支线定
向耦合器的基本特性可以这样描述：当这四个端口都端接匹配负载时，输入的
信号经
1
端口等分地传输到
2
端口和
3
端口，
并在这两个端口间
存在着
90
度相差，
同时
4
端
口则被隔离。注意，分支线定向耦合器具有很高
的对称性，四个端口都可设为输入端口，那
么输出端口一定是位于该网络输入端口的不在
一侧对称的一
边，输入端一侧剩下的那一个端
口就是隔离端口。
假设信号经
1
端口输入，
那么该信号经
A
点到
D
点有两个方式：
一是由
A
直接到
D
< br>，
波
程为
1/4
波长；二是沿着
A
到
B
到
C
然后传输到
D<
/p>
，总波程为四分之三波长
[23]
。明显
可以看
出沿着两条不同路径传输到
D
点
的两路波的波程之间差是二分之一波长，而与此对应的相位
差为
π
。假如通过选取每一段传输线的特性导纳，使得此两路波的电压振幅相等，那么两者<
/p>
相消，则
4
端口即为隔离端口。总之，当
1
端口进入信号时，
2
端口则是直通端，
3
端口则是
耦合端，
4
端口则是隔离端。
2.2.3
环形定向耦合器
环形定向耦合器实则为一种
180
度混合网络
制成的耦合器，
180
度混合网络是一种四端
< br>口网络，其两个输出端口之间存在
180
度相移。环形定
向耦合器，如下图
2.8
所画，由一个
闭合圆环微带线与四根传输线链接而成，其中，圆环微带线周长是三分之二个波导波长，特
性阻抗大约为
1.414Z
0
，圆环
周围
4
根传输线的特性阻抗为
Z
0
，
1
端口到
2
、
3
端口间距和<
/p>
3
端口到
4
端口
间距均为四分之一波导波长，
2
端口到
4
端口间距为
3/4
个波导波长。
当有信号
入射到
1
端口时，
且另外三个端口都端接匹配负责时，
则在
2
端口和
3
端口输出等功率
输出，
4
端口被隔离
[22]
。
14
南京邮电大学硕士研究生学位论文
第二章
定向耦合器基本原理
2
1
3
4
图
2.8
环形定向耦合器的平面示意图
2.3
3dB
微带分支线定向耦合器理论分析
由
2.2.3
节对分支线定向耦合器的
介绍可以知道，
这种分支线混合网络直通和耦合壁之间
有着
90
度的输出差。根据第二节对于定向耦合器的基础分析，可以知道
微带
3dB
分支线定
向耦合器
[S]
矩阵形式如下：
?
0
j
1
0
?
?
?
?
1
?
j
0
0
1
?
S
?
(2.24)
< br>2
?
1
0
0
j
?
?
?
0
1
j
0
?
?
分支线定向耦合器通常要做成微带线结
构，如下
2.9
所示为微带双分支线定向耦合器的
结构：
输入
1
直通
2
隔离
4
耦合
3
图
2.9
双分支线微带定向耦合器平面结构图
下面重点采用奇偶模分析法对
3dB
双分支线微带定向耦合器进
行详细分解
[22]
。
首先画出图
2.10
的归一化双分支微带线定向耦合
器的电路图。图中每根线都是一条传输
线，线上表示的阻抗值是用
Z
0
归一化的值。若假定端口
1
的输入电磁波的振幅
A
1
< br>=1
。
15
南京邮电大学硕士研究生学位论文
第二章
定向耦合器基本原理
图
2.10
双分支线定向耦合器归一化形式电路图
可将图
2.10
所画的归一化定向耦合器电路图分为奇模激励
与偶模激励的相互叠加
[23]
，
如<
/p>
下图
2.12
。鉴于此图为线性的，再现
实的电路中输出的散射波可以由奇、偶模激励叠加相应
获得。
对称线
I=0,V=MAX
(a)
开路线（隔离端口）
对称线
V=0,I=MAX
(b)
短路线（隔离端口）
图
2.11
双分支微带线定向耦合器
分解为：
(a)
偶模
(e)
；
(b)
奇模
(o) <
/p>
根据激励的对称与反对称的特性，该网络可以分为两个不存在耦合的二端口网络，此二
端口网络分别是图
2.11(a)
与
(b)
。
上面两个网络的端口输入波振幅为<
/p>
1+1/2
或
1-1/2
，
由此可以
16
南京邮电大学硕士研究生学位论文
第二章
定向耦合器基本原理
得到耦合器的每个端口处的输出波振幅分别可写为：
B
1
?
1
1
?
e
?
?
0
(2.25)
< br>2
2
1
1
?
e
?
?
0
(2.26)
2
2
< br>1
1
?
e
?
?
0
(2.27)
2
< br>2
1
1
?
e
?
?
0
(2.28)
2
2
B
2
?
B
3
?
B
4
?
式中
?
e
，
?
0
和
?
e
，
?
0
的值分别是偶模与奇模
的反射系数及传输系数。首先分析偶模二
端口网络
2.11(a
)
，
该结构系统中的
ABCD
矩阵可以通过此结构中每个级联器件的
ABCD
矩阵
乘积所得：
?
< br>A
?
?
C
?
0
?
1
0
?
?
B
?
?
?
?
?
?
D
?
e
?
j
1
?
< br>?
j
?
2
?
j
?
0
1
?
?
1
j
?
2
?
?
1
?
< br>?
?
?
?
?
?
j
1
j
?
1
2
?
?
?
?
0
?
?
?
(2.29)
上面表达式中的矩阵
都能够逐一利用查找常用的二端口电路
ABCD
矩阵表得到，<
/p>
并联开
路
?
/8
短截线的归一化导纳是
Y=jtan
?
l=j
。再通过查找二端口网络转换表，可以将
ABCD
矩
阵转换成对应的
S
矩阵，从而得到反射和传输系数。即：
?
e
?
S
11
?
A
?
B
?
C
?
D
?
0
(2.30)
A
< br>?
B
?
C
?
D
2
?
1
(2.31)
< br>?
A
?
B
?
C
?
D
2
?
e
?
S
21
?
以此类推，经过计算求得关于奇模二端口网络的
ABCD
矩阵表达式：
?
A
B
?
1
1
j
?
(
)
(2.32)
< br>?
?
2
j
1
?
C
D
?
o
因此，又可以得到它的反射系数
?<
/p>
0
和传输系数
?
0
:
?
o
?
S
11
?
0
(2.33)
?
o
< br>?
S
21
?
1
2
(1
?
j
)
(2.34)
< br>将式（
2.30
）
(2.31)
（
2.33
）
（
2.34
）分别带入（
2.25~2
.28
）
，就能得到以下结果：
17
南京邮电大学硕士研究生学位论文
第二章
定向耦合器基本原理
B
1
?
0
(1
端口
匹配，
无反射
)
（
2.35
）
B
2
?
?
j
B
3
?
?
1
-
90
?
相位移
)
（
2.36
）
2
(1
端口
到
2
端口功率减半，
2
(1<
/p>
端口到
3
端口功率减半，
-
180
?
相位移
)
（
2.37
）
B
4
?
0
(4
端口没有功率输出
)
（
2.38
）
得到的结果和式
(2.24)
的第一行
和第一列是一致的，
根据分支线定向耦合器的对称性可以
通过改
变输入端口来得到余下矩阵元素，表现在矩阵上就是通过互换矩阵元位置来得到。
2.4
本章小结
此章节通过讲述定向耦合器的工作原理，初步描述了该器件的特征。首先，通过说明定
向
耦合器的相关原理，分别由定向耦合器的特性，理论分析和技术指标这三个方面来描述了
耦合器；然后再通过常见定向耦合器的介绍，介绍了如平行耦合器、波导定向耦合器、分支
线定向耦合器和环形器；最后重点介绍了
3dB
双分支线微带
定向耦合器，并做了着重的理论
分析。
18
南京邮电大学硕士研究生学位论文
第三章
带短路支节双分支线定向耦合器设计
第三章
带短路支节双分支线定向耦合器设计
3.1
3dB
双分支线定向耦合器设计
3.1.1
3dB
< br>双分支线定向耦合器
ADS
仿真
依据前一章对双分支定向耦合器的分析，
可运用
ADS
软件设计一款工作频率为
915MHz
，
耦合度值是
3dB
的
双分支定向耦合器，如下图
3.1
所列，其中
< br>Z
0
=50
?
< br>。
图
3.1 3dB
双分支线定向耦合器
ADS
电路图
此电路图经过
ADS
仿真得到如图
3
.2
、
3.3
、
3.4
和
3.5
的关于
S
参数图及
2
，
3
端口的相
位差图和驻波比图。
< br>
-2.5
-3.0
-3.5<
/p>
-4.0
-4.5
m4
< br>m7
m4
freq=
916.0
MHz
dB(S(3,1))=-2.999
d
B
(
S
(
3
,
1
)
)
d
B
(
S<
/p>
(
2
,
1
)
)
-5.0
-5.
5
-6.0
-6.5
-7.0
-7.5
-8.0
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
1
.3
1.4
1.5
m7
freq=
916.0MHz
dB(S(2,1))=
-3.021
freq, GHz
图
3.2
仿真
S
21
和
S
31
参数图
19
南京邮电大学硕士研究生学位论文
第三章
带短路支节双分支线定向耦合器设计
0
-5
-10
-15
< br>-20
-25
-30
-35
-40
-45
-50
-55
0.5
0.6
0.7
0.8
m2
m3
m1<
/p>
freq=
916.0MHz
dB(S(
4,1))=-52.296
Min
m2
freq=
932.0MHz
dB(S(4,1))=-29
.069
m3
freq=
900.0M
Hz
dB(S(4,1))=-30.152
d
B
(
S
(
1
,
1
)
)
d
B
(
S<
/p>
(
4
,
1
)
)
m1
0.9
1.0
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
freq,
GHz
图
3.3
< br>仿真
S
11
和
< br>S
41
参数图
由图
3.2
和
3.3
的
S
参数结果图可知，
该
3dB
双分支线定向耦合器当
S
11
<-30dB
，
S
41
<-30dB
时的带宽约为<
/p>
32MHz
，在中心频率
915MHz<
/p>
处，
S
11
=S
41
=-58dB
，由此得出位于中心
频率处该
耦合器的回波损耗值最小是
-58dB
，隔离度的绝对值最大为
58dB
。同时，中心频率处
S
21
=S
3
1
=3dB,
说明此耦合器直通端口和耦合端口的功率大小相同
且都是输入功率值的一半。
100
5
0
p
h
a
s<
/p>
e
(
S
(
2
,
1
)
)
-
p
h
a
s
e
(
S
(
3
,
1
)
)
0
-5
0
-100
m5
freq=
916.0MHz
phase(S(2,1))-phase(S(3,1
))=-269.999
-150
-200
-250
m5
-300
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
f
req, GHz
图
3.4
端口
2
和端口
3
的相位差
20
南京邮电大学硕士研究生学位论文
第三章
带短路支节双分支线定向耦合器设计
4.5
4.0
(
1
+
a
b
s
(
S
(
1
,<
/p>
1
)
)
)
/
(
1
-
a
b
s
(
S
(
1
,
1
)
)
)
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.
6
m6
indep(m6)=
9.16
0E8
plot_vs((1+abs(S(1,1)))/(1-abs(S(1,1
))), freq)=1.005
m6
0.7
0.8
0.9
1.0
freq
, GHz
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
图
3.5
双分支定向耦合器
1
端口的电压驻波比
由图
3.4
和
3.5
< br>的相位差图和驻波比图可知，
2
和
3
两个端口间的相位差在一定带宽内都
是
90
度或
-270
度。中心频率处
端口
1
驻波比为
1
，并且在中心频率周围内驻波比值能保持较
小，表明该定向耦合器几乎无回波损耗。
3.1.2
微带线理论分析
微带线是一类当今最
常运用的传输线，由于其不仅可以和其他有源及无源器件集成同时
其制作也比较容易。微
带线的模型示于图
3.6(a)
，最底层是一层接地板，最上层
是宽度为
W
的导体薄片，中间是厚度为
d
、相对介电常数值是
?
r
的介质基板。其电力线和磁力线图如下
3.6(b)
所画。
(a)
21
南京邮电大学硕士研究生学位论文
第三章
带短路支节双分支线定向耦合器设计
(b)
图
3.6
微带传输线：
(a)
立体图
(b)
电力线和磁力线截面图
假设没有电介
质即介电常数为
1
，则可将这个传输线假设成一个由双线组成的
传输线，
其可由宽度大小为
W
、两个间
距为
2d
的平的带状导体构成
[22]
。
由于场线分别分布在电介质和空气
中，可以得到有效介电常数存在以下关系：
1<
?
e
<
?
< br>r
微带线的有效介电常数为：
?
e
=
?
r
?
1
2
?
?
1
?
1
2
< br>1
1
?
12
d
W
(3.1)
对于已知的微带线尺寸可根据已有公式求得其特征阻抗大小：
Z
0
?
?
d
6
0
8
W
?
l
n
?
?
?
< br>?
,
W
d
?
1
4
d
?
?
e
?
W
?
(3.2)
?
?
120
?
?
,
W
d
?
1
?
?
?
W<
/p>
d
?
1.393
?
0.667
ln
?
< br>W
d
?
1.444
?
?
?
?
< br>e
?
微带线的宽度
W
和厚度
d
两者的关系可以用特征阻抗
Z
0
< br>和介电常数
?
r
来表示：
?
?
W
?
?
?
d
?
2
[
B
?
1
?
l
n
B
(<
/p>
2
?
?
?
?
8
e
A
,
e
2
A
?
2
?
?
1
?
?
?
1
)
r
n
(<
/p>
?
?
B
l
?
2
?
r
?
?
W
d
?
2
(3.3)
?
0
.
6
1
?
1
)
?
0
.<
/p>
3
?
9
W
d
?
2
]
,
?
r
?
?
其中，
A
?
Z
0
60
?
r
?
1
2
377
?
?
?
r
?
1
?
0.11
?
0.23
?
?
?
(3.4)
?
r
?
1
?
?
r
?
B
?
2
Z
0
?
r
(3.5)
22
南京邮电大学硕士研究生学位论文
第三章
带短路支节双分支线定向耦合器设计
3.1.3
3dB
< br>双分支线定向耦合器建模与结果分析
由第二章图
2.7
分支线定向耦合器的平面图和上一节图
3.1
的
ADS
仿真图，在
HFSS
软
件中建立如下图
3.7
所画的
HFSS
解析图：
介质基板
接地板
图
3.7
双分支线定向耦合器的
HFSS
解析图
图
3.7
中该分支线耦合器的中心频率为
915MHz
，
可以由式
（
3.1~3.5
）
计算出每条微带线
的宽度。而微带线的长度可以由以下式子求出（相移为
90
度）
：
?
?
?
l
(3.6)
?
=
k
0
?
e
(3.7)
k
0
=
2
?
f
c
(3.8)
本文中选择介电常数
?<
/p>
r
=2.2
的
Rogers
RT
5880
的介质基板，其厚度大
小是
1mm
，微带
线特征阻抗分别是<
/p>
50
?
和
35.
4
?
。由上述数据可通过
Txline
等专业软件求得微带线的尺寸：
特征阻抗为
50
?
的微带线宽度为：
W
0
=3.07mm
，
90
度相移长度为：
L
0
=59.78mm
；特征阻抗
为
35.4
?
的微带线宽度为：
W<
/p>
1
=5mm
，
9
0
度相移长度为
L
1
< br>=58.9mm
。
由以上数据，
运用
HFSS
软件对其建模并仿真，得到以下结论：
23
南京邮电大学硕士研究生学位论文
第三章
带短路支节双分支线定向耦合器设计
图
3.8
双分支线定向耦合器
S
参数图
由图
3.8
双分支定向耦合器
S
参数结果图可知，位于中心频率
915MHz
处
S
11
=-24.20dB
< br>，
S
21
=-3.28dB
，
S
31
=-2.
87dB
，
S
41
=-24dB
。表明该耦合器位于中心频率的隔离度最低值是
-24dB
，
2
< br>、
3
两端口的输出功率大致相同（
S
21
=-3.28dB
，
S
31
=-2.87dB
）
，均近似为输入功率的一半。
图
3.9
双分支线定向耦合器的端口
2
和端口
3
的
相位图
由图
3.9
< br>耦合器端口
2
和端口
3
的相位图可知，
在中心频率处端口
2
的相位约为
-4.62
度，
端口
3
的相位约为
85.73
度，两者差值约为
90.35
度，并且两个端
口的相位图程线性关系，可
知相位差在中心频率左右范围内几乎维持
90
度上下。
24
南京邮电大学硕士研究生学位论文
第三章
带短路支节双分支线定向耦合器设计
图
3.10
双分支线定向耦合器端口
1
的电压驻波比
由图
3.10
图能够看出，端口
1
于中心频率处的电压驻波比为
1.134
，且在一定的频率范
围内均能保持驻波比低于
1.25
，由此得出结论耦合器的回波损耗较小。
上
述结果都是根据理论计算出来的理想数值，存在一定的精度误差，再对定向耦合器的
模型
参数进行优化，得到优化后的仿真参数为：
W
0
=3.07mm
，
L
0
=59.5mm
，
W
0
=5.4mm
，
L
< br>1
=58.9mm
。
图
3.11
优化后耦合器
S
参数图
由图
3.11
可知优化过后的耦合器的
S
参数有了明显的提高，
在中心频率处
S
11
=-41.10dB
，
S
21
=-2.96dB
，
S
31
=3.36d
B
，
S
41
=
-41.41dB
，从图中可以看出
|S
41
|>30dB
的工作带宽为
32
MHz
。
将优化后的
S
参数图与未优化的
S
参数图对比发现，隔离度有了很大
的提高。
25
南京邮电大学硕士研究生学位论文
第三章
带短路支节双分支线定向耦合器设计
图
3.12
优化后耦合器端口
2
和端口
3
相位图<
/p>
由图
3.12
可知在中心频率
915MHz
处端口
2
的相位为
87.05
度，端口
3
的相位
-2.57
度
，
所以端口
2
和端口
< br>3
的相位差为
89.62
度。<
/p>
图
3.13
优化后耦合器端口
1
输入电压驻波比图
由图
3.13
可知，端口
1
的输入电压驻波比值是
1.0178
更加接近
1
，表示耦合器
优化后的
损耗变得更小。总结图
3.11~3.13
，优化后耦合器的各种参数都有了很大的改善。
3.2
3dB
带短路支节双分支线定向耦合器设计
前一节通过建模仿真了
一款双分支线定向耦合器并对其优化前后的数据运用对比分析，
从中得出决定定向耦合器
整体性能的主要因素是其隔离度。为了能够提高其隔离度，有关文
26
南京邮电大学硕士研究生学位论文
第三章
带短路支节双分支线定向耦合器设计
献也提出了许多方法，如用集总原件来代替微带线，在定向耦合器的微带线上叠加介质等。
但隔离度都提高的不多。一种在平行耦合器的耦合端加入一条短路支节线的方法可以在很大
程度上提高其隔离度
[26]
。所以本文在双分支线定向耦
合器的耦合端加入一条短路支节线的方
法有很大的研究价值。
3.2.1
3dB
< br>带短路支节双分支线定向耦合器的工作原理
如下
3.14
所示，本文在传统双分支线定向耦合器的基础上，在
3
端口即耦合端加了一条
短路支节线，端口
1
作为信号的输入端口，端口
2
作为直通端接发射天线，不仅是信号的输
出端口同时也是标签反射信号的输
入端口，端口
4
为隔离端口。只有保持端口
4
的隔离度才
能使标签发射信号耦合到端口
4
时，不会和端口
1
的发射泄
露信号重叠在一起，从而精确提
取标签发射信号。
TX
端口
1
端口
2
ANT
PA
L
N
A
功率相消
端口<
/p>
3
端口
4
图
3.14
微带短路支节双分支线定向耦合器
RX
在微带双分支线定向耦合器的<
/p>
3
端口即耦合端口加一条微带短路支节线后，端口
1
的信
号耦合到端口
3
时，会有一部分耦合信号经过短路线后发射回端口
4
< br>。这部分反射耦合功率
信号反射回端口
4
时会遇到端口
1
泄露到
4
端口的发射信号，当这两种信号功率相同，信号
相反时，就会出现功
率相消的现象，使得端口
4
的隔离度接近为
0
，从而保证了无发射信号
能量由端口
4
泄露输出。
通过改变微带短路支节线的长度可以来改变该
端口的反射信号相位，
改变微带短路支节线的宽度来改变反射信号的功率，这样就可以产
生功率相消，继而提升定
向耦合器的隔离度大小
[27]
。
普通的微带线定向耦合器的
S
矩阵如下
(3.9)
所列
：
27
南京邮电大学硕士研究生学位论文
第三章
带短路支节双分支线定向耦合器设计
?
b
1
?
?<
/p>
0
T
C
I
?
?
a
1
?
?
?
?
?
?
?
T
0
I
C
?
?
a
2
?
?<
/p>
b
2
?
?
?
?
?
(3.9)
?
?
?
C
I
0
T
?
a
3
?<
/p>
b
3
?
?
?
?
?
?
b
?
?
?
I
C
T
0
?
?
?
4
?
?
a
4
?<
/p>
式中
b
1
，
b
2
，
b
3
，
b
4
分别表示
1
，
2
，
3
，
4
端口的反射波，
a
1
，
a
2
，
a
3
，
a
4
分别表示
1
，
2
，
3
，
4
< br>端口的入射波。
I
，
C
，
T
分别表示隔离，耦合和直通因子。
而微带短路支节分支线定向耦合器的
3
端口即耦合端口有着如下关系：
a
3
?
?
b
3
(3.10)
把式
(3.10)
代入
(3.9)
，
微带短路支节线分支线定向耦合器的
S
参数可以用一个矩阵的形
式
来表达，如下
(3.11)
所列：<
/p>
?
b
1
?
?
C
2
?
T
?
C
??
1
?
C
< br>??
?
?
?
?
?
?
b
2
?
?
?
T
?
C
??
I
2
?
C
?
T
??
?
< br>2
?
b
?
?
1
?
C
?
?
C
?
T
??
T
?
?
?
?
4
?
?
升，所以端口
3
的反射系数可以表示为式
(3.12)
，
?
a
1
?
?
?
?
a
2
?
(3.11)
?
a
< br>?
?
4
?
从上式中分析可以看出，只有参数
S
41
即
1+C
??
为
< br>0
，才能达到定向耦合器隔离度的提
1
< br>TC
）
?
=
-
（
(3.12)
< br>根据传输线理论可以得到：反射系数
?
为
V
0
?
Z
?
Z
0
?
=
?
?
in
(3.13)
< br>Z
in
?
Z
0
V
0
输入阻抗为：
Z
in
?
Z
1
R
L
?
jZ
1
tan
?
a
(3.14)
< br>Z
1
?
jR
L
tan
?
a
端口
1
泄露至端口
4
的信号和端口
1
耦合至端口
3
信号的相位相差为四分之一波长，如
果想使得端口
3
的反射信号和端口
1
泄
露到端口
4
的信号的相位正好相反，即相位相差二分
之波长，则微带短路支节线的长度应大约为四分之波长。
根据上述分析，为了使微带线定向耦合器的各项性能指标能达到更好，在
3
端口处添加
一条微带短路支节线，使得端口
3
的耦合信号能量经过微带短路支节线反射回
4
端口，当此
信号和端口
1
信号
泄露到
4
端口的信号功率相等且相位相反，从而出现了功率相消
的现象
[26-27]
。
28
南京邮电大学硕士研究生学位论文
第三章
带短路支节双分支线定向耦合器设计
3.2.2
3dB
< br>带短路支节双分支线定向耦合器建模与仿真
通过前面的
分析证明了带短路支节双分支线定向耦合器的可行性和有效性，下面重点介
绍
3dB
带短路支节双分支线定向耦合器于
HFSS
软件中的建模与仿真。
如图
3.15
为
HFSS
中
微带短路支节双分支线定向耦合器的
HFSS
模型图。用介电常
数
?
r
=2.2
，介质厚度
h=1mm
的
Rogers RT
5880
板材为耦合器的介质基板。
介质基板
接地板
图
3.15
微带短路支节双分支线定
向耦合器的
HFSS
模型图
运用
Txline
等相关软件可以求出每条微带
线的尺寸：特征阻抗为
Z
0
=50
?
的微带线尺寸
为：
W
0
=3.07mm
，
L
0
=59.78mm
；特
征阻抗为
Z1=Z0/
2
=35.4<
/p>
?
微带线的尺寸为：
W
< br>1
=5mm
，
L
1
=58.9mm
；最后考虑微带短路支节线的尺寸，
由上一节的分析可知，微带线长度长度近似
为四分之波长，所以假设
L
2
=59mm
，考虑到微带线宽
度的改变可以调整端口
3
反射功率，假
设
W
2
=1mm
，并且假设此微带短路支节线和特征阻抗大小是
Z
0
=50
?
的微带线的距离为四分
之一波长的一半即八分之一波长，所以假设
L
p
=30mm
。
根据
以上数据对
3dB
微带短路支节分支线定向耦合器建立
HFSS
结构并仿真，该结构仿
真结果如下：<
/p>
29
南京邮电大学硕士研究生学位论文
第三章
带短路支节双分支线定向耦合器设计
图
3.16
微带短路支节双分支线定向耦合器
HFSS
结构
S
参数图
从图
3.16
可以看出此微带短路支节双分支线定向耦合器的中心频率为
908MHz
，与理论
值
915MHz
有稍许误差；观察到在中心频率处
|S
11
|=24.60dB
，
< br>|S
21
|=3.19dB
，<
/p>
|S
31
|=2.93dB
，
|S
31
|=30.14
dB
。得出中心频率处的隔离度绝对值是
30.14dB
，直通端和耦合端的输出功率大致
相同，近似是输入功率的二分之一。
图
3.17
微带短路支节双分支线定
向耦合器端口
2
和端口
3
相位差
30
-
-
-
-
-
-
-
-
-
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