宽带带状线定向耦合器的设计

论文摘要

现代电子对抗系统、测量仪器系统以及其他微波系统覆盖了越来越宽的频带,这种趋势对各种微波器件提出了宽频带的要求。作为微波系统中广泛应用的定向耦合器也受到了这方面的挑战,所以研制宽带乃至超宽带定向耦合器具有迫切的现实意义。定向耦合器可以有很多种实现方式,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,本文利用了带状线来实现定向耦合器。本文比较详细的阐述了两种宽带带状线定向耦合器的设计方法,其频率带宽分别为2～18GHz和0.5～18.5GHz,耦合度分别为-20dB和-10dB。对前一种宽带耦合器采用了非对称多节侧边耦合带状线技术,对后一种采用了非对称渐变偏置耦合带状线技术。两种宽带带状线耦合器的基础都是单节耦合带状线,而单节耦合带状线又是构建在带状线基础上的,所以本文首先详细的阐述了带状线的各种性质。由于带状线传输的TEM模,本文特别关注了带状线的TEM特性。分析耦合带状线的主要方法是奇偶模法。本文根据奇偶模法分析了三种常用的耦合带状线,分别为侧边耦合、宽边耦合和偏置耦合带状线。对于这三种结构,奇偶模阻抗的求解是最重要的问题,因为奇偶模阻抗决定了耦合器的尺寸参数。对于宽带耦合器,其奇偶模阻抗的求解是一个比较复杂的过程,也是设计的难点所在。所以本文在讨论两种宽带带状线定向耦合器的设计方法时,将重心放在了奇偶模阻抗求解上。对于非对称多节耦合传输线,其分析方法的基础依然是奇偶模法。将多节耦合传输线等效为多节阶梯阻抗滤波器的级联,根据微波网络理论就能得到多节耦合线的衰减函数LA和反射系数Γ。为了实现等波纹变换,选择使衰减函数或反射系数为切比雪夫多项式,并引入理查德变换,就可以对切比雪夫多项式形式的反射系数Γ求解,利用解出的根即可得到相应的偶模阻抗。在第四章将看到这是一个复杂的综合过程,须借助计算机来完成。本文选择了侧边耦合来实现2～18GHz、耦合度为20dB的宽带带状线定向耦合器。标量网络分析仪的测试结果表明,利用多节耦合线设计的耦合器能够在宽频带范围内满足需要的技术指标。为了进一步拓展带宽,就需要采用渐变耦合线技术。渐变耦合线的核心方法是在渐变线上取很小的一段耦合线,将其看作平行耦合线,利用积分的方法得到相应的耦合响应曲线,这个积分恰好是一傅里叶变换,对其求傅里叶反变换就能得到对应的耦合系数表达式k（x）,进而求得相应的奇偶模阻抗。但耦合响应往往是很复杂的函数,直接求解其傅里叶反变换很困难,所以多用多项式逼近的方法得到耦合系数k（x）。我们采用了高通切比雪夫形式的渐变耦合线技术,设计了0.5～18.5GHz、耦合度为10dB的宽带带状线定向耦合器。矢量网络分析仪的测试结果表明,利用渐变耦合线设计的耦合器能够在宽频带范围内满足需要的技术指标。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 定向耦合器的基本概念及其应用
• 1.1.1 小孔耦合理论
• 1.1.2 平行耦合
• 1.2 带状线定向耦合器的发展现状
• 1.2.1 Cohn等人的开拓性工作
• 1.2.2 多节传输线定向耦合器
• 1.2.3 偏置带状线定向耦合器
• 1.2.4 渐变线定向耦合器
• 1.2.5 用微波CAD软件帮助设计定向耦合器
• 1.3 宽带带状线定向耦合器的研究意义
• 1.4 定向耦合器的主要技术指标
• 1.4.1 耦合度C
• 1.4.2 方向性D
• 1.4.3 隔离度I
• 1.4.4 插损IL
• 1.4.5 VSWR
• 1.4.6 带宽的各种定义
• 1.5 本论文的主要工作
• 第二章 带状线的基本特性
• 2.1 引言
• 2.2 带状线的基本结构
• 2.3 带状线的TEM特性
• 2.3.1 相速度、传播常数和波导波长
• 2.3.2 特性阻抗
• 2.3.2.1 导体厚度为零的带状线特性阻抗
• 2.3.2.2 导体为有限厚度的带状线特性阻抗
• 2.3.3 衰减常数α和Q值
• 2.3.3.1 衰减常数α
• 2.3.3.2 Q值
• 2.4 带状线的功率容量
• 2.4.1 峰值功率容量
• 2.4.2 连续波功率容量
• 2.4.2.1 从功率的角度来考虑
• 2.4.2.2 从温度的角度来考虑
• 2.5 带状线的尺寸选择以及最高工作频率
• 2.5.1 带状线的尺寸选择
• 2.5.2 带状线的最高工作频率
• 第三章 耦合带状线与设计实例
• 3.1 引言
• 3.2 零厚度与有限厚度导体带
• 3.3 耦合线的一般理论与奇偶模分析法
• 3.3.1 耦合线的概念
• 3.3.2 耦合传输线的奇偶模法
• 3.4 耦合传输线方程与奇偶模阻抗
• 3.4.1 耦合传输线方程
• 3.4.2 耦合线的奇偶模阻抗
• 0o'>3.4.2.1 奇模阻抗Z_0o
• 0e'>3.4.2.2 偶模阻抗Z_0e
• 3.4.3 带状线的奇偶模阻抗
• 3.5 侧边耦合带状线的特性
• 3.5.1 侧边耦合带状线的分析
• 3.5.2 侧边耦合带状线的综合
• 3.6 宽边耦合带状线的特性
• 3.6.1 宽边耦合带状线的分析
• 3.6.2 宽边耦合带状线的综合
• 3.7 偏置耦合带状线的特性
• 3.7.1 紧耦合的设计公式
• 3.7.2 松耦合的设计公式
• 3.8 宽边带状线耦合器的设计实例
• 3.8.1 计算奇偶模阻抗
• 3.8.2 计算W和S
• 3.8.3 仿真与测试结果
• 第四章 非对称多节宽带带状线耦合器的设计
• 4.1 引言
• 4.2 单节平行耦合线与阶梯阻抗滤波器的等效
• 4.2.1 单节1/4波长波长阶梯阻抗滤波器的原型
• 4.2.2 单节1/4波长阶梯阻抗滤波器的级联
• A与耦合度C之间的关系'>4.2.3 衰减函数L_A与耦合度C之间的关系
• n²（cosθ）的选择'>4.2.4 P_n²（cosθ）的选择
• 4.3 非对称多节平行耦合线耦合器的综合步骤
• 4.3.1 对反射系数Γ取理查德变换
• 4.3.2 分别求反射系数分子和分母的根
• 4.3.3 求反射系数Γ（t）的表达式
• 4.3.4 确定归一化偶模阻抗
• 4.3.5 综合步骤的举例
• 4.4 2～18GHz宽带非对称多节带状线耦合器的设计
• 4.4.1 设计过程
• 4.4.2 三维仿真结果与标量网络分析仪测试结果
• 4.4.3 与国外同类产品的比较
• 第五章 非对称渐变宽带带状线耦合器的设计
• 5.1 引言
• 5.2 渐变耦合传输线的一般理论
• 5.3 非对称高通切比雪夫耦合渐变线的综合
• 5.3.1 耦合系数k（x）的一般表达式
• 5.3.2 求解耦合系数k（x）
• 5.3.3 耦合区长度l的确定
• 5.4 非对称高通切比雪夫渐变耦合线耦合器的设计过程
• 5.4.1 设计过程
• 5.4.2 仿真结果与测试结果
• 5.4.3 与国外同类产品的比较
• 第六章 结论与建议
• 6.1 本文总结
• 6.2 建议
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果