耦合器毕业论文

1、题目：130MHz双定向耦合器的设计与制作28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。本文在概述了课题背景之后介绍了定向耦合器两种耦合方式：串联耦合和并联耦合。这两种耦合方式是实现定向耦合器分流信号的基础。用这两种耦合方式组合出了两种可用的电路结构，本文详细地推导了理想情况下各个参数的表达式。两变压器的双定向耦合器电路简单，隔离度不够好，三变压器的定向耦合器电路复杂，隔离度很好。为了便于讨论磁芯对变压器的影响，本文给出了实际变压器的等效电路，通过与理想变压器的比较，发现磁芯的初始磁导率决定了变压器的最低使用频率，磁导率的虚部决定了主线衰

2、减的大小，变压器的漏磁与磁芯的形状有很大的关系。接着对不同材料，不同形状的磁芯作了介绍。根据本课题的实际需要，选择了环形的镍锌铁氧体磁芯。为了对线圈的自感有个大致的了解并且比较不同磁芯的磁导率，用高频Q表测了几个不同磁芯的磁导率。然后，制作出了定向耦合器的实物，经测试，除端口驻波比外，都满足要求：主线衰减0.24DB，耦合度20.3DB，隔离度28DB，低频端的驻波比接近1.5。最后，对结果进行了讨论，分析了造成驻波比偏高的原因。同时也对整个课题作了一个总结。关键词：双定向耦合器 耦合方式 变压器 磁芯选择AbstractBidirectional coupler plays an impor

3、tant role in RF circuit.It not only can be used as branch device and power detect device but also can be used as feedback device of amplifier.This paper presents the background of this topic at first.Then this paper introduce two kinds of coupling ways of bidirectional coupler.They are serial coupli

4、ng and parallel coupling.These two kinds of coupling ways are the base of bidirectional coupler.This paper presents two different available circuit structure by combination two different coupling ways introduced in front .This paper deduces in detail the various parameters and compares their advanta

5、ges and disadvantages.Bidirectional coupler consisted of two transformers is simple but its isolation is not good.Bidirectional coupler consisted of three transformers is complex but its isolation is good.In order to facilitate discussing the influence of magnetic core on transformer this paper pres

6、ents a equivalent circuit of practical transformer. By comparing with ideal transformer,find magnetic core's related parameters which influence transformer.In this premise,this paper introduces different kinds of magnetic core and select suitable magnetic cores for this topic. Then it is experim

7、ent process .In order to know the inductance value of coil and compare permeability of different magnetic cores,test permeability of some magnetic core. Then made a practical bidirectional coupler and tested its technical index.Besides standing-wave ratio,others all meet the demand.Main attenuation

8、reaches 0.24db.Coupling factor is about 20.3db.Isolation reaches 28db.The only pity is that standing-wave ratio is nearly 1.5.At last ,this paper discuss the result,analysis the reason which cause high standing-wave ratio and sum up the whole subject.Key Words：bidirectional coupler couple modes tran

9、sformer magnetic core selection 目 录摘 要IAbstractII1 选题背景111本课题的意义112功能和特征113实现方式214技术指标415研究现状52 方案选择721耦合方式722两变压器定向耦合器823三变压器定向耦合器123 磁芯的选择1531变压器等效电路1532磁芯的种类1733磁芯的参数194 材料的测试与定向耦合器的制作2141 材料参数的比较与测量2142 定向耦合器的制作与测试225 结论和总结25参 考 文 献271 选题背景11本课题的意义定向耦合器在射频电路中有着重要作用，既可作分支器及功率检测部件，又可作为放大器的反馈元件：定向耦

10、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；定向耦合器作为反馈元件时，具有电阻反馈网络不具有的诸多优点。在有线电视中，定向耦合器是将天线接收到的电视信号进行放大、分配并传给许多用户的专用设备，是有线电视的信号分配系统。为了保证有线电视的质量，定向耦合器必须具有足够的隔离度以免用户之间的相互影响。为了传递多频道电视，定向耦合器必须是宽带的，在几百兆赫兹以下，集中参数定向耦合原件具有上述要求的性能，因而它在有线电视中获得了广泛的应用。定向耦合器是信号监视的主要器件。在电源盒负载之间插入一个定向耦合器就可用来监视信号。如果在耦合段接频率计，可作频率监测。如果接功

11、率计，可作功率监测。若用双定向耦合器则可同时测出电源输出功率和负载反射功率，因而它也可用来作电压驻波系数的测量。定向耦合器也可以作为放大器的反馈元件。在电子线路中使用反馈技术可以改善放大器的线性度，扩大放大器的动态范围。如果用电阻网络作为反馈元件，由于电阻是有耗得，所以用电阻反馈会增加噪声系数和降低输出功率。而定向耦合器的有效损耗很小，即使使用大量的反馈也不会使有源器件本身的噪声系数有明显的增加，同时不会减少有源器件可能的输出功率。这种技术的重要成果在于，在其他条件完全相同的情况下，与电阻反馈相比较，放大器的动态范围或噪声系数将明显地得到改善1。12功能和特征 定向耦合器分为单定向耦合器和双定

12、向耦合器。图1-1左边为单定向耦合器，A，B和C是三个端口，当信号从A端输入时，B为主线输出端，C为耦合或分流端：而当信号从B端输入时，A为主线输出端，C端在理想情况下输出为零。图1-1右边为双定向耦合器，A和B端为主线端，当信号从A端输入时，耦合信号从C端输出，D端没有输出：当信号从B端输入时，耦合信号从D端输出，C端没有输出。总之，在图1-1中A端与D端之间是隔离的，B端和C端彼此也是隔离的。 图1-1 单定向耦合器（左）与双定向耦合器（右）示意图综上所述，定向耦合器具有两个主要特性：第一，可以用来耦合或分流信号；第二，耦合或分流是有方向性的。13实现方式 要实现定向耦合器的功能：耦合端有

13、信号，隔离端无信号。最基本的思想是使信号从输入端传输到主线输出端的过程中泄露几部分信号，这几部分信号在耦合端相位相同，因此耦合端输出泄露的信号的叠加，而这几部分泄露的信号在隔离端相位相反，因此隔离端的信号相互抵消，没有信号输出。在基本思想不变的情况下，具体实现方式多种多样，下面列举几类典型的实现方法。第一类，使用波导实现。将两个波导紧贴在一起，在它们的公共壁上凿两个洞。使信号从一个波导透入到另一个波导，并在另一个波导中相叠加或者相抵消后输出。信号开始传输的波导称为激发波导，而信号透入到得另一个波导称为被激发波导。图1-2所示为一个用波导实现的简单定向耦合器。上面的波导为被激发波导，下面的波导为

14、激发。1和2为波导公共壁上的两个孔。假设从每个孔透出的信号都均等地向被激发波导的两端传输。从1孔透出的一部分信号A在被激发波导中从孔1位置传播到孔2位置，而没有透出的那一部分信号则在激发波导中从孔1位置传播到孔2位置后，从孔2再透出一部分信号B。A部分信号和B部分信号所走的距离相同，所以在孔2处，这两部分信号同相叠加后从被激发波导的右端（即耦合端）输出。从两个孔透出的信号分别都有一部分向左传播，从孔2透出的信号要比从孔1透出的信号多走一段距离，这段距离就是两孔间距的两倍。只要使这段距离为信号的半波长（两孔间距为信号的四分之一波长），从孔2透出的信号与从孔1透出的信号相位相差180度，在被激发波

15、导的左端（即隔离端）相抵消，隔离端无信号输出2。图1-2 用波导实现的简单定向耦合器此类定向耦合器的优点是功率容量大，适合高功率发射机中使用；它的缺点是体积过于庞大3。第二类，使用带状线实现。当两个无屏蔽的带状线紧靠在一起时，由于各个传输线的电磁场的相互作用，在传输线之间会有功率耦合。图1-3是作为定向耦合器的两根带状线。与波导方式不同的是，带状线之间每个位置都会有信号的耦合，而不是仅仅在开孔的地方。耦合后的信号向耦合端传输的部分同向叠加，向隔离端传输的部分反向抵消（带状线尺寸与信号波长满足一定关系的情况下）。相比于用波导实现的定向耦合器，这种可以将尺寸做得更小4567。图1-3 用带状线实现

16、的简单定向耦合器第三类，使用集总变压器实现。变压器由于初级和次级间的磁交链，可以用来耦合或则分流信号。有了这个基本功能，就只需要想办法使变压器耦合出来的信号在耦合端同相叠加，在隔离端反向抵消。比较以上三类实现方式，前两种是分布参数的定向耦合器，这类器件的尺寸跟工作信号的波长密切相关，通常应用于频率上GHz的微波领域。而且相对带宽也很窄，这是与工作信号波长相关的器件的通病，虽然可以通过一些方式去增加带宽，但是是通带内的平坦度会受到影响。第三种是集总参数的定向耦合器，这种是变压器的混接网络。它具有所有集总元件的共同优点：尺寸小，相对带宽大。如果这种变压器使用漆包线绕的话，由于分布电容的原因，只能在

17、几十兆赫兹的频率内使用。如果使用传输线绕制的话，则可以将使用频率提高到一千兆赫兹。这使得变压器器定向耦合器的使用频段延伸到了微波段，分布参数定向耦合器不能使用的频段也可以使用变压器定向耦合器代替。本课题的使用频段为1-30MHz，只能选择第三类实现方式。14技术指标为了衡量定向耦合器器的性能好坏，规定了若干技术指标。通常定向耦合器的主要技术指标包括主线衰减，耦合度，隔离度，方向性，输入端驻波系数和工作带宽89。在如果定向耦合器输入端的输入功率为P1，主线输出端，耦合端和隔离端的输出功率分别为P2，P3和P4，则定向耦合器的有关参数可表示为1）主线衰减 (1-1)主线衰减并不表示定向耦合器本身损

18、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。2）耦合度 (1-2)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。3）隔离度 (1-3)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，但实际情况总是与理想相去甚远4）方向度 (1-4)方向度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。方向度

19、和隔离度都是表示定向耦合器定向性能的好坏的，方向度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 (1-5)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）电压驻波系数某一端口的电压驻波系数，指其他端口都匹配的情况下，这一端口的输入信号与反射信号的比值。6）工作频带工作频带是指定向耦合器的其他参数都满足要求的工作频率范围。7）功率容量由于变压器的磁芯在通过一定大的电流时会出现磁饱和，所以定向耦合器能通过的电流由限制，能承受的最大功率称为功率容量。在一般的信号传输中，信号都比较小，很少考虑功率容量这个参数

20、。15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：选模定向耦合器1011。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

21、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12。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

22、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

23、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。2 方案选择21耦合方式双定向耦合器有两种：集总参数双定向耦合器和分布参数双定向耦合器。由于频带范围为1-30MHz,如果使用分布参数双定向耦合器，体积将非常庞大。而且，分布参数元器件的相对带宽很小，本项目的频带范围的相对带宽比较大。基于以上两个原因，只能使用集中参数来设计。变压器耦合信号的方式有两种，串联耦合和并联耦合13。顾名思义，串联耦合就是指变压器的初级线圈与负载串联的耦合方式，并联耦合是指变压器的初级线圈与负载相并联的耦合方式。这两种方式的不同在于

24、：以不同的主线端作为输入时，耦合端输出信号的极性是不同的。对于串联耦合，改变信号输入端，耦合端输出的信号的极性跟着改变。对于并联耦合，无论以哪一个主线端作为输入端，耦合端输出的信号的极性都是相同的。正是基于这个特点，使用变压器做定向耦合器才有了可能。下面将分别介绍这两种耦合方式。串联耦合的电路如图2-1，R1为电源内阻，T1为变压器，R2为主线负载电阻，R3为耦合端负载电阻。耦合端C端耦合得到的信号的大小与变压器的匝数比，内阻，两个负载都有关系。耦合端C端耦合信号的正负与主线端信号的输入方向有关：当A端作为输入端时，C端信号为正，当B端作为输入端时，输入信号方向为负。无论信号从哪一端输入，耦合

25、端得到的功率是一样的。图 2-1 串联耦合电路图并联耦合的电路图如图2-2，与串联耦合电路图一样，R1为电源内阻，T1为变压器，R2为主线负载电阻，R3为耦合端负载电阻。与串联耦合不同的是，无论以A端作为输入端还是以B端作为输入端，耦合端C端得到的信号的极性都一样。图 2-2 并联耦合电路图以上分别叙述了串联耦合和并联耦合的性质，如果将串联耦合和并联耦合同时耦合到同一负载上。并联耦合输出信号极性不变，当串联耦合输出信号与并联耦合输出信号极性相同时，负载上得到的信号是两种耦合信号的叠加。改变信号输入端后，串联耦合输出信号与并联耦合输出信号极性相反，两种耦合信号相互抵消，负载上得到的信号为零。下面

26、是两种可供选择的最终电路结构。22两变压器定向耦合器原理图如图2-3:图 2-3 定向耦合器的一种电路结构当A端输入，B端输出时，C端为耦合端，D端为隔离端。推导的电路图电路图如图2-4Error! Reference source not found.：图 2-4 A端作为输入端时的等效电路由于D端为隔离端，所以IR4=0，VD= 0 （2-1）T2的匝比为m，所以 （2-2）（2-3）（2-4）（2-5）（2-6）（2-7） 由（4）式和（7）式可以推出（2-8）如果R2与R3相等，由（8）式可以得到（2-9）所以，A端和D端隔离的条件是（2-10）（2-11）主线衰减（2-12）耦合度（

27、2-13）当B端作为输入，A端作为输出时，C端为隔离端，D端为耦合端。用于推导的电路图如图2-5所示：图 2-5 B端作为输入端时的等效电路由于C端为隔离端，所以VC=0，设流过R2的电流为I2那么流过R4的电流为（2-14）R1上得电流为（2-15）因为VC=0，所以VA=VB（2-16）又（2-17）由式（16）和（17）可以得到（2-18）将式（11）代入式（18）中可以得到（2-19）可见，要是C端与B端隔离，只需要满足式（19）即可。如果将式（19）分裂为两式，使R1和R4与R2有一定的关系，可以得到以下两式（2-20）（2-21）主线衰减（2-22）耦合度（2-23）综上，满足A端

28、和D端隔离，B端和C端隔离的条件为主线衰减（2-24）耦合度（2-25）又隔离条件看出，只要n2>>1，R1=R2=R3=R423三变压器定向耦合器原理图14如图2-6：图 2-6 定向耦合器的另一种电路结构当A端输入，B端输出时，C端为耦合端，D端为隔离端。推导的电路图如2-7，图中箭头表示电流参考方向。 图 2-7 用于推导的等效电路假设A端和D端是隔离的，则VD=0。推导中，假设变压器都为理想变压器。此时，应有如下关系： （2-26）D端的电压是零，所以流过R4的电流I7也是零，流过变压器T2次级的电流也就等于I6了，所以I3与I6的关系可用下式表示： （2-27）R3两端的

29、电压为 （2-28）变压器两边的电压比等于匝数比，所以 （2-29）而B端的电压VB可以表示为 （2-30）要使式（2-26）成立，就必须 （2-31）由于R6=R3 （2-32）上式也就是使D端与A端隔离的条件，可以看出，理想情况下，隔离端是没有信号输出的。变压器的初次级电流之比与匝数比成反比，对于变压器T3有 （2-33）R3两端的电压等于R1和R2两端的电压之和 （2-34）对于节点Ve处的三个电流有 （2-35）A端的电压等于Ve加上变压器T1初级上的电压 （2-36）电路中的各个电阻阻值都相等，由式（2-27），式（2-28），式（2-33），式（2-34），式（2-35）和式（2-

30、36）可以推出各个电流的值，式中的V表示A端的电压。 （2-37） （2-38） （2-39） （2-40） （2-41）A端的输入阻抗为 （2-42）上式表示，在理想情况下，如果m的值足够大，A端的输入阻抗接近R。由于电路对称，所以B端的阻抗也一样。为了减小端口信号的反射，应使源信号的内阻也等于R。求出各个电流之后，定向耦合器的其他指标就很容易了。先算出各个端口的功率，再用功率推导其他参数，这里就省略求功率的部分了。主线衰减 （2-43）耦合度 （2-44）比较以上两种电路可以看出，方案一只用了两个变压器，两个电阻，而方案二用了三个变压器，四个电阻。因此，方案一比方案二电路更简单，便于制作。

31、但是，方案一的隔离条件是式（2-9）在手工绕制变压器时很难做到这样精确的关系，往往就取m和n的值相等。这样做的结果就是，当耦合度比较小的时候（即是m和n的值比较小时），误差就会很大，使得隔离度变差。所以，从隔离度方面来说，方案一只适合在弱耦合的情况下使用。方案二就没有这个问题了，应为方案二的隔离条件就是m和n相等。综合考虑，为了得到更好的隔离度，本课题选择了方案二的电路结构。3 磁芯的选择31变压器等效电路前面对电路结构的推导都是基于理想变压器的情况下，实际的变压器与理想的变压器是有很大的区别，初级和次级的电感不为无穷大，次级和初级的耦合也不是全耦合，而且带磁芯的变压器还有与初次级电感并联的损

32、耗电阻，初次级导线的分布电容。造成这样区别的原因在于变压器的磁芯，所以这部分讨论如何选择磁芯。磁芯直接影响变压器的性能，在讨论磁芯之前先了解变压器的等效电路。实际变压器的等效电路如图3-1所示图 3-1 变压器等效电路图3-1中：R1表示电源的内阻；R4表示变压器初级导线的电阻；R5表示变压器次级导线的电阻；R3表示换算到初级的次级负载电阻；E表示电源电压；U表示次级负载上的电压；C1表示初级线圈的分布电容与次级线圈的分布电容等效到初级的和。接下来是变压器的剩下的三个最重要的参数：1）初级自感Lp （3-1）上式中，0表示真空中的磁导率，'表示磁芯的起始磁导率，N表示绕线的匝数，Ae表

33、示磁芯的有效面积，le磁芯的有效磁路长度15。理想的变压器Lp为无穷大，实际变压器的Lp为有限值。只要变压器在使用频段的最低频率处Lp满足使用要求，在其他频率处也会满足。尤其是像本课题这样的低频应用，Lp的值必须足够大才行。由第二章中推导得知：线圈的匝数决定了定向耦合器的耦合度，方向性。所以要想使Lp足够大，就必须使用起始磁导率足够大的磁芯。2）磁芯损耗电阻R2实际上的自感的完整表达式应该是 （3-2）式中，L0表示同样的空心线圈的感值，"表示磁导率的虚部 （3-3） 由于磁导率的一部分为虚数，使得一部分电抗变成了电阻，理想的电感式不耗能的，R2是变压器传输损耗的原因所在。当磁芯&#

34、39;一定时，如果"<<'，变压器的传输损耗随着"增大而增大，如果">>'，则传输损耗随"的增大而降低16。本课题的频率比较低，所以选择截止频率高于工作频率的磁芯，以使得"<<'。3)漏感Ls理想的变压器初级与次级之间的耦合为全耦合，耦合系数为1。实际变压器的耦合系数总是小于1的，因为其中大部分磁通与两个线圈交链外，还有一小部分只与一个线圈相交链，这一部分磁通形成的电感称为漏感Ls。由于环形磁芯的漏磁通最小，为了使漏感小，本课题选用环形磁芯。图3-1表示出了变压器等效电路的完整参数。但

35、是实际情况中，如果使用这样的等效电路，分析会很复杂。所以，通常都是分频段对其进行简化。下面将分低，中，高三个频段进行简化。在低频时，R4和R5是绕线的串联电阻，相比于其他阻抗来说太小，可以忽略不计。在比较低的频率下，磁导率的虚部很小，所以软磁铁氧体磁芯损耗电阻R2通常都很小，也可以忽略。并联电容C1在低频下的阻抗很大，因此忽略。而串联漏感Ls在低频下的阻抗很小，也可以忽略。低频下简化后的等效电路只剩下初级自感L1 和负载等效到初级的电阻R3。简化后的电路图如图3-2所示图 3-2 变压器在低频下的等效电路由图2-7可以看出，初级自感Lp的感抗随频率的下降而下降，Lp的大小直接影响输出电压U。因

36、此，Lp的大小决定了变压器的最低使用频率。在中频时，除去低频时忽略的元件外，由于初级自感Lp的感抗远远大于负载等效到初级的电阻R3，所以，初级自感Lp 此时也可以忽略。此时的简化等效电路如图3-3所示图 3-3 变压器在中频下的等效电路从图3-3可以看出，在中频段，电路中只有电阻元件，输出是简单的电阻分压。在高频段，并联电容C1的阻抗变得非常小，此时已不可忽略，漏感由于频率升高而变得很大，也不可忽略。此时的等效简化电路如图3-4所示：图 3-4 变压器在高频下的等效电路图3-4中，漏感Ls和并联电容C1一起构成串联谐振电路。当频率升高到谐振电路的谐振点时，将会引起电路的振荡。也正是这一特性限制

37、了变压器的高频应用。要想获得好的高频特性，就必须设法减小C1的值。32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 i= 40020000，饱和磁感应强度 BS=400530mT。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

38、率 100kHz100MHz，最高可使用到 300MHz。这类材料磁导率较低，电阻率很高，一般为 105107cm。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 i=51500，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心，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。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

39、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 107109cm，主要适于制作显象管或显示管用偏转线圈磁心，可避免线圈直接绕制在磁心上而发生短路现象。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

40、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心，相当于更多环形磁心送加，更适合制作电磁波干扰抑制器，各种变换器等。（2）E型磁芯，具有矩形截面的E型磁心，由于结构和制造简单，已成为最广泛应用的高频变压器磁心，可以在低磁通密度或高磁通密度下使用。这类磁心通常成对使用，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

41、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 型磁心窗口面积大，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，罐型磁心有很多优点，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

42、。33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。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

43、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17。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

44、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

45、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，

46、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

47、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。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产生的能量损耗。涡流损耗与

48、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。4 材料的测试与定向耦合器的制作41 材料参数的比较与测量实验过程中可供选择的磁芯有几种，其参数如表4-1所示。材料种类尺寸（D*d*H)mm有效长Le(mm)有效面积Ae(mm2)磁导率i(H/m)NXO-510×6×524.19.79559610002019.5×4.75×3.7520.77.2125NXO-10010×6×524.19.79100NX0-40010×6×524.19.79400表

49、4-1 磁芯材料的各项参数为了验证材料的磁导率，在磁环上面绕了一定匝数的线圈，然后用QBG-3E全数显高频Q表测试其电感，再通过式（3-1）算出磁导率。只测试了前两种磁环，其测量值及计算值见表4-2和表4-3所示。表4-2 磁芯NXO-5的测量电感值及计算的磁导率值匝数81624电感值1.470uH2.276uH2.804uH计算出的磁导率451710表4-3 磁芯5961000201的测量电感值及计算的磁导率值匝数81624电感值6.836uH19.12uH39.21uH计算出的磁导率244171155此测量的目的主要是要对线圈的感值有一个大致的了解。从测量的数据可知，测量误差是很大的，尤其

50、是线圈匝数少的时候，误差更大。造成这样误差的主要原因是：初始磁导率是低频下的磁导率，而此次测量仪器室使用的高频Q表。Q表测量电感的原理是将电感与一个已知电容串联，用一频率变化的信号扫描，直至谐振。通过谐振频率和电容值就可以计算出电感值。测量时高频Q表的电容值固定为200 pF，对于uF数量级的电感来说，谐振频率在几兆赫兹，所以造成了很大的误差。42 定向耦合器的制作与测试本课题要求的指标为：频率1-30MHz，耦合度为20±0.5db，方向性18db，主线损耗0.3db。选用的电路为方案二的电路。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

51、，R1和R4去掉，其他电阻和各个端口的阻值都是50欧姆。由式（2-41）可以计算出，三个变压器的匝数比n:1=10时，耦合度最接近20DB。绕制变压器T1，T2和T3的磁芯选用表4-1中的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。经测量，制作的实物的尺寸为2.3cm×2.3cm×1.5cm，满足本课题对尺寸的要求。其余各项指标测量曲线如下（X轴的单位都为兆赫兹）：图 4-1 A-B端主线衰减图 4-2 A端电压驻波系数图 4-3 A-D端隔离度图 4-4 A-C端耦合度图 4-5 B-C端隔离度图

52、 4-6 B-D端耦合度 经测试，A-B端的主线损耗为0.24db，小于要求的0.3db。如图4-3，A-D端的隔离度达到了-57db，图4-5是B-C端的隔离度，最小值为-52db。理论上，隔离度应该为无穷大，但是，变压器非理想，所以使隔离端有信号输出。图4-4和图4-6是A-C端和B-D端的耦合度测试曲线，A-C端的耦合度为-20.28db，B-D端的耦合度为20.19db。两个方向的耦合度都在要求的20±0.5db范围内。用隔离度减去耦合度可以得到方向性为31db，远远大于要求的18db。但是，从图4-2可以看出，端口的驻波比在低频下接近1.5，有点偏大。由式（2-42）可知，

53、理想情况下，端口的输入阻抗与R相等。R的值是50欧姆，而信号源的内阻也是50欧姆，阻抗匹配，驻波比应该很小。实验事实是，低频端匹配不好。主要原因是变压器并非理想变压器，初次级电感不是无穷大。磁芯的磁导率是400，绕10匝线圈后的感值大概只有几十uH，所以，在低频下的阻抗无法忽略。要改善低频下的驻波比，有两种方法，使用磁导率更大的磁芯，或则增加线圈匝数。但是线圈匝数决定了耦合度，所以，弱耦合的定向耦合器驻波比性能会更好。5 结论和总结在本论文前面的几章中，首先对实现信号分流和隔离的基本原理做了介绍，具体到集总参数的双定向耦合器，是用变压器，通过串联耦合和并联耦合两种方法的结合实现。然后详细推导了

54、两种可用电路结构的各个参数的表达式，对其优缺点做了比较。接下来，本文给出了实际变压器的等效电路，通过与理想变压器的比较，找到了磁芯各项参数对变压器的影响。最后，通过多次试验实现了本课题的各项指标。从本次课题中得到的结论如下：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。第二，选择正确的磁芯。选择合适的磁芯是达到要求指标的保证。电路结构只是决定了理想情况下的情况，现实的情况并非理想。像实际的变压器初次级电感并不是无穷大，初次级耦合系数也不是一。所以，只能选择合适的材料，使得实际变压器与理想变压器最大的接近，才能使实际做出来的指标与理论推导的指标