矩形波导耦合器解析（精编版）

1、通信工程专业微波技术作业通信工程专业微波技术作业矩形波导结构的双孔定向耦合器（系）专业：通信工程班级：131 班学 生 姓 名：马瑶学号：2013136116 指 导 教 师：陈宏巍完 成 日 期：2016 年 7 月 3 日大连民族大学通信工程专业微波技术作业 i目录摘要 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。abstract . i 错误！未定义书签。1 微波基础理论 . 1 1.1 微波及特点 . 1 2 微波集成传输线 . 2 2.1 波导 . 2 2.2 矩形波导 . 2 2.3 微波网络传输散射矩阵. 2 3 微波四端口元器件 . 3 3.1 多端口微波器件简述 . 3 3.2

2、无耗可逆四端口网络的基本性质. 4 3.3 定向耦合器基本概念 . 4 3.3.1 双孔定向耦合器的简单机理. 5 3.3.2 对称理想定向耦合器的散射矩阵. 6 3.4 定向耦合器的主要技术指标. 7 3.4.1 耦合度 c . 8 3.4.2 隔离度 . 8 3.4.3 带宽的各种定义 . 9 4 ansoft hfss 仿真软件的原理及应用 . 10 4.1 hfss仿真原理 . 10 4.2 ansoft hfss 仿真软件的应用和特点 . 10 4.2.1 ansoft hfss 仿真软件的应用 . 10 4.2.2 ansoft hfss 的优越性 . 11 4.2.3 ansof

3、t hfss 仿真微波器件的一般步骤 . 11 4.3 hfss 设计流程 . 11 5 利用 ansoft hfss 设计矩形双孔定向耦合器 . 12 5.1 设计要设计要求如下：. 12 5.2 仿真与测试结果 . 12 6 结论 . 15 参考文献 . 15通信工程专业微波技术作业 ii摘要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，本文利用了矩形波导来实现定向耦合器。定向耦合器是一种四端口器件，且各个端口均是匹配的。它是在微波与雷达馈线技术中广泛应用的元件之一。矩形定向耦合器的各项指标包括耦合度、隔离度、方向性、输入驻波比、相对宽度等。双

4、波导耦合器属于定向耦合型器件，主要是根据两平行波导间的横向耦合而形成的，是对光信号实现分路、合路、插入和分配的无源器件。它主要应用于wdm 系统，光纤通信网络各种拓扑结构中，还可以组合成具有独特功能的新型光器件，例如功分器、ach一 zehnder干涉仪、带电极的调制器、光开关等, 在光通信中有着广泛的应用。它是依靠光波导间电磁场的相互耦合来工作的，性能指标主要有工作中心波长0、插入损耗、附加损耗、方向性、均匀性、耦合比（分束比或分光比）、分路损耗及反向隔离度等。定向耦合器是一种通用的微波、毫米波部件，可用于信号的隔离、分离和混合，如功率的监测、源输出功率稳幅、信号源隔离、传输和反射的扫频测试

5、等。主要技术指标有方向性、驻波比、耦合度、插入损耗。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又相继出现了鳍线、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。微波的传统应用是雷达和通信，这是微波作为信息载体的应用。现在雷达大多数是微波雷达，利用微波工作的雷达可以使用尺寸较小的天线，来获得很窄的波束宽度，以获取关于被测目标性质的更多的信息。由于微波具有频率高、频带宽、信息量大的特点，所以也被广泛应用于各种通信业务。通信工程专业微波技术作业 iii abstract dire

6、ctional coupler can have many ways, coaxial, rectangular, circular waveguide, strip line and micro strip line can form a directional coupler, the rectangular waveguide to realize directional coupler. directional coupler is a four port devices, and each port are matching. it is in the microwave and r

7、adar technology is widely applied in one element. rectangular directional coupler indicators including coupling, isolation, direction, the input in bobbi, band width. dual directional coupler waveguide coupler type device belongs, it is mainly based on two parallel lateral coupling between the waveg

8、uide and the formation of the optical signal to achieve the splitter, combiner, insert and distribution of passive components. it is mainly used in wdm systems, optical fiber communication networks of various topologies can also be combined into a new optical devices with unique features, such as sp

9、litters, ach a zehnder interferometer modulator with electrodes, light switches, etc., optical communication has been widely used. it relies on electromagnetic coupling between the optical waveguide to work performance mainly work center wavelength 0, insertion loss, additional loss, directivity, un

10、iformity, coupling ratio (splitting ratio or splitting ratio), and the shunt loss reverse isolation like. the directional coupler is a common microwave, millimeter wave components, it can be used for signal isolation, separation and mixing, such as power monitoring, power source output steady amplit

11、ude, signal source isolation, transmission and reflection of sweep testing. the main technical indicators are directional, standing wave ratio, coupling, insertion loss. with the development of aviation and aerospace technology, microwave circuit and system requirements to achieve miniaturization, l

12、ightweight and reliable performance, so there stripline and microstrip line. then due to the need of microwave circuits and systems it has appeared a fin line, a slot line, coplanar waveguide and coplanar strip line and other microwave integrated transmission line. thus there have been various trans

13、mission line directional coupler. traditional applications of microwave radar and communication, which is a microwave as an information carrier applications. now most of radar microwave radar, the use of microwave radar work can use smaller antennas to obtain very narrow beam width, for more informa

14、tion about the nature of the measured target. because microwave with a high frequency, frequency bandwidth, informative features, it is also widely used in a variety of communication services. 通信工程专业微波技术作业 11. 微波基础理论1.1 微波及特点微波技术已有几十年的发展历史，现已成为一门比较成熟的学科。在雷达、通信、导航、遥感、电子对抗以及工农业和科学研究等方面，微波技术都得到了广泛的应用。微

15、波技术是无线电电子学中一门相当重要的学科，对科学技术的发展起着重要的作用。微波是一种频率非常高的电磁波。把波长从 1m到 0.1mm范围内的电磁波称为微波。微波波段对应的频率范围为: 3 108hz 31012hz 。微波的特性：（ 1）似光性；（ 2）穿透性；（ 3）宽频带特性；（ 4）热效应特性；（5）散射特性；（ 6）抗低频干扰特性；特点：（ 1）视距传播特性；（ 2）分布参数的不确定性；（3）电磁兼容与电磁环境污染。（1）似光性微波波段的波长和无线电设备的线长度及地球上的一般物体（如飞机、舰船、导弹等）的尺寸相当或小的多，当微波辐射到这些物体上时，将产生显著的反射、折射，这和光的反射、

16、折射一样。同时微波的传播特性也和几何光学相似，能够像光线一样直线的传播和容易集中，即具有似光性。这样利用微波就可以获得方向性极好、体积小的天线设备，用于接受地面上或宇宙空间中各种物体发射或者反射回来的微弱信号，从而确定改物体的方向与距离，这就是雷达及导航技术的基础。微波的波长与无线电波设备尺寸相当的特点，使得微波又表现出与声波相似的特征，即具有似声性。例如：微波波导类似预声学中的传声筒；喇叭天线和缝隙天线类似于声学中的喇叭、萧和笛。微波谐振腔类似于声学中的共鸣箱。（2）穿透性微波辐照于介质物体时，能深入到该物体内部的特点称为穿透性。例如微波是射频波谱中除光波外唯一能穿透电离层的电磁波，因而成为

17、人类外层空间的重要手段。微波能穿透云雾、雨、植被、积雪和地表层，具有全天候和全天时工作的能力，成为遥感技术的重要波段；微波能穿透生物体，成为医学热透疗法的重要手段；毫米波还能穿透离子体，是远程导弹末端制导和航天器重返大气层时实现通讯的重要手段。通信工程专业微波技术作业 22. 微波集成传输线2.1 波导波导用来引导电磁波的结构。因此，在广义的定义下，波导不仅是指空金属管，同时也包括其他波导形式如脊形波导、椭圆波导、介质波导等；还包括双导线、同轴线、带状线、微带和镜像线、单根表面波传输线等（下图）。如不附加说明，一般说到波导就是指空心金属管。根据波导横截面的形状不同，可分为矩形波导、圆波导等。尽

18、管已存在很多不同波导形式，且新的形式还不断出现，但直到目前，在实际应用中矩形波导和圆波导仍是两种最主要的波导形式。电磁波在波导中的传播受到波导内壁的限制和反射。波导管壁的导电率很高（一般用铜、铝等金属制成，有时内壁镀有银或金），通常可假定波导壁是理想导体，波导管内的电磁场分布可由麦克斯韦方程组结合波导的边界条件来求解。波导管内不能传输tem波，电磁波在波导中的传播存在着严重的色散现象。波导中可能存在无限多种电磁场的结构或分布，每一种电磁场的分布称为一种波型（模式），每一种波型都有对应的截止波长和不同的相速。横截面均匀的空心波导称为均匀波导，均匀波导中电磁波的波型可分为电波（ tm模）和磁波（

19、te 模）两大类。2.2 矩形波导矩形波导中可以存在无限多个 tmmn 模，波型指数m ，n 分别表示电磁场沿波导宽边 a 和窄边 b 的驻波最大值的个数， m ，n=1，2， 最简单的是 tm11模。同样，还可以存在无限多个 temn模，m ，n=0，1，2, 但不能同时为零。矩形波导中的最低模式是te10模，其截止波长最长 c=2a ，因此，就有可能在波导中实现单模传输。te10模又称为矩形波导中的主波，是矩形波导中最重要的波型。实际应用中矩形波导都工作在te10模。2.3 微波网络传输散射矩阵在微波频段，电压和电流已失去明确的物理意义，难以直接测量，同时z 参数和 y参数也难以测量（开路

20、条件和短路条件在高频的情况下难以实现）。散射参数，简称s参数。（可直接测量）通信工程专业微波技术作业 3普通散射参数：行波散射参数。其物理内涵是以特性阻抗匹配为核心，它在测量技术上的外在表现形态是电压驻波比vswr；广义散射参数：功率散射参数。是以共轭匹配（最大功率匹配）为核心，它在测量技术上的外在表现形态是失配因子m。3. 微波四端口元器件3.1 多端口微波器件简述任何一个微波系统都是由很多功能不同的微波器件和有源电路组成，微波器件在系统中起着微波能量的定向传输、分配、衰减、储存、隔离、滤波、相位控制、波形转换、阻抗匹配与变换的作用。微波器件的种类繁多，按导行系统结构分类，可分为波导型、同轴

21、线型、微带线型等；按工作波形分类，可分为单模元件和多模元件；按功能分类，分为：匹配元件、连接元件、定向耦合元件、滤波元件、衰减与相移元件、谐振器等。按端口的数目分为单端口、双端口、n 端口器件。如按网络特性分类，则分为：线性与非线性网络、互易与非互易网络、有耗与无耗网络、对称与非对称网络。与低频电路的设计不同，微波系统无论有源还是无源，都必须考虑阻抗匹配问题，阻抗匹配网络是设计微波电路与系统时采用最多的电路元件。这主要是由于微波电路传输的事电磁波而不是低频电路的电压和电流。如不匹配，将会引起反射，造成传输能量的损失。本文研究的是微波多端口器件，它们在微波传输系统中有多个端口与传输线或其他器件相

22、连，如果器件不匹配，在接头处会引起不同程度的反射，造成传输能量的损耗，使器件性能变差。所以，匹配的性能良好的微波器件是所追求的目标。传统制作微波器件方法是手工计算与实验调整相结合。但由于微波器件本身就有很多没有或者无法细致考虑的因素，因此，设计微波器件的主要难点是在进行多次计算优化设计的基础上，还要经行大量细致的调试工作。因为微波工作频率高，元件尺寸小，尺寸稍有偏差，微波器件性能就可能发生很大的变化。当然调试优化工作可以由仿真软件协助完成。微波系统的设计越来越复杂，对电路的性能要求越来越高，电路的功能越来越多，电路的尺寸要求越做越小，而设计周期越来越短，传统的设计方法已经不能满通信工程专业微波

23、技术作业 4足系统设计的需要，使用微波eda 软件进行微波元器件与微波系统的设计已经成为微波电路设计的必然趋势。3.2 无耗可逆四端口网络的基本性质1）无耗可逆四端口网络可以完全匹配，且为一个理想定向耦合器。2）有理想定向性的无耗可逆四端口网络不一定四个端口均匹配，故四个端口匹配时定向耦合器的充分条件，而不是必要条件。3）有两个端口匹配且互易隔离的无耗可逆四端口电路必为一个理想的定向耦合器。3.3 定向耦合器基本概念定向耦合器是微波系统中应用最广泛的元件：它是一种具有方向性功率分配器。它的结构形式是多种多样的，它用于提取波导系统中的部分能量以便监视该系统的功率、频率和匹配情况，或观察脉冲形状和

24、比较相位，或用在微波鉴频器中以稳定微波源，有时在微波接受系统中，用以向微波系统引入本机震荡能量。定向耦合器的种类繁多，结构迥异，分析方法也不尽相同，按传输线类型分，有波导定向耦合器、同轴线定向耦合器、带状线或微带定向耦合器等；按耦合输出方向分，有同向定向耦合器和方向定向耦合器等；按耦合强弱分，有强耦合定向耦合器和弱耦合定向耦合器等。尽管如此，所有类型的定向耦合器都有共通的特性：当其中一端口有微波能输入时，其余三端口之一应无输出。定向耦合器常用于对规定流向微波信号进行取样。在无内负载时，定向耦合器往往是一四端口网络。定向耦合器常有两种方法实现，一为耦合定向耦合器，其耦合区长度为四分之一的整数倍，

25、其直接输出和耦合输出端口在结构上不相邻，输出相位差往往是90 度或 180度，剩余的一个端口称为隔离端， 理论上隔离端不输出任何能量。另一种为分支线定向耦合器，两输出端口结构上相邻，输出相位差也可以实现90 度或 180 度，常用语强耦合场合。参数说明：耦合度：当其余端口接匹配负载时，耦合端输出功率与主线输入功率之比。耦合损耗：由于一定能量传输到耦合端而引起主线输出功率减小，它等于主线插入损耗的理论值。主线损耗：当匹配负载接主线外各端口时，主线插入损耗包括能量耦合损耗和能量耗散损耗两方面。方向性：当功率在指定方向上传输时，耦通信工程专业微波技术作业 5合端口的输出功率与同样功率在相反方向传输时

26、同一耦合端口的输出功率之差。同样，在耦合器上标注的功率是指输入端口的最大输入功率，输出口和耦合端口不能用标注的最大功率输入。输出口和耦合端口的最大输入功率由耦合度和负载电阻决定。3.3.1 双孔定向耦合器的简单机理图 3-1 给出了波导窄壁双孔定向耦合功率的原理图。图中耦合孔位于波导的公共窄壁上，两孔大小形状相同，间距为g/ 4，若功率从端口 1 输入，则称端口1和 2 之间的波导为主导，端口3 和 4 之间的波导为副波导。振幅为a1的入射波，携带功率p1由端口 1 输入，经小孔耦合，在副波导中激励起向左右方向传输的两个波，在图中标明为 a 波和 b 波。有典型波导中 te10 模的场型分布可

27、知， 这里的小孔耦合主要是磁耦合，这种单一的磁耦合是不可能有方向性的，所以a波和 b波两者幅度相等，均为k|a1|，这里 k1，称之为耦合系数。由于k1，故可忽略第小孔分功率后对p1 的影响，而认为主波导中第小孔处的入射波功率仍为p1，经小孔耦合在副波导中再次激励起想做有两个方向传输的a波和 b波，他们幅度相等， 仍为 k|a1|。由于两空间距为 g/ 4，从图中可见，传输到 t4 参考面上的 a波相对于 a 波行程上多走了（g/ 4）2=g/ 2，故相位上滞后 ，因此两波相互抵消，使得端口4 的输出功率 p4=0；而端口 3 上的 b波和 b波两者行程一样，故应同向叠加，使得在此，端口 3

28、称为耦合臂，端口 4 称为隔离臂，端口2 称为直通臂。图 3-1 波导定向耦合器原理图双孔定向耦合器明显的缺陷是只能在窄频带情况下是用，为了展开工作频带，措施之一是增加小孔数目，让个孔的半径不相等，或者将耦合空加工成椭圆形或长槽形，这通信工程专业微波技术作业 6样就有可能在一个较宽的频带内，经这些小孔耦合的众多的波在隔离臂近似互相抵消，而在耦合臂得以加强。3.3.2 对称理想定向耦合器的散射矩阵对称理想耦合器存在两种。第一类，假设端口1 和 4 完全隔离，由于结构对称，端口 2 和 3 也完全隔离，即结构对称还使散射参数有下关系设网络各端口均已调匹配，即sii=0（1，2，3，4），同时考虑到

29、网络的互易性，综合上述特点，散射矩阵应有如下形式理想无耗定向耦合器满足的条件sh 的第一行乘以 s第一列，得sh 的第一行乘以 s的第四列，得可见 s12s13为纯虚数，其中一种可能是通信工程专业微波技术作业 7故第一类对称定向耦合器的散射矩阵为由此可以看出第一类对称理想定向耦合器的一个特点，在直通臂和耦合臂的外向波之间存在着 90的相位差。对于第二类对称理想定向耦合器，假设端口1 和 3 完全隔离，由于结构的对称性，端口 2 和 4 也完全隔离，即结构对称使散射参数有下列关系设网络各端口均已调好匹配，sii=0（1，2，3，4），综合以上特点，并考虑到该对称四端口网络的无耗互易性，最好得第二

30、类对称理想耦合器的散射矩阵为3.4 定向耦合器的主要技术指标定向耦合器的主要技术指标有耦合度c、方向性 d 、隔离度 i 、插损 il 、电压驻波比 vswr 和带宽等。在图 3-2 中，我将端口 1 的输入功率定义为p1，端口 2、3 和 4 的输出功率分别定义为p2，p3，p4。通信工程专业微波技术作业 8图 3-2 单节耦合线耦合器3.4.1 耦合度 c 耦合度定义为输入端和耦合端的功率之比，即耦合度是一个负数，在习惯上往往称其绝对值，即分贝数越小耦合越强，分贝数越大耦合越弱。称为“分贝耦合系数”或简称为“分贝耦合”。显然，由于输入功率总是大于输出功率，故此分贝数必为复制。但习惯上只说它

31、的绝对值，而不提及符号，例如“3db 定向耦合器”，实际上它的分贝耦合系数为-3db。分贝耦合越大，表明耦合到副通道的能量越少，耦合越弱。电压耦合系数定义为：主通道输入电压（设由端口1 输入）与副通道输出电压（设由端口2 输出）之比，可表示为3.4.2 隔离度在理想的情况下，副通道中一个端口有输出时，另一个相反端口应没有输出。但实际上由于设计或结构不佳，另一端口常有一些输出。用此正反向两个输出功率之比的分贝数来表示定向传输的性能，则称为“定向性系数”或简称“定向性”。设副通道中端口 2 为所需输出端口，端口3 为隔离端口，则定向性系数定义为隔离度定义为输入端与隔离端的功率之比，即通信工程专业微

32、波技术作业 9d越大，说明定向性越好，或者说输入端口与隔离端口的隔离度越好。理想情况下。实用中常对通带中的d 提出一个最低要求，例如大于20db。除了上面两个主要的参量外， 一般还有隔离度，以及作为功率输入的1 端口反射系数 s11等。隔离度与方向性和耦合度的关系是3.4.3 带宽的各种定义耦合器的带宽是指耦合器在一定条件下能满足一定技巧指标要求的工作频率范围，包括绝对带宽、相对带宽、倍频程和带宽比。绝对带宽的定义是ffminmaxf式（3-17）式中 fmax表示耦合器的最高工作频率，fmin表示耦合器的最低工作频率。相对带宽的定义是式中2/ )minmax0(fff为中心工作频率。倍频程的

33、定义为其中 n 就是指倍频程。带宽比的定义是通信工程专业微波技术作业 104.ansoft hfss 仿真软件的原理及应用4.1 hfss 仿真原理hfss 采用的理论基础是有限元方法。有限元法师一种积分方法， 其解是频域的， 所以 hfss 是由频域到时域，对于设计各种辐射器及求本征模问题很有效。hfss 应用切向矢量有限元法。所谓的有限元法，就是将整个区域分割成许多很小的子区域，这些子区域通常称为“单元“或”有限元“，将求解边界问题的原理应用于这额子区域中，求解每个小区域，通过选取恰当的尝试函数，使得对每一个单元的计算变得非常简单，通过对每个单元进行重复而简单的计算，再将其结果总和起来，便

34、可以得到用整个矩阵表达的整个区域的解，这一整体矩阵又常常是稀疏矩阵，可以更进一步简化和加快求解过程。由于计算机非常适合重复性计算和处理过程，因此整体矩阵的形成过程很容易使用计算机处理来实现。4.2 ansoft hfss仿真软件的应用和特点4.2.1 ansoft hfss仿真软件的应用ansoft hfss 仿真软件是一个基于有限元法的电磁仿真软件，是一个计算电磁结构的交互软件包。 hfss 在强大、直观的环境下为研制微波、射频、高速数字部件及系统，提供了无可匹敌的精确度。在hfss 的桌面上，你能找到hfss 的全套功能，这是一个可以完全支持基于三维电磁场设计的界面。 hfss 能进行全面

35、的全参数化设计， 从几何结构、材料特性到分析、控制及所有后处理。该软件强大的参数化三维建模能力和高性能的图形能力，大大节省了设计时间。 hfss 有多个机制允许设计人员根据自己的需要去制作用户特定的设计流程。视窗、对话框、工具栏、甚至菜单均可被用户通过配置或缺省来支持个性化参数定义。使用者可通过主菜单、工具栏、项目树和文本栏来灵活操作界面命令计算模拟器，还包括分析电磁结构细节问题时的后处理命令。使用asoft hfss 软件能够计算：1. 基本电磁场数值解和开放边界，近远场辐射问题。2. 端口阻抗和传输常数。通信工程专业微波技术作业 113.s 参数、相应端口的归一化阻抗和反射系数问题。4.

36、结构的本征模或谐振解。4.2.2 ansoft hfss的优越性首先，其强大的三维建模功能为我们设计各种形状的微波元器件称为可能。hfss提供了长方形、 圆形、直线等平面基本图形。 圆柱、圆锥、长方体等各种立体基本图形，使构造各种形状的微波元器件变得简单易行。其次， hfss 提供了元件的材料库。我们可以随心所欲设置元件的材料性能。第三，hfss 提供了各种频率的激励源， 我们可以随意设置， 最终找到所涉及微波元器件的中心频率。第四，hfss 提供了多端口网络的电磁场分布图和s参数，使我们能方便地考察涉及元器件性能。第五， hfss 提供的优化分析功能能使我们得到最优化设计结果。4.2.3 ansoft hfss仿真微波器件的一般步骤（1）建立微波器件的二维模型。（2）设定匹配元件的变量。（3）通过观察器件的s参数和反射系数，分别对各个变量进行优化分析。（4）对各个变量的优化分析结果经行综合分析，最终找到最优化的参数。4.3 hfss 设计流程（1） 启动 hfss 软件，新建一个工程。（2） 选择求解类型。 在 hfss 中有三种求解类型： 模式驱动求解， 终端驱动求解和本征模求解。（3） 创建参数化设计模型。 在 hfss 设计中，创建参数化模型包括： 构造出准确的几何模型，指定模型的材料属性以及准确地非配边界条件和端口激励。（4） 求解设置。求解设置包括定求