我國超寬帶耦合器的設計分析

【摘要】隨著當前經濟的不斷發展，無線通信技術廣泛應用于衛星精確導航、遠距離無線通訊、智能測繪遙控、軍事電子干擾對抗等領域。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利用，因此交叉耦合方式的高性能耦合器應運而生。筆者將會對微波通信系統中的核心無源元件耦合器的設計研發、應用現狀，發展前景進行簡要概述。

【關鍵詞】微波技術；交叉耦合；耦合器；頻率資源

目前高科信息化無線通信技術中應用范圍較廣，技術最為成熟的便是無線微波通信技術。而耦合器是微波通信系統中主導部分，技術參數要求最高的核心無源元器件，它同樣是現代高科技衛星測繪、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，因此設計研發高性能微波耦合器是科研技術人員面臨的重要課題。

多選性寬帶耦合器、微電子可調耦合器等高性能耦合器將是今后一段時間設計研發工作的中心。它具有線圈纏繞緊密，交叉耦合等特點，因此該耦合器與普通耦合器相比而言，體積更小，重量更輕，價格更低，精確度以及抗干擾能力更強。

一、耦合器技術

1.耦合器技術應用發展

因為耦合器性能高低將直接影響整個無線通信系統的通信質量，而未來微波耦合器發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。現在高端通信技術比如衛星通信、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。

由于微波通信損耗低、精度高等特點，移動電子設備也將廣泛應用微波通信技術，因此就要求耦合器在保證高性能的前提下，體積小、重量輕、價格更加低廉來迎合工廠車間生產線的生產方式。

2.微波耦合器設計研發

伴隨著現代通信技術的快速發展，耦合器設計研發技術也有了跨越式的發展。微波耦合器即成為電路網絡系統與網絡信息傳輸函數是兩個主要設計方向。

微波耦合器的電路系統分為直接耦合式和交叉耦合式兩種。直接耦合式耦合器采用直線型電路連接形式，下圖為直接耦合器電路原始圖，這個電路系統只有一個通路，信號電流可直接從輸入端口經單線電路到輸出端口；直接耦合式耦合器主要有階梯阻抗變換耦合器、平行式耦合線耦合器、梳狀耦合線式耦合器、交指式耦合器等等。

交叉耦合式微波耦合器的電路系統有多個通路，即信號電流從輸入端口傳輸到輸出端口經由電路具有選擇性，該耦合器不是微波信號相位中最小的耦合器，因此它可以實現特點平面的零點傳輸，而且由于它線路選擇多變性，可以有效調劑微波信號相位。通過以上論述不難看出，交叉是耦合耦合器較直接耦合式耦合器性能更佳。

微波耦合器網絡傳輸函數主要非為以下幾種：切比雪夫函數、橢圓函數、巴特沃斯函數等。切比雪夫函數與橢圓函數微波耦合器在現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的耦合器，而且微波頻段邊緣下降速度緩慢，已經不能滿足現代通信系統高性能的設計要求。

二、定向耦合器設計應用

1.定向耦合器功能特性以及應用

在整個微波通信系統中，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中信號發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節，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。定向耦合器還能夠對發射波段域反射波段中微波所攜帶的信息進行提取，在經過一些列特定程序處理，就能夠得到發射波和反射波中所攜帶的信息，為實現與網絡技術對接提供非常重要的依據。

總而言之，微波通信領域中微波耦合器應用越來越廣泛，而它的性能隨著現代科技的進步與發展，也將大大提高。而且現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，提高微波通信質量。

2.定向耦合器分類

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.定向耦合器性能指標

微波定向耦合器的重要參數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就做定向耦合器的定向系數，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，耦合系數越大證明能量損耗越少，定向耦合器的耦合度也就越弱。

4.研發現狀

緊耦合式微波定向耦合器是目前科研工作者的主要方向。因為如果耦合器耦合系數較小，目前電子集成電路板印刷水平做不到電路中設計所需線與線之間距離的連接。現階段我國的定向耦合器研究方向主要集中在對于現有耦合方式與電子網絡結構的改善，以及生產工藝方面的改進，并沒有對于耦合方式進行結構改進方面的研究，對于緊耦合式耦合器的設計研發工作開展也不多，因此我國在微波定向耦合器設計與研發水平上存在很大差距。

而對于微波耦合器主要是對其“瘦身”，即盡量減小耦合器的體積，研究原理是運用網絡結構函數以及較少的階數與性能優良材料等來實現微波耦合器信號波段選擇性好，抗干擾能力強的主要性能參數。除了使微波耦合器小型化，還可以對耦合器內部信號頻段諧振器的結構進行改良，因為現在廣泛應用的平穩均勻式阻抗諧振器的結構設計相對簡單，設計尺寸相對較小，由于這些硬件方面的限制，微波耦合器的整體性能總體偏低，階躍式阻抗諧振器應運而生，是目前能夠解決現有問題的參考依據，而要將其性能整合完善良好地應用在微波耦合器上還有待于做進一步的深入研究。

三、結語

隨著現代科技的不斷發展，其中無線通信技術的核心部件為無源器件耦合器。未來耦合器的發展趨勢將是不斷朝向小型化，低能耗，的方向發展，優良的加工制作工藝將迎合工廠化大批量的生產和普遍應用的特點。

想要達到以上這些要求，不僅僅需要現代通信技術還要與高性能材料加工工藝學，電磁學，現代物理學等相結合。社會的進步和發展離不開科技創新與進步，可見現代通信技術擁有廣闊的發展空間。

參考文獻

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