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        淺析微波耦合器的設(shè)計(jì)分析

        2014-02-18 03:50:02孫志宇
        城市建設(shè)理論研究 2014年5期
        關(guān)鍵詞:無線通信

        摘要:隨著現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展,無線通信技術(shù)已應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域中,其中無線通信技術(shù)在衛(wèi)星精確導(dǎo)航、遠(yuǎn)距離無線通訊、智能測(cè)繪遙控、軍事電子干擾對(duì)抗等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。因此為了滿足日益增多的頻率容量需求,便要對(duì)密集型的微波頻率實(shí)行間隔高效的利用,為此交叉耦合方式的高性能耦合器應(yīng)運(yùn)而生。微波技術(shù)的發(fā)展是以高性能交叉耦合式耦合器元件的研發(fā)設(shè)計(jì)為基礎(chǔ),筆者將會(huì)對(duì)微波通信系統(tǒng)中的核心無源元件耦合器的設(shè)計(jì)研發(fā)、應(yīng)用現(xiàn)狀,發(fā)展前景進(jìn)行簡要概述。

        關(guān)鍵詞:微波技術(shù);無線通信; 測(cè)繪遙控; 耦合器

        前言:根據(jù)當(dāng)前信息技術(shù)的發(fā)展前沿進(jìn)行分析,其中無線通信技術(shù)的研發(fā),無論是對(duì)于國家軍事還是生活都有緊密的聯(lián)系。而耦合器是微波通信系統(tǒng)中主導(dǎo)部分,技術(shù)參數(shù)要求最高的核心無源元器件,它同樣是現(xiàn)代高科技衛(wèi)星測(cè)繪、通信、雷達(dá)精確測(cè)控的核心元件。隨著無限通線技術(shù)的日臻成熟完善,在各領(lǐng)域通信中得到了更為廣泛的應(yīng)用,但是微波波段資源有限,各種通信技術(shù)的應(yīng)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(xiàn)重合概率的增大,這樣便會(huì)使微波通信的準(zhǔn)確度不可避免的下降,因此設(shè)計(jì)研發(fā)高性能微波耦合器是科研技術(shù)人員面臨的重要課題。

        一、耦合器技術(shù)的性能分析

        1、當(dāng)前耦合器技術(shù)的發(fā)展歷程

        無線微波核心元件的主導(dǎo)部分是耦合器,并且廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代衛(wèi)星遙感測(cè)繪系統(tǒng)、現(xiàn)代無線通信與雷達(dá)精確遙控等領(lǐng)域,有著不可替代的重要作用?,F(xiàn)代通信系統(tǒng)要求精準(zhǔn)度高、抗干擾能力強(qiáng)、體積相對(duì)較小、重量較輕等特點(diǎn),這就對(duì)微波耦合器設(shè)計(jì)研究工作提出了很高的要求,因?yàn)轳詈掀餍阅芨叩蛯⒅苯佑绊懻麄€(gè)無線通信系統(tǒng)的通信質(zhì)量。而未來微波耦合器發(fā)展方向?qū)⑹求w積更小、重量更輕、工作損耗更小、抗干擾能力更強(qiáng)的耦合器。目前微波通信技術(shù)還主要應(yīng)用于國防軍事方面,普通的民用通信基礎(chǔ)設(shè)施還沒有完善而且價(jià)格很高?,F(xiàn)在高端通信技術(shù)比如衛(wèi)星通信、雷達(dá)測(cè)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(diǎn),因此在進(jìn)行微波耦合器設(shè)計(jì)研發(fā)工作時(shí),便要求耦合器對(duì)微波波段的相位與振幅強(qiáng)度進(jìn)行精確校正。

        2、平行耦合線的設(shè)計(jì)分析

        平行耦合線是當(dāng)今耦合器中最常見的一種輸入電流與輸出電流的耦合方式,按照耦合方式的不同分為奇模耦合方式和偶模耦合方式,以此按照這種類型方式來分析平行耦合線的設(shè)定的阻抗參數(shù)L,然后根據(jù)所求出的阻抗參數(shù)來分析其他參數(shù)矩陣的排列情況。如下圖所示為一個(gè)四端口網(wǎng)絡(luò)的平行耦合線,其中在a、b兩個(gè)端口上加入同向等幅值的電流源I1,然后在此基礎(chǔ)上同時(shí)添加反向等幅值的電流源I2,在耦合器線型單元中進(jìn)行偶模激勵(lì),與此同時(shí)奇模激勵(lì)也正朝向耦合線型幅值進(jìn)行疊加和衰減;在c、d兩個(gè)端口上也加入同向等幅值的電流源I3,然后在此基礎(chǔ)上同時(shí)添加反向等幅值的電流源I4,在耦合器線型單元中進(jìn)行偶模激勵(lì),奇模激勵(lì)也正同時(shí)進(jìn)行。此時(shí)四個(gè)端口電流之間的疊加情況如下列公式所示:

        a=I1+I2;b=I1-I2; c=I3+I4;d=I3-I4

        在如圖所示的結(jié)構(gòu)中,因?yàn)檩斎氲碾娏髟聪嗤?,在偶模激?lì)下,傳輸?shù)碾娏鳌㈦妷褐迪嗟确较蛳嗤姨幱谕环N傳輸介質(zhì)中,利用對(duì)稱原理在同一條干路所傳輸?shù)碾娏髋c電壓值為各支路之和,但是在奇模激勵(lì)作用下,兩根線上所傳輸?shù)碾娏鳌㈦妷悍较蛳喾?,所以干路所引起的電流、電壓為各個(gè)支路之差。

        cI4 I3 I4 d

        I14 I2

        U14U23

        aI1I2I1b

        根據(jù)圖中所標(biāo)示的線性關(guān)系,線路中沒點(diǎn)的電壓電流值均為該點(diǎn)單獨(dú)在恒流源控制下,所引起的偶激勵(lì)與奇激勵(lì)之間的代數(shù)和,當(dāng)a、b兩端口加入恒定電源然后進(jìn)行偶模激勵(lì),然后保持c、d之間為開路端口,此時(shí)線上的電壓與電流之間的關(guān)系將呈現(xiàn)出正弦函數(shù)的關(guān)系:I1=I2=I12,傳輸線路上的駐波電壓與電流在線型圖像上相差β/4,即傳輸?shù)碾妷翰ǜ裹c(diǎn)為所傳輸電流的波節(jié)點(diǎn),兩者之間存在這樣使比例關(guān)系:U14=U23=—PZIcos.

        微波耦合器網(wǎng)絡(luò)傳輸函數(shù)主要非為以下幾種:切比雪夫函數(shù)、橢圓函數(shù)、巴特沃斯函數(shù)等。切比雪夫函數(shù)與橢圓函數(shù)微波耦合器在現(xiàn)在通信領(lǐng)域中是應(yīng)用最為廣泛的兩種,而巴特沃斯耦合器是最為平穩(wěn)的耦合器,而且微波頻段邊緣下降速度緩慢,已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代通信系統(tǒng)高性能的設(shè)計(jì)要求。

        二、定向耦合器的發(fā)展應(yīng)用

        1、定向耦合器性能分析以及發(fā)展應(yīng)用

        在整個(gè)微波通信系統(tǒng)中,定向耦合器是一種應(yīng)用最為廣泛的電子元件。它的主要作用是對(duì)傳輸信號(hào)微波頻段進(jìn)行功率的整合以及分配,定向耦合器應(yīng)用與微波通信系統(tǒng)中信號(hào)發(fā)射器功率和波段頻率的測(cè)定與整合。除此之外信號(hào)波段相位調(diào)節(jié),電橋式微波阻抗、平衡信號(hào)波段放大器、信號(hào)功率控制等一些其測(cè)量作用的儀器也有定向耦合器的相關(guān)應(yīng)用。

        總而言之,微波通信領(lǐng)域中微波耦合器應(yīng)用越來越廣泛,而它的性能隨著現(xiàn)代科技的進(jìn)步與發(fā)展,也將大大提高。而且現(xiàn)代通信對(duì)信號(hào)頻率帶橫向?qū)挾鹊男枨笤絹碓矫黠@,擺在科研技術(shù)人員面前一個(gè)很重要的課題就是盡量改善耦合器設(shè)計(jì)研發(fā)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(zhì)量。

        2定向耦合器的分類指標(biāo)

        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(hào)頻段傳輸方向進(jìn)行分類可分為同向定向耦合器與反向定向耦合器;按信號(hào)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(dǎo)型、圓波導(dǎo)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(dǎo)接頭形耦合以及環(huán)形耦合定向耦合器等。若以信號(hào)波相位可分為90度和180度定向耦合器。

        3、定向耦合器的性能參數(shù)指標(biāo)

        微波定向耦合器的重要參數(shù)指標(biāo)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(shù)指的是在理論情況下,信號(hào)通道應(yīng)該只有一個(gè)能量輸出端口,但實(shí)際情況下別的輸出端口也會(huì)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(shù)就做定向耦合器的定向系數(shù),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(shù)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(shí)信號(hào)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(duì)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(shù)越大證明能量損耗越少,定向耦合器的耦合度也就越弱。

        結(jié)語:

        隨著社會(huì)的不斷發(fā)展,人類逐漸邁入信息化時(shí)代,信息準(zhǔn)確無誤的及時(shí)傳輸離不開當(dāng)前通信技術(shù)。而現(xiàn)代通信技術(shù)中占據(jù)重要位置的是無線通信技術(shù),無線通信技術(shù)的核心是無源器件耦合器??偟膩碚f耦合器性能優(yōu)劣將直接影響無線通信系統(tǒng)信息傳輸質(zhì)量。未來耦合器的發(fā)展趨勢(shì)將是朝向小型化,低能耗的發(fā)展方向進(jìn)行發(fā)展,優(yōu)良的加工制作工藝將來為企業(yè)帶來更多的產(chǎn)值效益。為此要明確定向的發(fā)展目標(biāo),不僅僅需要現(xiàn)代通信技術(shù)還要與高性能材料加工工藝學(xué),電磁學(xué),現(xiàn)代物理學(xué)等相結(jié)合,可見現(xiàn)代通信技術(shù)擁有廣闊的發(fā)展空間。

        參考文獻(xiàn):

        [1]張爽,王家禮.超寬帶定向耦合器的設(shè)計(jì).無線電工程.2003年12月.

        [2]周萌.帶狀線性定向耦合器的分析與設(shè)計(jì).西安電子科技大學(xué),碩士學(xué)位論文.2009.

        作者簡介:孫志宇,1979年5月出生,男,漢族,石家莊市人,本科,工程師,工作于中國電子科技集團(tuán)公司?河北半導(dǎo)體研究所

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