我国超宽带耦合器的设计分析
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【摘要】随着当前经济的不断发展，无线通信技术广泛应用于卫星精确导航、远距离无线通讯、智能测绘遥控、军事电子干扰对抗等领域。因此为了满足日益增多的频率容量需求，便要对密集型的微波频率实行间隔高效利用，因此交叉耦合方式的高性能耦合器应运而生。笔者将会对微波通信系统中的核心无源元件耦合器的设计研发、应用现状，发展前景进行简要概述。
【关键词】微波技术；交叉耦合；耦合器；频率资源
目前高科信息化无线通信技术中应用范围较广，技术最为成熟的便是无线微波通信技术。而耦合器是微波通信系统中主导部分，技术参数要求最高的核心无源元器件，它同样是现代高科技卫星测绘、通信、雷达精确测控的核心元件。
随着无限通线技术的日臻成熟完善，在各领域通信中得到了更为广泛的应用，但是微波波段资源有限，各种通信技术的应用使信息传播中波段频率的间隔越来越小，这就造成了在信息传输过程中波段频率出现重合概率的增大，这样便会使微波通信的准确度不可避免的下降，因此设计研发高性能微波耦合器是科研技术人员面临的重要课题。
多选性宽带耦合器、微电子可调耦合器等高性能耦合器将是今后一段时间设计研发工作的中心。它具有线圈缠绕紧密，交叉耦合等特点，因此该耦合器与普通耦合器相比而言，体积更小，重量更轻，价格更低，精确度以及抗干扰能力更强。
一、耦合器技术
1.耦合器技术应用发展
因为耦合器性能高低将直接影响整个无线通信系统的通信质量，而未来微波耦合器发展方向将是体积更小、重量更轻、工作损耗更小、抗干扰能力更强的耦合器。目前微波通信技术还主要应用于国防军事方面，普通的民用通信基础设施还没有完善而且价格很高。现在高端通信技术比如卫星通信、雷达测控等要求微波耦合器具有体积小、重量轻、低损耗、窄频段等特点，因此在进行微波耦合器设计研发工作时，便要求耦合器对微波波段的相位与振幅强度进行精确校正。
由于微波通信损耗低、精度高等特点，移动电子设备也将广泛应用微波通信技术，因此就要求耦合器在保证高性能的前提下，体积小、重量轻、价格更加低廉来迎合工厂车间生产线的生产方式。
2.微波耦合器设计研发
伴随着现代通信技术的快速发展，耦合器设计研发技术也有了跨越式的发展。微波耦合器即成为电路网络系统与网络信息传输函数是两个主要设计方向。
微波耦合器的电路系统分为直接耦合式和交叉耦合式两种。直接耦合式耦合器采用直线型电路连接形式，下图为直接耦合器电路原始图，这个电路系统只有一个通路，信号电流可直接从输入端口经单线电路到输出端口；直接耦合式耦合器主要有阶梯阻抗变换耦合器、平行式耦合线耦合器、梳状耦合线式耦合器、交指式耦合器等等。
交叉耦合式微波耦合器的电路系统有多个通路，即信号电流从输入端口传输到输出端口经由电路具有选择性，该耦合器不是微波信号相位中最小的耦合器，因此它可以实现特点平面的零点传输，而且由于它线路选择多变性，可以有效调剂微波信号相位。通过以上论述不难看出，交叉是耦合耦合器较直接耦合式耦合器性能更佳。
微波耦合器网络传输函数主要非为以下几种：切比雪夫函数、椭圆函数、巴特沃斯函数等。切比雪夫函数与椭圆函数微波耦合器在现在通信领域中是应用最为广泛的两种，而巴特沃斯耦合器是最为平稳的耦合器，而且微波频段边缘下降速度缓慢，已经不能满足现代通信系统高性能的设计要求。
二、定向耦合器设计应用
1.定向耦合器功能特性以及应用
在整个微波通信系统中，定向耦合器是一种应用最为广泛的电子元件。它的主要作用是对传输信号微波频段进行功率的整合以及分配，定向耦合器应用与微波通信系统中信号发射器功率和波段频率的测定与整合。除此之外信号波段相位调节，电桥式微波阻抗、平衡信号波段放大器、信号功率控制等一些其测量作用的仪器也有定向耦合器的相关应用。定向耦合器还能够对发射波段域反射波段中微波所携带的信息进行提取，在经过一些列特定程序处理，就能够得到发射波和反射波中所携带的信息，为实现与网络技术对接提供非常重要的依据。
总而言之，微波通信领域中微波耦合器应用越来越广泛，而它的性能随着现代科技的进步与发展，也将大大提高。而且现代通信对信号频率带横向宽度的需求越来越明显，摆在科研技术人员面前一个很重要的课题就是尽量改善耦合器设计研发工艺水平，改良耦合方式等等，研制宽带、紧促式耦合器，提高耦合器性能，提高微波通信质量。
2.定向耦合器分类
定向耦合器有许多种不同的类型，可以按照传输方向、传输电路线类型、耦合方式以及输出端口相位等不同角度予以分类。比如按信号频段传输方向进行分类可分为同向定向耦合器与反向定向耦合器；按信号传输电路线类型可分为波段带状线型、同轴波段线型、矩形波导型、圆波导型等微波定向耦合器。若按耦合形式可分为单孔、多孔耦合、波导接头形耦合以及环形耦合定向耦合器等。若以信号波相位可分为90度和180度定向耦合器。
3.定向耦合器性能指标
微波定向耦合器的重要参数指标主要包括定向性以及耦合度。微波定向耦合器的定向性系数指的是在理论情况下，信号通道应该只有一个能量输出端口，但实际情况下别的输出端口也会有能量的逸散，就将逸散能量与理论情况下能量输出比值的分贝数就做定向耦合器的定向系数，称之为耦合器的定向性。由此可以看出耦合器的定向性系数越大证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时信号输入的主要通道的输入电压与其他通道输出电压的比值。对定向耦合器这种耗能元件来说，总的能量输入一定大于其输出能量，耦合系数越大证明能量损耗越少，定向耦合器的耦合度也就越弱。
4.研发现状
紧耦合式微波定向耦合器是目前科研工作者的主要方向。因为如果耦合器耦合系数较小，目前电子集成电路板印刷水平做不到电路中设计所需线与线之间距离的连接。现阶段我国的定向耦合器研究方向主要集中在对于现有耦合方式与电子网络结构的改善，以及生产工艺方面的改进，并没有对于耦合方式进行结构改进方面的研究，对于紧耦合式耦合器的设计研发工作开展也不多，因此我国在微波定向耦合器设计与研发水平上存在很大差距。
而对于微波耦合器主要是对其“瘦身”，即尽量减小耦合器的体积，研究原理是运用网络结构函数以及较少的阶数与性能优良材料等来实现微波耦合器信号波段选择性好，抗干扰能力强的主要性能参数。除了使微波耦合器小型化，还可以对耦合器内部信号频段谐振器的结构进行改良，因为现在广泛应用的平稳均匀式阻抗谐振器的结构设计相对简单，设计尺寸相对较小，由于这些硬件方面的限制，微波耦合器的整体性能总体偏低，阶跃式阻抗谐振器应运而生，是目前能够解决现有问题的参考依据，而要将其性能整合完善良好地应用在微波耦合器上还有待于做进一步的深入研究。
三、结语
随着现代科技的不断发展，其中无线通信技术的核心部件为无源器件耦合器。未来耦合器的发展趋势将是不断朝向小型化，低能耗，的方向发展，优良的加工制作工艺将迎合工厂化大批量的生产和普遍应用的特点。
想要达到以上这些要求，不仅仅需要现代通信技术还要与高性能材料加工工艺学，电磁学，现代物理学等相结合。社会的进步和发展离不开科技创新与进步，可见现代通信技术拥有广阔的发展空间。
参考文献
[1]陆正果，刘烨.多节平行耦合线定向耦合器设计.全国第十届微波集成电路与移动通信学术年会，2004.
[2]甘本祓，吴万春.现代微波耦合器的结构与设计（下册）[M].北京；科学出版社，1973：198-205.