耦合器畢業(yè)論文

1、題目：130MHz雙定向耦合器的設(shè)計(jì)與制作28摘 要定向耦合器在射頻電路中有著重要作用，既可作分支器件及功率檢測(cè)部件，又可作為放大器的反饋元件。本文在概述了課題背景之后介紹了定向耦合器兩種耦合方式：串聯(lián)耦合和并聯(lián)耦合。這兩種耦合方式是實(shí)現(xiàn)定向耦合器分流信號(hào)的基礎(chǔ)。用這兩種耦合方式組合出了兩種可用的電路結(jié)構(gòu)，本文詳細(xì)地推導(dǎo)了理想情況下各個(gè)參數(shù)的表達(dá)式。兩變壓器的雙定向耦合器電路簡(jiǎn)單，隔離度不夠好，三變壓器的定向耦合器電路復(fù)雜，隔離度很好。為了便于討論磁芯對(duì)變壓器的影響，本文給出了實(shí)際變壓器的等效電路，通過(guò)與理想變壓器的比較，發(fā)現(xiàn)磁芯的初始磁導(dǎo)率決定了變壓器的最低使用頻率，磁導(dǎo)率的虛部決定了主線衰

2、減的大小，變壓器的漏磁與磁芯的形狀有很大的關(guān)系。接著對(duì)不同材料，不同形狀的磁芯作了介紹。根據(jù)本課題的實(shí)際需要，選擇了環(huán)形的鎳鋅鐵氧體磁芯。為了對(duì)線圈的自感有個(gè)大致的了解并且比較不同磁芯的磁導(dǎo)率，用高頻Q表測(cè)了幾個(gè)不同磁芯的磁導(dǎo)率。然后，制作出了定向耦合器的實(shí)物，經(jīng)測(cè)試，除端口駐波比外，都滿足要求：主線衰減0.24DB，耦合度20.3DB，隔離度28DB，低頻端的駐波比接近1.5。最后，對(duì)結(jié)果進(jìn)行了討論，分析了造成駐波比偏高的原因。同時(shí)也對(duì)整個(gè)課題作了一個(gè)總結(jié)。關(guān)鍵詞：雙定向耦合器 耦合方式 變壓器 磁芯選擇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 錄摘 要IAbstractII1 選題背景111本課題的意義112功能和特征113實(shí)現(xiàn)方式214技術(shù)指標(biāo)415研究現(xiàn)狀52 方案選擇721耦合方式722兩變壓器定向耦合器823三變壓器定向耦合器123 磁芯的選擇1531變壓器等效電路1532磁芯的種類1733磁芯的參數(shù)194 材料的測(cè)試與定向耦合器的制作2141 材料參數(shù)的比較與測(cè)量2142 定向耦合器的制作與測(cè)試225 結(jié)論和總結(jié)25參 考 文 獻(xiàn)271 選題背景11本課題的意義定向耦合器在射頻電路中有著重要作用，既可作分支器及功率檢測(cè)部件，又可作為放大器的反饋元件：定向耦

10、合器作為功率檢測(cè)部件時(shí)，在發(fā)射機(jī)的功率控制、功率指示以及整機(jī)保護(hù)中都有著重要作用；定向耦合器作為反饋元件時(shí)，具有電阻反饋網(wǎng)絡(luò)不具有的諸多優(yōu)點(diǎn)。在有線電視中，定向耦合器是將天線接收到的電視信號(hào)進(jìn)行放大、分配并傳給許多用戶的專用設(shè)備，是有線電視的信號(hào)分配系統(tǒng)。為了保證有線電視的質(zhì)量，定向耦合器必須具有足夠的隔離度以免用戶之間的相互影響。為了傳遞多頻道電視，定向耦合器必須是寬帶的，在幾百兆赫茲以下，集中參數(shù)定向耦合原件具有上述要求的性能，因而它在有線電視中獲得了廣泛的應(yīng)用。定向耦合器是信號(hào)監(jiān)視的主要器件。在電源盒負(fù)載之間插入一個(gè)定向耦合器就可用來(lái)監(jiān)視信號(hào)。如果在耦合段接頻率計(jì)，可作頻率監(jiān)測(cè)。如果接功

11、率計(jì)，可作功率監(jiān)測(cè)。若用雙定向耦合器則可同時(shí)測(cè)出電源輸出功率和負(fù)載反射功率，因而它也可用來(lái)作電壓駐波系數(shù)的測(cè)量。定向耦合器也可以作為放大器的反饋元件。在電子線路中使用反饋技術(shù)可以改善放大器的線性度，擴(kuò)大放大器的動(dòng)態(tài)范圍。如果用電阻網(wǎng)絡(luò)作為反饋元件，由于電阻是有耗得，所以用電阻反饋會(huì)增加噪聲系數(shù)和降低輸出功率。而定向耦合器的有效損耗很小，即使使用大量的反饋也不會(huì)使有源器件本身的噪聲系數(shù)有明顯的增加，同時(shí)不會(huì)減少有源器件可能的輸出功率。這種技術(shù)的重要成果在于，在其他條件完全相同的情況下，與電阻反饋相比較，放大器的動(dòng)態(tài)范圍或噪聲系數(shù)將明顯地得到改善1。12功能和特征 定向耦合器分為單定向耦合器和雙定

12、向耦合器。圖1-1左邊為單定向耦合器，A，B和C是三個(gè)端口，當(dāng)信號(hào)從A端輸入時(shí)，B為主線輸出端，C為耦合或分流端：而當(dāng)信號(hào)從B端輸入時(shí)，A為主線輸出端，C端在理想情況下輸出為零。圖1-1右邊為雙定向耦合器，A和B端為主線端，當(dāng)信號(hào)從A端輸入時(shí)，耦合信號(hào)從C端輸出，D端沒(méi)有輸出：當(dāng)信號(hào)從B端輸入時(shí)，耦合信號(hào)從D端輸出，C端沒(méi)有輸出?？傊?，在圖1-1中A端與D端之間是隔離的，B端和C端彼此也是隔離的。 圖1-1 單定向耦合器（左）與雙定向耦合器（右）示意圖綜上所述，定向耦合器具有兩個(gè)主要特性：第一，可以用來(lái)耦合或分流信號(hào)；第二，耦合或分流是有方向性的。13實(shí)現(xiàn)方式 要實(shí)現(xiàn)定向耦合器的功能：耦合端有

13、信號(hào)，隔離端無(wú)信號(hào)。最基本的思想是使信號(hào)從輸入端傳輸?shù)街骶€輸出端的過(guò)程中泄露幾部分信號(hào)，這幾部分信號(hào)在耦合端相位相同，因此耦合端輸出泄露的信號(hào)的疊加，而這幾部分泄露的信號(hào)在隔離端相位相反，因此隔離端的信號(hào)相互抵消，沒(méi)有信號(hào)輸出。在基本思想不變的情況下，具體實(shí)現(xiàn)方式多種多樣，下面列舉幾類典型的實(shí)現(xiàn)方法。第一類，使用波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)。將兩個(gè)波導(dǎo)緊貼在一起，在它們的公共壁上鑿兩個(gè)洞。使信號(hào)從一個(gè)波導(dǎo)透入到另一個(gè)波導(dǎo)，并在另一個(gè)波導(dǎo)中相疊加或者相抵消后輸出。信號(hào)開(kāi)始傳輸?shù)牟▽?dǎo)稱為激發(fā)波導(dǎo)，而信號(hào)透入到得另一個(gè)波導(dǎo)稱為被激發(fā)波導(dǎo)。圖1-2所示為一個(gè)用波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)單定向耦合器。上面的波導(dǎo)為被激發(fā)波導(dǎo)，下面的波導(dǎo)為

14、激發(fā)。1和2為波導(dǎo)公共壁上的兩個(gè)孔。假設(shè)從每個(gè)孔透出的信號(hào)都均等地向被激發(fā)波導(dǎo)的兩端傳輸。從1孔透出的一部分信號(hào)A在被激發(fā)波導(dǎo)中從孔1位置傳播到孔2位置，而沒(méi)有透出的那一部分信號(hào)則在激發(fā)波導(dǎo)中從孔1位置傳播到孔2位置后，從孔2再透出一部分信號(hào)B。A部分信號(hào)和B部分信號(hào)所走的距離相同，所以在孔2處，這兩部分信號(hào)同相疊加后從被激發(fā)波導(dǎo)的右端（即耦合端）輸出。從兩個(gè)孔透出的信號(hào)分別都有一部分向左傳播，從孔2透出的信號(hào)要比從孔1透出的信號(hào)多走一段距離，這段距離就是兩孔間距的兩倍。只要使這段距離為信號(hào)的半波長(zhǎng)（兩孔間距為信號(hào)的四分之一波長(zhǎng)），從孔2透出的信號(hào)與從孔1透出的信號(hào)相位相差180度，在被激發(fā)波

15、導(dǎo)的左端（即隔離端）相抵消，隔離端無(wú)信號(hào)輸出2。圖1-2 用波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)單定向耦合器此類定向耦合器的優(yōu)點(diǎn)是功率容量大，適合高功率發(fā)射機(jī)中使用；它的缺點(diǎn)是體積過(guò)于龐大3。第二類，使用帶狀線實(shí)現(xiàn)。當(dāng)兩個(gè)無(wú)屏蔽的帶狀線緊靠在一起時(shí)，由于各個(gè)傳輸線的電磁場(chǎng)的相互作用，在傳輸線之間會(huì)有功率耦合。圖1-3是作為定向耦合器的兩根帶狀線。與波導(dǎo)方式不同的是，帶狀線之間每個(gè)位置都會(huì)有信號(hào)的耦合，而不是僅僅在開(kāi)孔的地方。耦合后的信號(hào)向耦合端傳輸?shù)牟糠滞虔B加，向隔離端傳輸?shù)牟糠址聪虻窒◣罹€尺寸與信號(hào)波長(zhǎng)滿足一定關(guān)系的情況下）。相比于用波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)的定向耦合器，這種可以將尺寸做得更小4567。圖1-3 用帶狀線實(shí)現(xiàn)

16、的簡(jiǎn)單定向耦合器第三類，使用集總變壓器實(shí)現(xiàn)。變壓器由于初級(jí)和次級(jí)間的磁交鏈，可以用來(lái)耦合或則分流信號(hào)。有了這個(gè)基本功能，就只需要想辦法使變壓器耦合出來(lái)的信號(hào)在耦合端同相疊加，在隔離端反向抵消。比較以上三類實(shí)現(xiàn)方式，前兩種是分布參數(shù)的定向耦合器，這類器件的尺寸跟工作信號(hào)的波長(zhǎng)密切相關(guān)，通常應(yīng)用于頻率上GHz的微波領(lǐng)域。而且相對(duì)帶寬也很窄，這是與工作信號(hào)波長(zhǎng)相關(guān)的器件的通病，雖然可以通過(guò)一些方式去增加帶寬，但是是通帶內(nèi)的平坦度會(huì)受到影響。第三種是集總參數(shù)的定向耦合器，這種是變壓器的混接網(wǎng)絡(luò)。它具有所有集總元件的共同優(yōu)點(diǎn)：尺寸小，相對(duì)帶寬大。如果這種變壓器使用漆包線繞的話，由于分布電容的原因，只能在

17、幾十兆赫茲的頻率內(nèi)使用。如果使用傳輸線繞制的話，則可以將使用頻率提高到一千兆赫茲。這使得變壓器器定向耦合器的使用頻段延伸到了微波段，分布參數(shù)定向耦合器不能使用的頻段也可以使用變壓器定向耦合器代替。本課題的使用頻段為1-30MHz，只能選擇第三類實(shí)現(xiàn)方式。14技術(shù)指標(biāo)為了衡量定向耦合器器的性能好壞，規(guī)定了若干技術(shù)指標(biāo)。通常定向耦合器的主要技術(shù)指標(biāo)包括主線衰減，耦合度，隔離度，方向性，輸入端駐波系數(shù)和工作帶寬89。在如果定向耦合器輸入端的輸入功率為P1，主線輸出端，耦合端和隔離端的輸出功率分別為P2，P3和P4，則定向耦合器的有關(guān)參數(shù)可表示為1）主線衰減 (1-1)主線衰減并不表示定向耦合器本身?yè)p

18、耗的大小，其包括本身?yè)p耗和耦合端的功率分離所引起的損耗兩部分。所以，當(dāng)耦合度越大，主線衰減也會(huì)增加。2）耦合度 (1-2)Ac的值越大，表明定向耦合器的耦合輸出越小，Ac的值越小，表明定向耦合器的耦合輸出越大。常見(jiàn)的3db定向耦合器為強(qiáng)耦合定向耦合器，20db或者30db的定向耦合器為弱耦合定向耦合器。耦合度不同，結(jié)構(gòu)要求也會(huì)不一樣。3）隔離度 (1-3)Ar的值越大，表明隔離端輸出的信號(hào)越小，隔離性能越好。理想情況下，隔離端是沒(méi)有信號(hào)輸出的，但實(shí)際情況總是與理想相去甚遠(yuǎn)4）方向度 (1-4)方向度就是隔離度與耦合度的差值，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、和隔離度都是表示定向耦合器定向性能的好壞的，方向度是定向耦合器最重要的參數(shù)。對(duì)于理想的定向耦合器，其隔離度為無(wú)窮大，此時(shí)P4=0，則輸入功率 (1-5)以上所提到的定向耦合器的參數(shù)，是定向耦合器的個(gè)性參數(shù)。此外，還有屬于電子傳輸器件的共性參數(shù)。5）電壓駐波系數(shù)某一端口的電壓駐波系數(shù)，指其他端口都匹配的情況下，這一端口的輸入信號(hào)與反射信號(hào)的比值。6）工作頻帶工作頻帶是指定向耦合器的其他參數(shù)都滿足要求的工作頻率范圍。7）功率容量由于變壓器的磁芯在通過(guò)一定大的電流時(shí)會(huì)出現(xiàn)磁飽和，所以定向耦合器能通過(guò)的電流由限制，能承受的最大功率稱為功率容量。在一般的信號(hào)傳輸中，信號(hào)都比較小，很少考慮功率容量這個(gè)參數(shù)

20、。15研究現(xiàn)狀隨著微波應(yīng)用范圍的日益擴(kuò)大，定向耦合器己成為許多微波系統(tǒng)和設(shè)備中的一個(gè)重要部件，因而，國(guó)內(nèi)外有關(guān)定向耦合器的研究很多。而隨著不同的工程實(shí)踐的需求，出現(xiàn)了各種各樣的定向耦合器。下面我們對(duì)其中一些類型的定向耦合器的研究狀況進(jìn)行簡(jiǎn)單的闡述：選模定向耦合器1011。在高功率微波系統(tǒng)中，一般都采用過(guò)模圓波導(dǎo)作為主波導(dǎo)以傳輸足夠高的功率，微波源在過(guò)模波導(dǎo)中將激勵(lì)起多個(gè)模式，定性和定量地分析這些模式成份，就是模式識(shí)別器的任務(wù)。以往人們提出的各種模式識(shí)別方法，有的無(wú)法同時(shí)完成定性和定量分析的雙重任務(wù)，有的僅適用單模系統(tǒng)，且一般都不能用于高功率單次脈沖系統(tǒng)。選模定向耦合器的利用，則為解決這一任務(wù)提

21、供了最方便和可靠的途徑。它不僅具有動(dòng)態(tài)性和實(shí)時(shí)性的優(yōu)點(diǎn)，而且尤其適合于高功率單次脈沖微波系統(tǒng)模式定性和定量的測(cè)量，選模定向耦合器的實(shí)現(xiàn)，為高功率單次脈沖微波的實(shí)時(shí)功率測(cè)量提供了一種更可靠更精確的方法。由于選模定向禍合器的單模性，其耦合度可以精確的標(biāo)定，從而克服了在利用探針耦合進(jìn)行微波功率測(cè)量時(shí)探針耦合度無(wú)法精確定標(biāo)的缺點(diǎn)。而多模選模定向耦合器的使用，對(duì)系統(tǒng)中的模式組成得到定性和定量分析的同時(shí)，也進(jìn)行了功率測(cè)量，將模式鑒別和功率測(cè)量利用同一元件一次完成。鐵氧體定向耦合器12。鐵氧體定向耦合器是用高強(qiáng)度漆包線繞在鐵氧體高頻磁環(huán)或磁芯上做成。這種定向耦合器實(shí)質(zhì)上是用電感線圈代替分布參數(shù)的電感，用電容

22、器代替分布電容，有時(shí)也稱其為集中參數(shù)定向耦合器。在定向耦合器設(shè)計(jì)中，使用鐵氧體能有效增加帶寬，減小尺寸和生產(chǎn)成本，同時(shí)提高了功率。在微波測(cè)量?jī)x器中使用這種定向禍合器可以降低成本，提高測(cè)量精度，有著廣闊的應(yīng)用前景。硅納米線定向耦合器。最近日本NEC公司和日本光電子工業(yè)與技術(shù)發(fā)展協(xié)會(huì)及東京大學(xué)的科學(xué)家們成功研制出硅納米線定向耦合器，該硅納米線定向耦合器比傳統(tǒng)用的玻璃光纖、基于半導(dǎo)體二氧化硅或鈮酸鋰波導(dǎo)制作的耦合器尺寸小得多。與傳統(tǒng)光導(dǎo)定向耦合器的幾毫米的長(zhǎng)度相比較，硅納米線定向耦合器的總長(zhǎng)小于或等于五十微米。由于硅芯與二氧化硅包層之間的折射率差很大(分別為3.5和1.5)，硅納米線波導(dǎo)的S形彎曲的

23、曲率半徑小得多，所以彎曲損耗小。此外，傳統(tǒng)的光導(dǎo)定向耦合器的典型耦合長(zhǎng)度為幾百微米甚至為幾毫米，而硅納米線定向耦合器的耦合長(zhǎng)度小于十微米。2 方案選擇21耦合方式雙定向耦合器有兩種：集總參數(shù)雙定向耦合器和分布參數(shù)雙定向耦合器。由于頻帶范圍為1-30MHz,如果使用分布參數(shù)雙定向耦合器，體積將非常龐大。而且，分布參數(shù)元器件的相對(duì)帶寬很小，本項(xiàng)目的頻帶范圍的相對(duì)帶寬比較大?；谝陨蟽蓚€(gè)原因，只能使用集中參數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)。變壓器耦合信號(hào)的方式有兩種，串聯(lián)耦合和并聯(lián)耦合13。顧名思義，串聯(lián)耦合就是指變壓器的初級(jí)線圈與負(fù)載串聯(lián)的耦合方式，并聯(lián)耦合是指變壓器的初級(jí)線圈與負(fù)載相并聯(lián)的耦合方式。這兩種方式的不同在于

24、：以不同的主線端作為輸入時(shí)，耦合端輸出信號(hào)的極性是不同的。對(duì)于串聯(lián)耦合，改變信號(hào)輸入端，耦合端輸出的信號(hào)的極性跟著改變。對(duì)于并聯(lián)耦合，無(wú)論以哪一個(gè)主線端作為輸入端，耦合端輸出的信號(hào)的極性都是相同的。正是基于這個(gè)特點(diǎn)，使用變壓器做定向耦合器才有了可能。下面將分別介紹這兩種耦合方式。串聯(lián)耦合的電路如圖2-1，R1為電源內(nèi)阻，T1為變壓器，R2為主線負(fù)載電阻，R3為耦合端負(fù)載電阻。耦合端C端耦合得到的信號(hào)的大小與變壓器的匝數(shù)比，內(nèi)阻，兩個(gè)負(fù)載都有關(guān)系。耦合端C端耦合信號(hào)的正負(fù)與主線端信號(hào)的輸入方向有關(guān)：當(dāng)A端作為輸入端時(shí)，C端信號(hào)為正，當(dāng)B端作為輸入端時(shí)，輸入信號(hào)方向?yàn)樨?fù)。無(wú)論信號(hào)從哪一端輸入，耦合

25、端得到的功率是一樣的。圖 2-1 串聯(lián)耦合電路圖并聯(lián)耦合的電路圖如圖2-2，與串聯(lián)耦合電路圖一樣，R1為電源內(nèi)阻，T1為變壓器，R2為主線負(fù)載電阻，R3為耦合端負(fù)載電阻。與串聯(lián)耦合不同的是，無(wú)論以A端作為輸入端還是以B端作為輸入端，耦合端C端得到的信號(hào)的極性都一樣。圖 2-2 并聯(lián)耦合電路圖以上分別敘述了串聯(lián)耦合和并聯(lián)耦合的性質(zhì)，如果將串聯(lián)耦合和并聯(lián)耦合同時(shí)耦合到同一負(fù)載上。并聯(lián)耦合輸出信號(hào)極性不變，當(dāng)串聯(lián)耦合輸出信號(hào)與并聯(lián)耦合輸出信號(hào)極性相同時(shí)，負(fù)載上得到的信號(hào)是兩種耦合信號(hào)的疊加。改變信號(hào)輸入端后，串聯(lián)耦合輸出信號(hào)與并聯(lián)耦合輸出信號(hào)極性相反，兩種耦合信號(hào)相互抵消，負(fù)載上得到的信號(hào)為零。下面

26、是兩種可供選擇的最終電路結(jié)構(gòu)。22兩變壓器定向耦合器原理圖如圖2-3:圖 2-3 定向耦合器的一種電路結(jié)構(gòu)當(dāng)A端輸入，B端輸出時(shí)，C端為耦合端，D端為隔離端。推導(dǎo)的電路圖電路圖如圖2-4Error! Reference source not found.：圖 2-4 A端作為輸入端時(shí)的等效電路由于D端為隔離端，所以IR4=0，VD= 0 （2-1）T2的匝比為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與R3相等，由（8）式可以得到（2-9）所以，A端和D端隔離的條件是（2-10）（2-11）主線衰減（2-12）耦合度（

27、2-13）當(dāng)B端作為輸入，A端作為輸出時(shí)，C端為隔離端，D端為耦合端。用于推導(dǎo)的電路圖如圖2-5所示：圖 2-5 B端作為輸入端時(shí)的等效電路由于C端為隔離端，所以VC=0，設(shè)流過(guò)R2的電流為I2那么流過(guò)R4的電流為（2-14）R1上得電流為（2-15）因?yàn)閂C=0，所以VA=VB（2-16）又（2-17）由式（16）和（17）可以得到（2-18）將式（11）代入式（18）中可以得到（2-19）可見(jiàn)，要是C端與B端隔離，只需要滿足式（19）即可。如果將式（19）分裂為兩式，使R1和R4與R2有一定的關(guān)系，可以得到以下兩式（2-20）（2-21）主線衰減（2-22）耦合度（2-23）綜上，滿足A端

28、和D端隔離，B端和C端隔離的條件為主線衰減（2-24）耦合度（2-25）又隔離條件看出，只要n2>>1，R1=R2=R3=R423三變壓器定向耦合器原理圖14如圖2-6：圖 2-6 定向耦合器的另一種電路結(jié)構(gòu)當(dāng)A端輸入，B端輸出時(shí)，C端為耦合端，D端為隔離端。推導(dǎo)的電路圖如2-7，圖中箭頭表示電流參考方向。 圖 2-7 用于推導(dǎo)的等效電路假設(shè)A端和D端是隔離的，則VD=0。推導(dǎo)中，假設(shè)變壓器都為理想變壓器。此時(shí)，應(yīng)有如下關(guān)系： （2-26）D端的電壓是零，所以流過(guò)R4的電流I7也是零，流過(guò)變壓器T2次級(jí)的電流也就等于I6了，所以I3與I6的關(guān)系可用下式表示： （2-27）R3兩端的

29、電壓為 （2-28）變壓器兩邊的電壓比等于匝數(shù)比，所以 （2-29）而B端的電壓VB可以表示為 （2-30）要使式（2-26）成立，就必須 （2-31）由于R6=R3 （2-32）上式也就是使D端與A端隔離的條件，可以看出，理想情況下，隔離端是沒(méi)有信號(hào)輸出的。變壓器的初次級(jí)電流之比與匝數(shù)比成反比，對(duì)于變壓器T3有 （2-33）R3兩端的電壓等于R1和R2兩端的電壓之和 （2-34）對(duì)于節(jié)點(diǎn)Ve處的三個(gè)電流有 （2-35）A端的電壓等于Ve加上變壓器T1初級(jí)上的電壓 （2-36）電路中的各個(gè)電阻阻值都相等，由式（2-27），式（2-28），式（2-33），式（2-34），式（2-35）和式（2-

30、36）可以推出各個(gè)電流的值，式中的V表示A端的電壓。 （2-37） （2-38） （2-39） （2-40） （2-41）A端的輸入阻抗為 （2-42）上式表示，在理想情況下，如果m的值足夠大，A端的輸入阻抗接近R。由于電路對(duì)稱，所以B端的阻抗也一樣。為了減小端口信號(hào)的反射，應(yīng)使源信號(hào)的內(nèi)阻也等于R。求出各個(gè)電流之后，定向耦合器的其他指標(biāo)就很容易了。先算出各個(gè)端口的功率，再用功率推導(dǎo)其他參數(shù)，這里就省略求功率的部分了。主線衰減 （2-43）耦合度 （2-44）比較以上兩種電路可以看出，方案一只用了兩個(gè)變壓器，兩個(gè)電阻，而方案二用了三個(gè)變壓器，四個(gè)電阻。因此，方案一比方案二電路更簡(jiǎn)單，便于制作。

31、但是，方案一的隔離條件是式（2-9）在手工繞制變壓器時(shí)很難做到這樣精確的關(guān)系，往往就取m和n的值相等。這樣做的結(jié)果就是，當(dāng)耦合度比較小的時(shí)候（即是m和n的值比較小時(shí)），誤差就會(huì)很大，使得隔離度變差。所以，從隔離度方面來(lái)說(shuō)，方案一只適合在弱耦合的情況下使用。方案二就沒(méi)有這個(gè)問(wèn)題了，應(yīng)為方案二的隔離條件就是m和n相等。綜合考慮，為了得到更好的隔離度，本課題選擇了方案二的電路結(jié)構(gòu)。3 磁芯的選擇31變壓器等效電路前面對(duì)電路結(jié)構(gòu)的推導(dǎo)都是基于理想變壓器的情況下，實(shí)際的變壓器與理想的變壓器是有很大的區(qū)別，初級(jí)和次級(jí)的電感不為無(wú)窮大，次級(jí)和初級(jí)的耦合也不是全耦合，而且?guī)Т判镜淖儔浩鬟€有與初次級(jí)電感并聯(lián)的損

32、耗電阻，初次級(jí)導(dǎo)線的分布電容。造成這樣區(qū)別的原因在于變壓器的磁芯，所以這部分討論如何選擇磁芯。磁芯直接影響變壓器的性能，在討論磁芯之前先了解變壓器的等效電路。實(shí)際變壓器的等效電路如圖3-1所示圖 3-1 變壓器等效電路圖3-1中：R1表示電源的內(nèi)阻；R4表示變壓器初級(jí)導(dǎo)線的電阻；R5表示變壓器次級(jí)導(dǎo)線的電阻；R3表示換算到初級(jí)的次級(jí)負(fù)載電阻；E表示電源電壓；U表示次級(jí)負(fù)載上的電壓；C1表示初級(jí)線圈的分布電容與次級(jí)線圈的分布電容等效到初級(jí)的和。接下來(lái)是變壓器的剩下的三個(gè)最重要的參數(shù)：1）初級(jí)自感Lp （3-1）上式中，0表示真空中的磁導(dǎo)率，'表示磁芯的起始磁導(dǎo)率，N表示繞線的匝數(shù)，Ae表

33、示磁芯的有效面積，le磁芯的有效磁路長(zhǎng)度15。理想的變壓器Lp為無(wú)窮大，實(shí)際變壓器的Lp為有限值。只要變壓器在使用頻段的最低頻率處Lp滿足使用要求，在其他頻率處也會(huì)滿足。尤其是像本課題這樣的低頻應(yīng)用，Lp的值必須足夠大才行。由第二章中推導(dǎo)得知：線圈的匝數(shù)決定了定向耦合器的耦合度，方向性。所以要想使Lp足夠大，就必須使用起始磁導(dǎo)率足夠大的磁芯。2）磁芯損耗電阻R2實(shí)際上的自感的完整表達(dá)式應(yīng)該是 （3-2）式中，L0表示同樣的空心線圈的感值，"表示磁導(dǎo)率的虛部 （3-3） 由于磁導(dǎo)率的一部分為虛數(shù)，使得一部分電抗變成了電阻，理想的電感式不耗能的，R2是變壓器傳輸損耗的原因所在。當(dāng)磁芯&#

34、39;一定時(shí)，如果"<<'，變壓器的傳輸損耗隨著"增大而增大，如果">>'，則傳輸損耗隨"的增大而降低16。本課題的頻率比較低，所以選擇截止頻率高于工作頻率的磁芯，以使得"<<'。3)漏感Ls理想的變壓器初級(jí)與次級(jí)之間的耦合為全耦合，耦合系數(shù)為1。實(shí)際變壓器的耦合系數(shù)總是小于1的，因?yàn)槠渲写蟛糠执磐ㄅc兩個(gè)線圈交鏈外，還有一小部分只與一個(gè)線圈相交鏈，這一部分磁通形成的電感稱為漏感Ls。由于環(huán)形磁芯的漏磁通最小，為了使漏感小，本課題選用環(huán)形磁芯。圖3-1表示出了變壓器等效電路的完整參數(shù)。但

35、是實(shí)際情況中，如果使用這樣的等效電路，分析會(huì)很復(fù)雜。所以，通常都是分頻段對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化。下面將分低，中，高三個(gè)頻段進(jìn)行簡(jiǎn)化。在低頻時(shí)，R4和R5是繞線的串聯(lián)電阻，相比于其他阻抗來(lái)說(shuō)太小，可以忽略不計(jì)。在比較低的頻率下，磁導(dǎo)率的虛部很小，所以軟磁鐵氧體磁芯損耗電阻R2通常都很小，也可以忽略。并聯(lián)電容C1在低頻下的阻抗很大，因此忽略。而串聯(lián)漏感Ls在低頻下的阻抗很小，也可以忽略。低頻下簡(jiǎn)化后的等效電路只剩下初級(jí)自感L1 和負(fù)載等效到初級(jí)的電阻R3。簡(jiǎn)化后的電路圖如圖3-2所示圖 3-2 變壓器在低頻下的等效電路由圖2-7可以看出，初級(jí)自感Lp的感抗隨頻率的下降而下降，Lp的大小直接影響輸出電壓U。因

36、此，Lp的大小決定了變壓器的最低使用頻率。在中頻時(shí)，除去低頻時(shí)忽略的元件外，由于初級(jí)自感Lp的感抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于負(fù)載等效到初級(jí)的電阻R3，所以，初級(jí)自感Lp 此時(shí)也可以忽略。此時(shí)的簡(jiǎn)化等效電路如圖3-3所示圖 3-3 變壓器在中頻下的等效電路從圖3-3可以看出，在中頻段，電路中只有電阻元件，輸出是簡(jiǎn)單的電阻分壓。在高頻段，并聯(lián)電容C1的阻抗變得非常小，此時(shí)已不可忽略，漏感由于頻率升高而變得很大，也不可忽略。此時(shí)的等效簡(jiǎn)化電路如圖3-4所示：圖 3-4 變壓器在高頻下的等效電路圖3-4中，漏感Ls和并聯(lián)電容C1一起構(gòu)成串聯(lián)諧振電路。當(dāng)頻率升高到諧振電路的諧振點(diǎn)時(shí)，將會(huì)引起電路的振蕩。也正是這一特性限制

37、了變壓器的高頻應(yīng)用。要想獲得好的高頻特性，就必須設(shè)法減小C1的值。32磁芯的種類本課題中涉及到的磁芯是指軟磁鐵氧體磁芯。軟磁鐵氧體磁芯按化學(xué)成分來(lái)分類，主要可分為 MnZn 系、NiZn 系和 MgZn 系三大類。MnZn 系鐵氧體具有高的起始磁導(dǎo)率，較高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，在無(wú)線電中頻或低頻范圍有低的損耗，它是1 兆赫茲以下頻段范圍磁性能最優(yōu)良的鐵氧體材料。常用的MnZn 系鐵氧體，其起始磁導(dǎo)率 i= 40020000，飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度 BS=400530mT。MnZn 系鐵氧體廣泛制作開(kāi)關(guān)電源變壓器、回掃變壓器、寬帶變壓器、脈沖變壓器、抗電磁波干擾濾波電感器及扼流圈等。NiZn 系鐵氧體使用頻

38、率 100kHz100MHz，最高可使用到 300MHz。這類材料磁導(dǎo)率較低，電阻率很高，一般為 105107cm。因此，高頻渦流損耗小，是 1MHz 以上高頻段磁性能最優(yōu)良有材料。常用的 NiZn 系材料，磁導(dǎo)率 i=51500，廣泛用于制作各種高頻固定電感器，可調(diào)電感器，諧振回路線圈，線性調(diào)節(jié)線圈抗電磁波干擾線圈等。MgZn 系鐵氧體材料中附加小量 MnO 后制成 MgMnZn 系材料，電阻率較高，廣泛用于制作各種顯象管或顯示管的偏轉(zhuǎn)線圈磁心，MgZn 系鐵氧體在某些高頻電感線圈及天線線圈中也得到應(yīng)用。若按磁性所分類，軟磁鐵氧體材料可分類： (1) 高磁導(dǎo)率材料，主要制作寬頻帶變壓器、脈沖

39、變壓器、以及抗噪聲濾波電感器等。(2) 功率鐵氧體材料，這類材料主要特征是飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度 Bs 高，大磁場(chǎng)下功率損耗低，因此適合制作較大磁場(chǎng)下運(yùn)行的開(kāi)關(guān)電源變壓器，回掃變壓器，扼流圈等。(3) 高頻鐵氧體材料。其主要特征是磁導(dǎo)率低，高頻損耗小，可適用于幾兆赫茲到幾百兆赫茲的高頻，特高頻范圍。這類材料主要用于制作高頻變壓器及固定或可調(diào)電感器。(4) 高電阻率材料。電阻率通常高達(dá) 107109cm，主要適于制作顯象管或顯示管用偏轉(zhuǎn)線圈磁心，可避免線圈直接繞制在磁心上而發(fā)生短路現(xiàn)象。磁芯還有各種不同的形狀。常見(jiàn)的有：（1）環(huán)形磁芯，這種磁芯的漏磁通最小，它的主要用途是作為變壓器。但是這種磁芯繞線卻是

40、很麻煩，因?yàn)槔@線時(shí)，必須將沒(méi)一匝線穿過(guò)磁芯的孔。由于環(huán)形磁芯的外形簡(jiǎn)單，所以特別適用于測(cè)定材料的性能參數(shù)。同類型的還有雙孔或則多孔磁芯，雙孔磁芯相當(dāng)于兩個(gè)環(huán)形磁芯的疊加，當(dāng)中間繞線時(shí)，可以獲得比環(huán)形磁芯更大的電感值。多孔磁心則有四孔或六孔磁心，相當(dāng)于更多環(huán)形磁心送加，更適合制作電磁波干擾抑制器，各種變換器等。（2）E型磁芯，具有矩形截面的E型磁心，由于結(jié)構(gòu)和制造簡(jiǎn)單，已成為最廣泛應(yīng)用的高頻變壓器磁心，可以在低磁通密度或高磁通密度下使用。這類磁心通常成對(duì)使用，組成閉合磁路。一般是由兩個(gè)E型磁芯組成，少數(shù)由一個(gè)E型磁芯和一個(gè)I型磁芯組成。這類磁芯的繞線比環(huán)形磁芯簡(jiǎn)單得多。（3）U型磁芯，這類磁芯也

41、是由兩只U型磁芯組成，或是由一只U型和一只I形磁芯組成。U 型磁心窗口面積大，適于制作功率型或高壓型變壓器，如電視機(jī)及計(jì)算機(jī)顯示器的回掃變壓器，用量很大；也可制作其它類型變壓器。（4）罐形磁芯，罐型磁心有很多優(yōu)點(diǎn)，如結(jié)合面較大，屏蔽好，漏感及分布電容小，電感可以調(diào)節(jié)（配以調(diào)節(jié)芯后）等，因此獲得廣泛采用。凡是在通信技術(shù)中有需要線圈與變壓器的地方，大多數(shù)都是最適宜采用罐形磁芯的。對(duì)于諧振回路，它的優(yōu)點(diǎn)特別在于能獲得高Q與高穩(wěn)定性，這正是許多載波通信技術(shù)用的濾波器及其它用途中所需要的。（5）棒形磁芯，它是指帶螺紋的螺紋磁芯，或不帶螺紋的棒形磁芯，這類磁芯由于是開(kāi)路的，所以漏磁相對(duì)很多，但是繞線很簡(jiǎn)單

42、。33磁芯的參數(shù)1）自發(fā)極化強(qiáng)度和飽和極化強(qiáng)度。飽和極化強(qiáng)度是指在足夠強(qiáng)的磁場(chǎng)作用下，磁芯內(nèi)部所有外斯疇的自發(fā)極化都平行于該磁場(chǎng)方向時(shí)的極化強(qiáng)度。自發(fā)極化強(qiáng)度等于該疇的全部磁矩矢量和除以該疇的體積，它近似地等于磁芯的飽和極化強(qiáng)度。2）居里溫度。鐵磁性物質(zhì)的自發(fā)極化強(qiáng)度一般在絕對(duì)零度時(shí)最大，因?yàn)檫@時(shí)所有的磁矩完全平行取向。溫度升高，熱能增加，平行排列漸漸減小。直到某個(gè)溫度平行排列被完全破壞，這個(gè)溫度成為居里溫度。居里溫度是鐵磁性或亞鐵磁性物質(zhì)轉(zhuǎn)變成順磁性物質(zhì)的臨界點(diǎn)。低于居里點(diǎn)溫度時(shí)該物質(zhì)成為鐵磁體，此時(shí)和材料有關(guān)的磁場(chǎng)很難改變。當(dāng)溫度高于居里點(diǎn)溫度時(shí)，該物質(zhì)成為順磁體，磁體的磁場(chǎng)很容易隨周圍磁

43、場(chǎng)的改變而改變。 3）起始磁導(dǎo)率。起始磁導(dǎo)率是指預(yù)先退磁后，在極小的磁場(chǎng)下測(cè)得的磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)之比的極限值。起始磁導(dǎo)率的大小，取決于材料磁化的難易程度，也即取決于退磁后建立的磁疇結(jié)構(gòu)受外磁場(chǎng)影響的大小程度。磁疇內(nèi)部的自發(fā)極化強(qiáng)度受到局部各向異性方向的束縛越松，自發(fā)極化強(qiáng)度越容易轉(zhuǎn)到外磁場(chǎng)的方向，或是分隔磁疇的布洛赫壁越容易移動(dòng)，則磁導(dǎo)率越高17。4）截止頻率。文獻(xiàn)中對(duì)截止頻率的定義沒(méi)有完全統(tǒng)一。有人將起始磁導(dǎo)率陡峭下降的頻率稱為磁芯的截止頻率，也可以將磁導(dǎo)率的實(shí)數(shù)與虛數(shù)部分相等的頻率稱為截止頻率，或則將初始磁導(dǎo)率下降到穩(wěn)定值的一半處的頻率稱為截止頻率。5）溫度系數(shù)。由于磁晶各向異性與磁飽和磁

44、化強(qiáng)度隨溫度的變化，起始磁導(dǎo)率也隨溫度變化。常見(jiàn)的鎳鋅鐵氧體和錳鋅鐵氧體，起始磁導(dǎo)率從低溫下的小值開(kāi)始，隨溫度的升高而增加，到居里溫度時(shí)到一個(gè)最大值，然后陡峭地下降。實(shí)際中，磁芯的起始磁導(dǎo)率曲線隨溫度的變化一般都是彎曲的，有的甚至還有峰值，大多數(shù)都只是在意小段溫度范圍內(nèi)近似為直線。溫度系數(shù)的定義是指兩個(gè)溫度T1和T2之間實(shí)際磁導(dǎo)率的平均上升值。廠家表示起始磁導(dǎo)率溫度系數(shù)的方式有兩種：一種是在很寬的范圍內(nèi)給出了磁導(dǎo)率隨溫度變化的連續(xù)曲線，這種曲線可以看出任何一個(gè)溫度下的磁導(dǎo)率大小。另一種表示表示方式是在產(chǎn)品性能表中，重點(diǎn)列出了一種或幾種溫度范圍的比溫度系數(shù)及分散范圍。6）減落系數(shù)。減落系數(shù)是磁導(dǎo)

45、率隨時(shí)間的變化，由擴(kuò)散過(guò)程引起。由于極化方向或布洛赫壁的最低能量位置隨時(shí)間的擴(kuò)散過(guò)程達(dá)到穩(wěn)定。由此產(chǎn)生的能量最低值的降低，使極化矢量和疇壁的活動(dòng)性降低，使極化矢量和疇壁的活動(dòng)性降低，其結(jié)果使磁導(dǎo)率下降。理論上，經(jīng)過(guò)無(wú)限長(zhǎng)的時(shí)間后，勢(shì)阱已下降到最深位置，磁導(dǎo)率將達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值。此時(shí)，如果將材料加熱到居里溫度以上再緩慢冷卻下來(lái)，或者將它磁化到飽和后，再緩慢地減小交變磁場(chǎng)退磁，可以使布洛赫壁再次重新產(chǎn)生。磁導(dǎo)率也回到原來(lái)的值，從這個(gè)值開(kāi)始，隨著時(shí)間的變化，再慢慢地減小，直到趨于穩(wěn)定值。所以鐵氧體磁性材料的減落過(guò)程是可以重復(fù)的。減落系數(shù)的定義是磁導(dǎo)率與時(shí)間的對(duì)數(shù)的比值。這種定義有一個(gè)前提：每十倍時(shí)間，

46、磁導(dǎo)率變化的百分率大體相等。但實(shí)際的減落曲線是這樣的，在緊接著沖擊以后的短時(shí)間內(nèi)陡峭地下降，然后再進(jìn)入直線段，很長(zhǎng)時(shí)間后，變化又趨于緩慢。所以，減落系數(shù)是定義在減落曲線呈直線的那段時(shí)間內(nèi)。7）復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率。由于疇壁的轉(zhuǎn)動(dòng)或者位移需要時(shí)間，當(dāng)外磁場(chǎng)變化足夠快時(shí)，磁化過(guò)程變跟不上了，這會(huì)使磁感應(yīng)與磁場(chǎng)有一定的相位差。這一相位差可以用復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率表示。復(fù)數(shù)的實(shí)部表示磁化跟得上外部磁場(chǎng)變化的部分，虛部表示磁感應(yīng)與磁場(chǎng)滯后九十度的部分。在直流和低頻下，磁感應(yīng)與磁場(chǎng)是同步的，所以，低頻下磁導(dǎo)率虛部很小。磁導(dǎo)率的實(shí)部在低頻下變化很小，當(dāng)頻率上升到某個(gè)值時(shí)，實(shí)部開(kāi)始迅速地下降，而虛部在低頻下很小，當(dāng)頻率上升到某個(gè)

47、值時(shí)，開(kāi)始迅速地上升，達(dá)到一個(gè)峰值后又迅速的下降。磁導(dǎo)率實(shí)部的靜態(tài)值（只低頻下的值）越高，其開(kāi)始下降的頻率越低，虛部開(kāi)始上升的頻率越低。而實(shí)部的靜態(tài)值越低，其開(kāi)始下降的頻率越高，虛部開(kāi)始上升的頻率越高。所以，高磁導(dǎo)率的錳鋅鐵氧體主要使用于低頻，而低磁導(dǎo)率的鎳鋅鐵氧體使用于高頻。8）損耗。對(duì)磁性材料來(lái)說(shuō)，損耗和起始磁導(dǎo)率是最重要的兩個(gè)參數(shù)。損耗會(huì)導(dǎo)致發(fā)熱，能量消耗和信號(hào)的畸變。損耗主要由磁滯和渦流造成。磁滯是由于磁化跟不上磁場(chǎng)的變化，使的磁感應(yīng)與磁場(chǎng)有一定的滯后角，這種滯后導(dǎo)致磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為了熱能。渦流損耗是指時(shí)變的磁場(chǎng)在導(dǎo)體或者半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生渦流，通過(guò)與晶格的交換作用產(chǎn)生產(chǎn)生的能量損耗。渦流損耗與

48、材料的磁場(chǎng)頻率成正比，與電阻率成反比。鎳鋅鐵氧體的電阻率很大，適合高頻應(yīng)用，錳鋅鐵氧體的電阻率較小，不適合高頻使用。4 材料的測(cè)試與定向耦合器的制作41 材料參數(shù)的比較與測(cè)量實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可供選擇的磁芯有幾種，其參數(shù)如表4-1所示。材料種類尺寸（D*d*H)mm有效長(zhǎng)Le(mm)有效面積Ae(mm2)磁導(dǎo)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 磁芯材料的各項(xiàng)參數(shù)為了驗(yàn)證材料的磁導(dǎo)率，在磁環(huán)上面繞了一定匝數(shù)的線圈，然后用QBG-3E全數(shù)顯高頻Q表測(cè)試其電感，再通過(guò)式（3-1）算出磁導(dǎo)率。只測(cè)試了前兩種磁環(huán)，其測(cè)量值及計(jì)算值見(jiàn)表4-2和表4-3所示。表4-2 磁芯NXO-5的測(cè)量電感值及計(jì)算的磁導(dǎo)率值匝數(shù)81624電感值1.470uH2.276uH2.804uH計(jì)算出的磁導(dǎo)率451710表4-3 磁芯5961000201的測(cè)量電感值及計(jì)算的磁導(dǎo)率值匝數(shù)81624電感值6.836uH19.12uH39.21uH計(jì)算出的磁導(dǎo)率244171155此測(cè)量的目的主要是要對(duì)線圈的感值有一個(gè)大致的了解。從測(cè)量的數(shù)據(jù)可知，測(cè)量誤差是很大的，尤其

50、是線圈匝數(shù)少的時(shí)候，誤差更大。造成這樣誤差的主要原因是：初始磁導(dǎo)率是低頻下的磁導(dǎo)率，而此次測(cè)量?jī)x器室使用的高頻Q表。Q表測(cè)量電感的原理是將電感與一個(gè)已知電容串聯(lián)，用一頻率變化的信號(hào)掃描，直至諧振。通過(guò)諧振頻率和電容值就可以計(jì)算出電感值。測(cè)量時(shí)高頻Q表的電容值固定為200 pF，對(duì)于uF數(shù)量級(jí)的電感來(lái)說(shuō)，諧振頻率在幾兆赫茲，所以造成了很大的誤差。42 定向耦合器的制作與測(cè)試本課題要求的指標(biāo)為：頻率1-30MHz，耦合度為20±0.5db，方向性18db，主線損耗0.3db。選用的電路為方案二的電路。實(shí)際制作時(shí)，C端和D端會(huì)接上一個(gè)高頻接頭，加上50歐姆負(fù)載，就相當(dāng)于電阻R1和R4。所以

51、，R1和R4去掉，其他電阻和各個(gè)端口的阻值都是50歐姆。由式（2-41）可以計(jì)算出，三個(gè)變壓器的匝數(shù)比n:1=10時(shí)，耦合度最接近20DB。繞制變壓器T1，T2和T3的磁芯選用表4-1中的NXO-400。因?yàn)榇朔N材料的磁導(dǎo)率最大，容易滿足低頻的要求。而且高的磁導(dǎo)率加環(huán)形形狀有利于減少變壓器的漏磁，減小漏感。經(jīng)測(cè)量，制作的實(shí)物的尺寸為2.3cm×2.3cm×1.5cm，滿足本課題對(duì)尺寸的要求。其余各項(xiàng)指標(biāo)測(cè)量曲線如下（X軸的單位都為兆赫茲）：圖 4-1 A-B端主線衰減圖 4-2 A端電壓駐波系數(shù)圖 4-3 A-D端隔離度圖 4-4 A-C端耦合度圖 4-5 B-C端隔離度圖

52、 4-6 B-D端耦合度 經(jīng)測(cè)試，A-B端的主線損耗為0.24db，小于要求的0.3db。如圖4-3，A-D端的隔離度達(dá)到了-57db，圖4-5是B-C端的隔離度，最小值為-52db。理論上，隔離度應(yīng)該為無(wú)窮大，但是，變壓器非理想，所以使隔離端有信號(hào)輸出。圖4-4和圖4-6是A-C端和B-D端的耦合度測(cè)試曲線，A-C端的耦合度為-20.28db，B-D端的耦合度為20.19db。兩個(gè)方向的耦合度都在要求的20±0.5db范圍內(nèi)。用隔離度減去耦合度可以得到方向性為31db，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于要求的18db。但是，從圖4-2可以看出，端口的駐波比在低頻下接近1.5，有點(diǎn)偏大。由式（2-42）可知，

53、理想情況下，端口的輸入阻抗與R相等。R的值是50歐姆，而信號(hào)源的內(nèi)阻也是50歐姆，阻抗匹配，駐波比應(yīng)該很小。實(shí)驗(yàn)事實(shí)是，低頻端匹配不好。主要原因是變壓器并非理想變壓器，初次級(jí)電感不是無(wú)窮大。磁芯的磁導(dǎo)率是400，繞10匝線圈后的感值大概只有幾十uH，所以，在低頻下的阻抗無(wú)法忽略。要改善低頻下的駐波比，有兩種方法，使用磁導(dǎo)率更大的磁芯，或則增加線圈匝數(shù)。但是線圈匝數(shù)決定了耦合度，所以，弱耦合的定向耦合器駐波比性能會(huì)更好。5 結(jié)論和總結(jié)在本論文前面的幾章中，首先對(duì)實(shí)現(xiàn)信號(hào)分流和隔離的基本原理做了介紹，具體到集總參數(shù)的雙定向耦合器，是用變壓器，通過(guò)串聯(lián)耦合和并聯(lián)耦合兩種方法的結(jié)合實(shí)現(xiàn)。然后詳細(xì)推導(dǎo)了

54、兩種可用電路結(jié)構(gòu)的各個(gè)參數(shù)的表達(dá)式，對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)做了比較。接下來(lái)，本文給出了實(shí)際變壓器的等效電路，通過(guò)與理想變壓器的比較，找到了磁芯各項(xiàng)參數(shù)對(duì)變壓器的影響。最后，通過(guò)多次試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了本課題的各項(xiàng)指標(biāo)。從本次課題中得到的結(jié)論如下：第一，選擇正確的電路結(jié)構(gòu)。只有選擇了正確的電路，才能實(shí)現(xiàn)雙定向耦合器的基本功能，才為達(dá)到要求的指標(biāo)提供了可能。同時(shí)，電路結(jié)構(gòu)也給出了理想情況下的各個(gè)指標(biāo)的計(jì)算公式。第二，選擇正確的磁芯。選擇合適的磁芯是達(dá)到要求指標(biāo)的保證。電路結(jié)構(gòu)只是決定了理想情況下的情況，現(xiàn)實(shí)的情況并非理想。像實(shí)際的變壓器初次級(jí)電感并不是無(wú)窮大，初次級(jí)耦合系數(shù)也不是一。所以，只能選擇合適的材料，使得實(shí)際變壓器與理想變壓器最大的接近，才能使實(shí)際做出來(lái)的指標(biāo)與理論推導(dǎo)的指標(biāo)