微带高定向性耦合器设计文献综述

文献综述

研究意义和价值：

定向耦合器作为许多微波网络系统中的重要组成部分，是一种四端口微波/毫米波无源器件，本质作用是在工作带宽内将信号进行等功率分配、不等功率分配或功率合成的同时，相位也满足一定的关系。现被广泛应用于微波相关的各个领域，比如射电天文、电子系统、卫星通信等等^[1]-[2]。一般情况下，定向耦合器可以分为两个部分：主波导和副波导，其作用各不相同，主波导进行强功率信号的传输，而副波导则用于检测耦合功率。定向耦合器种类多种多样，要实现定向耦合器，可以采用带线结构和波导结构，带线结构有微带线、带状线和同轴线等；波导结构有圆波导和矩形波导等。除此之外还有其他的分类方法，如耦合强度等。

微带定向耦合器满足现代无线通讯系统发展中所需求的小型化、多功能、精度高、工艺成熟的特性。其耦合类型一般为平行耦合类型，如耦合线微带定向耦合器；以及分支耦合类型，如分支线微带定向耦合器。近年来，随着无线通讯系统的发展，分支线微带定向耦合器从单支线结构到双支线结构再到多支线结构，在端口理想匹配情况下，定向耦合器的耦合端口和直通端口信号的相位差为90度，从而实现定向耦合。

研究现状及发展趋势：

2000年来，随着计算机和集成电路等领域的不断发展和突破，微波通行在一定程度上取得了很大的进步。在2005年，Robert M. Weikle等人设计了一种基于人工传输线（Artificial Transmission Line，简称ATL）的正交耦合器，实现了在合理的工作带宽下，相位差为，回拨损耗和隔离度优于23dB，直通端口和耦合端口之间的幅度平衡不低于0.5dB^[3]。Rubaiyat Islam 和 George V. Eleftheriades，利用了常规微带和负折射率之间的耦合，设计一种低耦合电平但高方向性耦合器。实现了在2.04GHz的工作频率下，耦合电平为27dB，方向性为45dB，隔离度为72dB^[4]。2012年，吴永乐、孙伟农等人，提出了一种新型耦合器,利用了松散耦合的微带结构，设计实现了一种具有紧凑的耦合系数和高指向性能的耦合线耦合器^[5]。2015年，Sung-Min Sohn，Anand Gopinath，和John Thomas Vaughan设计了带有指向性调谐器的微带耦合器，其在磁共振成像应用的工作频段下，具有紧凑的尺寸，高达1kW功率的能力和大于40dB的高方向性，以精确测量反射的射频功率^[6]。李昌和Tzyh-Ghuang Ma创新出三个新颖的左右手复合传输线（CRLH）单元电池，其中每个单元电池具有对两个不同频率的线路的相位响应和特征阻抗的独立控制，由此提出并证明了一种新的双模耦合器，实现了在两个相异的工作频段中呈现不同的响应^[7]。Hong-Jib Yoon 和 Byung-Wook Min设计的并联耦合3线的两段式带宽混合耦合器，其通过选择耦合线宽和间隙来优化短路并联耦合3线，从而获得最宽的S₁₁带宽^[8]。

2016年6月，电子科技大学电子与通信工程研究生颜光友设计了工作频率在6-18GHz，耦合度为20dB的窄边微带耦合线超宽带渐变耦合器、窄边带状线耦合线超宽带渐变耦合器、槽耦合微带耦合线超宽带多节耦合线耦合器以及耦合度为3dB的交错耦合带状线超宽带多节耦合线耦合器^[9]。2017年6月，西安电子科技大学电子工程学院研究生邱苗苗设计了基于四脊圆波导的正交模定向耦合器，其隔离度优于34dB，电压驻波比在1.3以下，插入损耗小于0.2dB。除此之外还设计了小型化双频/多频分支线定向耦合器^[10]。同月，西安电子科技大学电子与通信工程硕士郭丽，设计了小型化微带分支线定向耦合器，可以工作在0.98GHz和1.8GHz两个工作频段中；以及一种新型环形定向耦合器，较于普通的环形定向耦合器，其具有抑制谐波、带宽较小、体积更小的优点^[11]。同年9月，喻寄航、宫玉彬、王战亮等人设计了一种高功率宽带选模定向耦合器，其工作频段为X波段，中心频率为9.4GHz时，对TM₀₁模的耦合度为-59.19dB，在带宽800MHz范围内，定向性优于30dB，对TE₁₁和TM₀₂模的抑制均高于15dB，耦合器功率容量可达2.5GHz，实现了同时对TM₀₂模和TE₁₁模的抑制^[12]。

2017年10月份，蔡立鹏和Kwok-Keung M. Cheng首次设计出了在微带上实现的可重构功率分配比的环形耦合器，其具有双频操作的结构。此耦合器还具有紧凑的尺寸、低插入损耗和高端口隔离^[13]。12月，薛强、谢鸿全、夏祖学等人设计一款6~18GHz的3dB定向耦合器，其根据错位宽边耦合微带线，研制出带状线渐变结构3dB耦合器。该耦合器具有尺寸小、隔离度高 、带内插损小等优点^[14]。同年，鲍鑫、张德伟、邓海林等人在双支节耦合器的基础上增加了一个支节，设计出一种具有谐波抑制功能的Ka波段带宽定向耦合器，此耦合器的传输损耗小于3.8dB，隔离度和反射系数均低于-15dB，相位差为90°，波动范围0.5dB^[15]。2018年6月，电子科技大学物理电子学硕士生罗勇，设计一个宽频带过模波导定向耦合器，其指标满足：在工作频带26GHz-40GHz内，耦合度大于35dB，方向性大于35dB，带内耦合度波动小于2dB，然后设计了相同耦合强度下的主线采用圆波导的定向耦合器。除此之外，还设计一个Ku频段下高方向性紧凑型的圆极化TE11模定向耦合器，耦合强度保持在43.5dB左右，方向性最差处也优于37dB，在12.5GHz~15.5GHz范围内，方向性特别高甚至优于47dB^[16]。

综上所述,定向耦合器作为无线通讯系统中关键的器件，高定向性定向耦合器的设计具有非常广阔的前景和重要的意义。而小型化、宽频化、多频段、谐波抑制等定向耦合器的设计将成为无源微波器件的研究趋势。