基于铁氧体磁芯的定向耦合器设计研究

来源:用户上传      作者:刘松林

　　摘 要：针对分布式参数电路在低频时物理尺寸过大的缺点，提出一种基于铁氧体磁芯的宽带定向耦合器的设计方法。通过在铁氧体磁芯上缠绕漆包线的形式以及在耦合端加载高阻值电阻的形式实现小信号耦合，同时实现高方向性。通过仿真确定最佳绕线比与电阻值，以达到最佳效果，并通过制作耦合器实物进一步验证方法的正确性。实测结果表明，制作的耦合器在30～300 MHz频段内具有良好的频率响应。其中，回波损耗（S11）小于-30 dB，直通损耗（S21）小于0.3 dB，耦合度32 dB，方向性通频带内保持在20 dB以上。
　　关键词：宽带;定向耦合器;铁氧体磁芯;高方向性;回波损耗
　　中图分类号：TN622 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2022）23-0126-04
　　Abstract： Aiming at the disadvantage that the physical size of distributed parameter circuit is too large at low frequency， a design method of broadband directional coupler based on ferrite core is proposed. Small-signal coupling is achieved by winding enameled wires on a ferrite core and loading a high-value resistor at the coupling end， while high directivity is realized at the same time. The optimal winding ratio and resistance value are determined by simulation in order to achieve the best effect， and the correctness of the method is further verified by making couplers. The measured results show that the coupler has good frequency response in the 30～300 MHz frequency band. Among them， the echo loss （S11） is less than-30 dB， the straight-through loss （S21） is less than 0.3 dB， the coupling degree is 32 dB， and the directional pass-band is kept above 20 dB.
　　Keywords： broadband; directional coupler; ferrite core; high directivity; return loss
　　定向耦合器是射l收发机系统中常用的一种四端口器件，主要用于对系统中某一确定传输方向的功率信号进行检测。定向耦合器作为一种基本的微波无源器件，能够在一定的频率范围内实现隔离、功分和合成功率信号的功能，广泛应用于平衡开关、反射式移相器、匹配放大器、信号发生器和射频收发器等领域。方向性和插入损耗是定向耦合器的2个关键参数，因为方向性决定了发射功率的调制精度，而插入损耗直接关系到发射效率。此外，随着射频系统工作频率的增加，对超宽带定向耦合器的需求也越来越大。因此，人们在开发具有超宽带、低插入损耗、高方向性的定向耦合器方面作出了许多努力。例如，通过调节孔的位置或波导的方向，在耦合口叠加了电偶极子的辐射场，在隔离口偏移了磁偶极子的辐射场，从而提高了波导定向耦合器的方向性[1]。通过增加耦合隙中的奇模电容和降低耦合隙中的奇模相速度，提高了微带定向耦合器的方向性，采用多段电路提高了定向耦合器的工作带宽[2]。近年来，小型化是定向耦合器的发展趋势之一。虽然已有的研究在提高定向耦合器的性能方面取得了很大的进展[3-6]，但在低频段实现低插入损耗、超宽带、高指向性的片上定向耦合器仍是一个巨大的挑战。
　　20世纪中叶，铁氧体材料的发现可以说是微波技术中的一大突破。铁氧体磁芯的初始磁导率在极宽的一段频率范围内基本保持不变的特性使得其制成的射频器件具有极宽的工作带宽。目前，基于铁氧体磁芯的射频器件已经受到越来越多的关注。国内外基于铁氧体材料也进行了很多的研究[7-10]，其在射频段，尤其是低频段有着十分优良的性能。
　　本文为了解决低频段使用分布式参数使得物理尺寸过大的问题，利用铁氧体磁芯在低频段得到宽带特性，通过在铁氧体磁芯上缠绕漆包线的形式以及在耦合端加载高阻值电阻的形式实现小信号耦合，同时实现高方向性，并通过制作耦合器实物进一步验证设计方法的正确性。实测结果表明，制作的耦合器在30～300 MHz频段内具有良好的频率响应。其中，回波损耗（S11）小于-30 dB，直通损耗（S21）小于0.3 dB，耦合度32 dB，方向性通频带内保持在20 dB以上。
　　1 概述
　　1.1 定向耦合器
　　定向耦合器是一种将功率定向分配给多个终端的四端口网络，主要包含输入端、直通端、耦合端和隔离端。定向耦合器由主线和副线组成，如图1所示，端口1为输入端，端口2是直通端，端口3和端口4分别为耦合端和隔离端。输入信号将功率从输入端输入，在主线上将绝大部分功率输送到直通端;在副线上将输入信号耦合到耦合端，理论上输入信号在隔离端无耦合出来的功率。定向耦合器的技术指标主要包括：耦合度C、方向性D，插入损耗IL和工作带宽BW等。

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