器基本特征定向耦合器的网络分析几种常见定向耦合器介绍波导定向耦合器耦合线定向耦合器环形定向耦合器分支线定向耦合器分支线定向耦合器分析双分支线定向耦合器仿真本章小结第三章新型分支线定向耦合器设计双分支线定向耦合器建模微带线尺寸计算双分支线定向耦合器建模与结果分析三分支线定向耦合器设计相关参数计算三分支线定向耦合器仿真三分支线定向耦合器建模与结果分析相关参数分析优化结果与对比分析优化结果与分析两种分支线耦合器比较分析本章小结第四章实物测量与结果分析实物加工与测量测量结果与仿真结果对比分析本章小结第五章工作总结与展望参考文献致谢万方数据南京邮电大学硕士研究生学位论文绪论第章绪论研究的背景与意义，射频识别技术是种非接触式的自动识别技术，基本原理是利用射频信号和空间耦合传输特性，实现对被识别物体的自动识别，。技术起源于上世纪第二次世界大战战时敌我识别技术，在世纪末逐渐被广泛使用。技术是伴随着雷达和射频通信的发展而发展起来的种新的无线自动识别技术，它具有无需直接或间接接触识别距离远数据处理速度快安全系数高智能性较高等优点。基于以上优点，射频识别技术在交通运输控制管理公共安全生产自动化商业自动化以及军事物流管理等领域应用非常广泛，已成为公认为本世纪十大关键技术之。技术涉及无线通信电路集成芯片设计材料制造信息安全等诸多高科技领域，而且影响着高速发展的无线智能领域。在过去十多年间，世界各国科研工作者争先恐后的研究和拓展技术，先后注册了数千项关于技术的专利。但这些专利主要集中在欧美日等国家和地区，迄今为止，检索到的国内专利只有多项，且半以上是由国外公司注册的，本土企业和高校申请专利较少。而在自主知识产权专利中，又以应用型专利为主，技术类发明专利很少。近年来，物联网信息化发展战略越来越显现其技术优势，世界各国都想借助物联网来推动经济更高效快速发展，中国也不例外，年月，温家宝总理在无锡考察期间，提出了“感知中国”物联网概念，度将物联网理念推到了无线通信的风口浪尖上。之后，中国政府并没有只单单停留在空喊口号上，先后出台了诸多有效举措来推动物联网快速发展。总体来看，物联网可分为三层感知层网络层和应用层，其中感知层使用到的主要术之就是技术。可以说，技术决定着物联网技术的发展高度，它是当今信息技术领域最具发展前景的关键技术之。因此，关于技术深入研究具有广阔的应用前景以及非常重要的国际战略意义。系统介绍射频识别系统的基本结构如图所示，主要由读写器，电子标签和后台数据管理系统三部分构成。其基本工作原理为读写器通过天线向电子标签发出特定频率的射频信号，电万方数据南京邮电大学硕士研究生学位论文绪论子标签通过自身耦合机制向读写器反馈所携带数据信全无损耗，所以输出端口的功率总是要小于输入端口的功率，故其耦合度分贝值总为负。但习惯上只说耦合度分贝的绝对值。比如常见的“定向耦合器”，实际上指的是它的耦合度是。分贝耦合值越大，表明主传输线耦合到副线的能量越少。般称分贝耦合值比较小的的定向耦合器为“强耦合定向耦合器”，定向耦合器比如称分贝耦合值比较大的般大于耦合器称为“弱耦合定向耦合器”。般情况下，定向耦合器的结构设计都是根据耦合器所需求的耦合度来确定的。方向性定义为当定向耦合器的所有端口都为无反射端口时，定向耦合器的耦合端口输出功率与隔离端口的输出功率之比，即方向性理论上，理想的定向耦合器的端口输出信号功率，方向性应该等于无穷大。不过实际情况下，定向耦合器的隔离端口并非完全没有能量流出，端口的不完全匹配耦合线的不连续性和容差都会使得少部分能量从隔离端口流出。所以方向性无穷大是无法实现的，实际工程应用中对方向性设定最低要求比如大于。隔离度定义为隔离端口的输出功率与输入端口的输入功率之比，即隔离度同方向性类似，隔离度也是也是表征能量从隔离端口流出的情况的参量。理想中定向耦合器的隔离度也应该等于无穷大，但和方向性同样的原因，使得在实际工程应用中是无法实现端口的完全隔离，这就要求工程设计中定向耦合器的隔离度应尽量大，这样才能保证定向耦合器有较好的性能。隔离度在数值上等于耦合度和方向性之和，即万方数据南京邮电大学硕士研究生学位论文定向耦合器基本理论混合网络耦合器定向耦合器是定向耦合器的个特例，它的耦合度为，那么由公式可得。这样的网络又可以分为正交混合网络和魔混合网络或环形波导混合网络。正交混合网络当信号由端口输入时，在端口和端口输出等功率信号，并且信号间有度相差，端口被隔离。它的矩阵为魔混合网络当信号由端口输入时，在端口和端口将输出两路相同功率相同相位的信号分量，端口被隔离当信号由端口输入，则在端口和端口两路相同功率，相位差为度的信号分量，端口被隔离。它的矩阵为输入驻波比定义为当端口同时接匹配负载时输入端口的驻波比，即频带宽度定义为当定向耦合器的耦合度方向性隔离度及输入驻波比同时满足相应指标要求时，耦合器的工作带宽。几种常见定向耦合器介绍波导定向耦合器倍兹孔定向耦合器所有定向耦合器的工作特性都是由两个分开的波通过定的耦合机制在耦合端口相位叠加，同时在隔离端口相位抵消原理。种最简单的耦合器就是在两个波导公共宽壁上挖个小孔，通过耦合孔将电磁波从其中个波导传递到另个波导，这就是倍兹孔定向耦合器。它有平行波导和斜交波导两种形式，如图结构万方数据南京邮电大学硕士研究生学位论文定向耦合器基本理论图倍兹孔定向耦合器由小孔理论可知，个耦合孔可以用由电荷磁偶极矩组成的等效源来代替。其中，法向的电偶极矩和轴向的磁偶极矩在耦合波导中的辐射呈对称关系，而横向磁偶极矩的辐射呈奇对称关系。所以，可以通过调整这两个等效源的振幅大小使辐射到隔离端口的电磁波相互抵消，从而使得辐射到耦合端口的电磁波叠加增强。对于如图所示平行波导耦合器，其两个波导尺寸相同且平行的，可以通过调整耦合孔与公共波导窄壁的间距来控制输出端口的波振幅而对于图中所示斜交波导耦合器，可以通过调整两个斜交波导之间的夹角来控制输出端口波振幅。多孔定向耦合器单孔耦合器结构虽然简单，但是它的缺点就是工作带宽非常窄。为了拓展其工作带宽，种简单可行的方法就是在耦合器的上下两波导公共宽壁上添加多些耦合孔，利用这些耦合孔之间的相位叠加原理可以定程度上改善其工作带宽。首先我们考虑如图所示双孔耦合器情况。万方数据南京邮电大学硕士研究生学位论文定向耦合器基本理论图双孔定向耦合器原理图上图所示在具有公共宽壁的两个平行波导间开两个间距为耦合孔，在端口入射的电磁波大部分直接经端口输出，少部分能量通过两耦合孔耦合到了上波导由端口和端口输出。若相位参考点设在第个小孔处，则入射波在第二个小孔处的相位为。每个小孔耦合到上波导的波都有前向分量和反向分量，般情况下，前向分量和反向分量的振幅不会相同。由图中电磁波行进示意图可知，在端口方向上两个波分量相同，因为这两个波到达第二个小孔时都行进了。但是来自第二个小孔的波分量比来自第个的波分量多走了，也就是说到达端口的波是相消波。从其工作原理可以看出端口的相消对频率很敏感，使得方向性成为频率的敏感函数。这就决定了双孔定向耦合器只有在中心频率附近具有较好方向性和隔离度，当其工作频率偏离中心频率时，方向性和隔离度就会迅速下降。所以双孔波导定向耦合器的工作带宽也比较窄。为了拓展波导定向耦合器的工作带宽，我们可以从降低耦合器方向性对频率的敏感性出发，比如增加耦合孔的数量，这就是多孔定向耦合器。在多孔定向耦合器结构中，个耦合孔会激励起个正向波和个反向波，通过调整耦合孔间距来使得这个反向波叠加相消。耦合孔越多，反向波相消可能性就越大，如此来耦合器性能对中心频率的依赖性越小，从而可以使得定向耦合器在更宽的频率范围内保持较好的方向性和隔离性。所以多孔定向耦合器具有较宽工作带宽。耦合线定向耦合器当两根无屏蔽的传输线靠近到定距离时，两根传输线之间会存在电磁耦合作用，将根传输线上电磁能耦合到另根传输线上，可以根据传输线间的电磁耦合量来设计特定耦合度的耦合线定向耦合器。该类型耦合器的两个输出端口输出的信号功率可以是相等的也可以是不等的。万方数据南京邮电大学硕士研究生学位论文定向耦合器基本理论图反向定向耦合器如图所示是个后向耦合器，该定向耦合器耦合线上的信号波的传播方向与直通线中的信号波方向相反。信号从端口输入时，部分能量就被耦合到了耦合线上的端口，当耦合路径的长度等于信号四分之波长时，端口和端口耦合达到最大值。耦合线定向耦合器的两输出端口输出信号的相位之间会满足种特定关系，拿最常见的电桥正交耦合器为例，它的两个输出端口信号相互正交，各个端口间相位关系如表。表正交耦合器端口间相位关系表但是，和波导定向耦合器类似，只有当耦合路径的长度等于信号时，该耦合器才有较好的方向性，同样可以借鉴波导耦合器改善带宽的类似方法，采用多节耦合线级联结构，如图所示，其中各节耦合线的长度均为中心频率的。通过选择恰当的奇偶模阻抗，可以增加耦合线耦合器的工作带宽。万方数据南京邮电大学硕士研究生学位论文定向耦合器基本理论图多节耦合线耦合器示意图环形定向耦合器环形定向耦合器，如图所示，由个闭合圆环微带线和根传输线连接而成，其中，圆环微带线周长等于三分之二个波导波长，特性阻抗为，圆环周围根传输线的特征阻抗为，端口到端口端口间距，端口到端口间距均为导波波长，端口到端口间距为个导波波长。当有信号入射到端口，同时其他三个端口都接匹配负载，则在端口和端口输出等功率输出，端口被隔离。图环形耦合器的结构俯视图万方数据南京邮电大学硕士研究生学位论文定向耦合器基本理论分支线定向耦合器分支线定向耦合器是种由两根平行传输线构成主副通道，并且主副通道间通过两个或多个分支线来建立耦合机制的定向耦合器。其中各分支线长度以及分支线之间的间距都为四分之波导波长，其结构如图所示图分支线微带定向耦合器示意图分支线定向耦合器的基本原理为当所有端口都接匹配负载时，从端口输入的信号等分地分配到端口和端口，并且在两个输出端口间有相差，同时端口被隔离。注意，分支线定向耦合器具有高度的对称性，四个端口可以任意作为输入端口，输出端口总是位于网络输入端口的