耦合器设计--基本理论
《耦合器基础知识》课件
测试方法与步骤
信号源设置
根据测试需求设置信号源的频 率、功率等参数。
测试执行
启动信号源，观察接收设备的 响应，记录相关数据。
测试准备
检查所有设备和工具是否正常 工作，确保测试前的系统连接 无误。
耦合器连接
将耦合器连接到信号源和接收 设备之间，确保连接稳定可靠 。
数据处理与分析
对采集到的数据进行处理、分 析和解读，以评估耦合器的性 能。
与展望
新材料的应用
碳纤维材料
碳纤维具有高强度、轻质、耐腐蚀等优点，可应用于 耦合器的制造，提高其性能和寿命。
高分子材料
高分子材料具有优良的绝缘性能和化学稳定性，可用于 制造高频、高温等特殊环境下的耦合器。
新工艺的探索
3D打印技术
利用3D打印技术可实现耦合器的快速原型制造和个性化定制，提高生产效率和灵活性。
制图软件
如AutoCAD、SolidWorks等，用于绘制耦合器的机 械结构。
数学计算软件
如MATLAB、Excel等，用于进行理论计算和数据处 理。
设计实例分析
实例一
设计一个用于无线通信系统的定向耦合器，要求传输功率为100W，频率范围为 2.4GHz，耦合度为30dB。通过理论计算和仿真验证，最终实现了一个性能稳定的定向
表面处理技术
通过表面处理技术，如镀膜、喷涂等，可改善耦合器的表面性能，提高其导电、导热和耐磨性能。
新应用领域的拓展
物联网领域
随着物联网技术的发展，耦合器在无线通信、传感器网络等领域的应用将得到拓展。
新能源领域
在新能源领域，如太阳能、风能等，耦合器可用于能量转换和传输，提高能源利用效率。
THANKS.
详细描述
实验3：分支线耦合器设计
MTEE$ ID=TL5
MTEE$ ID=TL6
2
MLIN ID=TL2 L=10 mm
PORT P=2 Z=50 Ohm MSUB Er=4.4 H=1 mm T=0.035 mm Rho=1 Tand=0 ErNom=4.4 Name=SUB1
MTRACE2 ID=X2 BType=2 M=1 MTRACE2 ID=X3 BType=2 M=1
������������1 = ������������������ =
1 − ������������������������′������1 ������������1 ������������������������������1
由：
������������0 180������0 ������0 （弧度） = (度) = 90 2������������������ 2������������������ ������������������ (1 − ������������������������ ′ ������1 )������������������ 2 ������������1 ������������������������������������ ������ (������������������2������������1 − ������������������������ ′ ������1 )������������������������ ′ ������1 ������1
1 2
MTRACE2 ID=X4 BType=2 M=1
MLIN PORT ID=TL4 P=4 Z=50 Ohm L=10 mm
2
3
3 1
MLIN ID=TL3 L=10 mm
光纤耦合器的理论_设计及进展
第30卷第1期 2010年3月物 理 学 进 展PROGRESS IN PH YSICS V ol.30No.1 M ar.2010文章编号:1000-0542(2010)01-0037-44收稿日期:2009-11-18基金项目:国家自然科学基金(10674075,10974100,60577018)、天津市应用基础与前沿技术研究计划重点项目、国家863计划项目(2006A A01Z 217)、光电信息技术科学教育部重点实验室开放基金项目资助*Ema il:zhangw g@nanka 光纤耦合器的理论、设计及进展林锦海,张伟刚(南开大学现代光学研究所,光电信息技术科学教育部重点实验室,天津300071)摘要: 系统总结了光纤耦合器的发展历程,归纳提炼出各个阶段的标志性事件;详细阐述了光纤耦合器的耦合类型、制作方法、性能参数;详细评述了光纤耦合器的理论分析方法;全面分析了X 型、星型、光栅型、混合型等各种典型光纤耦合器的基本结构、工作原理及耦合特性;指出并展望了光纤耦合器的发展方向和应用前景。
作者率先提出并设计了超长周期光纤光栅耦合器,实验上实现了两个超长周期光纤光栅之间的有效耦合。
关键词:光纤光学;光纤耦合器;光纤通信;光纤传感;超长周期光纤光栅中图分类号:T N253;T N929 文献标识码:A0 引言光纤耦合器是一种用于传送和分配光信号的光纤无源器件,是光纤系统中使用最多的光无源器件之一,在光纤通信及光纤传感领域占有举足轻重的地位。
光纤耦合器一般具有以下几个特点:一是器件由光纤构成,属于全光纤型器件;二是光场的分波与合波主要通过模式耦合来实现;三是光信号传输具有方向性。
根据光的耦合原理,人们已经设计出了多种光纤耦合器器结构。
包括:X 型光纤耦合器、星型光纤耦合器、双包层光纤耦合器、光纤光栅耦合器、长周期光纤光栅耦合器、布拉格光纤耦合器、光子晶体光纤耦合器等。
随着各种光纤通信和光纤传感器件的广泛使用,光纤耦合器的地位和作用愈来愈重要,并已成为光纤通信和光纤传感领域不可或缺的一部分。
多模干涉耦合器的设计
实验二：多模干涉耦合器的设计一、实验目的：1、掌握多模干涉耦合器的结构、工作原理2、了解多模干涉耦合器的分析方法及其仿真技术 二、实验原理：如图1所示，多模干涉耦合器(MMI Device)的关键结构是一个能传输多个模式(一般>3个)的多模波导，为了使光输入和输出多模波导，还必须有一些波导(一般为单模波导）放置在多模波导的起的结构示意图始端和终止端，具有这种结构的器件被称为N ×M 多模干涉耦合器．其中N 和M 分别为输入和输出波导数．多模干涉耦合器的工作原理是基于Ulrich 发现的多模波导自映像效应．它是多模波导中被激励起来的多个模式间的相长性干涉的结果．由于自映像效应，沿波导的传播方向将周期性地产生输人场的一个或多个像．图1 多模干涉耦合器机构示意图图1所示多模波导起始端的坐标为在z ＝0,设该处光场横向分布为(,0)y ψ。
输入场(,0)y ψ可以写成所有模(包括辐射模)的线性叠加(,0)()=∑y C y υυυψψ （1）其中()y υψ为υ次模的光场分布，C υ为场激励系数，可由模式正交性得到：2(,0)()/()=⎰⎰C y y dy y dyυυυψψψ （2）在多模渡导任一截面场分布可以写成所有导模的叠加：01[()](,)()--==∑m j z y z C y eυββυυυψψ (3)在多模波导区．由于不同模式传播速度不同．存在着传播常数差，显然当z 不等于0时，不同模式的相位发生了相对移动，从而使不同模式间的相位关系与人射时候不再相同。
正是由于这种不同模式问的相位的相对移动，使得多模波导不同位置处光场横向分布和多模波导起始端( z=0处)的光场横向分布比较发生了变化。
令01/()=-L ππββ,0101其中，分别是次模和次模的传播常数ββ,(3)式可改写为：1(2)(,0)()exp[]3-=+=∑m y C y jZ L υυυπυυπψψ由上式可得到多模波导任一截面的横向场分布。
四.功分器和定向耦合器的设计
C10logP P1320logS31
dB[S(3,1)]
• 隔离度： 隔离端口4的输出功率P4和输入端口1的输入功率P1之比：
I10logP P1 420logS41 dB[S(4,1)]
定向耦合器的基本原理
• 8-16GHz倍频程内定向度： S41/S31<-17dB
• 8-16GHz倍频程内隔离度： S41<-20dB
定向耦合器的仿真设计
建立耦合器设计的电路原理图
耦合端口
输入端口
直通端口
隔离端口
/4;f012GHz
定向耦合器的仿真设计
建立耦合器设计的电路原理图
耦合端口
输入端口
直通端口
功分器的设计、仿真、优化
设置完成的功分器电路图
功分器的设计、仿真、优化
开始仿真 全频段内隔离度未达指标，并且平坦度较差，需优化
功分器的设计、仿真、优化
电路优化
• 对阻抗匹配电路的优化---优化变量w2，lh
功分器的设计、仿真、优化
电路优化
• 优化仿真器和优化目标的设置—由于电路对称性，S(3,1)和S(3,3)不需优化
dB[S(2,1)]
C1310logP P 3 i 20logS13
dB[S(3,1)]
功分器的基本原理
功分器的基本指标
• 输出端口间的隔离度： 根据输出端口2的输出功率P2与输出端口3的输出功率P3之比计算
• 功分比：
C2310logP P2 320logS S1 12 3
• 定向耦合器属于无源微波器件，为四端口器件，分为：
隔离
耦合
(word完整版)磁性藕合器的设计与计算
磁力耦合器的设计及应用概要:磁力耦合器也称磁力联轴器、永磁传动装置。
永磁涡流传动装置主要由铜转子、永磁转子和控制器三个部分组成。
一般，铜转子与电机轴连接，永磁转子与工作机的轴连接，铜转子和永磁转子之间有空气间隙(称为气隙），没有传递扭矩的机械连接。
这样，电机和工作机之间形成了软（磁）连接，通过调节气隙来实现工作机轴扭矩、转速的变化.因气隙调节方式的不同，永磁涡流传动装置分为标准型、延迟型、限矩型、调速型等不同类型.磁力耦合器在超高真空实验设备-滑动摩擦系数测定实验机上的具体应用和设计;并结合应用扼要介绍了磁力耦合器的工作理、主要功能、磁力传动转矩的计算、磁路的排列形式、结构特点等，以及在制造中需要注意的工艺问题。
随着科学技术的不断进步和发展，对有关物理量测定设备的性能要求越来越高,对测试结果要求更加精确和准确；从而得出的数据更加真实和有效,这极大地促进了科研事业的迅速发展,同时也为工业技术经济的腾飞发挥着巨大推动作用，充分体现了科学技术是第一生产力；我们设计制造的磁力耦合器应用到超高真空设备—滑动摩擦系数测定实验机上。
由于磁力耦合器在传动负载转矩的同时,能够彻底解决设备的全密封问题；滑动摩擦系数测定实验机在分子泵连续抽真空48h 后，测量室的真空度达到10—6Pa 以上，满足了实验室测试要求;足见其全密封的有效性和可靠性；这为科学研究提供了设备保障，为科研事业的发展起到了促进作用。
1、磁力耦合器的工作原理和主要功能1.1、工作原理根据磁体磁极的异性相吸、同性相斥原理及其磁力线能够穿过非铁磁性物质的特性；当电动机拖动外磁转子旋转时，通过磁力作用，外磁转子带动密封套内的内磁转子同步旋转,从而实现转矩的非直接接触传动；同时,通过密封套实现了传动转矩时轴端的静态全密封，把传统轴端的动态密封变为安全、可靠的静态密封,从根本上解决了动态轴封“跑、冒、滴、漏"的技术难题.其原理结构如图1 所示。
1.2、主要功能磁力耦合器的主要功能是传动转矩，同时,把轴端传统的机械动密封变为安全、可靠的静密封;当负载转矩超过磁力耦合器的最大传动转矩时，磁力耦合器内、外磁转子会自动脱开耦合状态，起到过载保护的作用；由于磁力耦合传动属于非直接接触的软连接,隔振、减振作用明显。
一种宽带定向耦合器设计
一种宽带定向耦合器设计宽带定向耦合器是一种在微波通信系统和无线通信领域使用频率较高的器件，具有很好的特性，广泛应用在线路的输入输出匹配、功率分配等方面。
针对该器件特点，本文将从设计步骤、设计原理等方面详细阐述一种宽带定向耦合器的设计。
一、设计步骤1. 确定相关参数首先，需要确定耦合器的频率范围、耦合度、带内平衡度和抗通带抑制等参数。
2. 选取合适的传输线选择合适的传输线是本设计的一个重要步骤。
传输线的选择应该基于设计的频率和特殊要求。
3. 设计主传输线和副传输线根据耦合的要求，可以在主传输线和副传输线之间设计耦合槽，以实现低耦合和高与稳态。
4. 确定耦合槽位置、尺寸耦合槽的位置和尺寸需要按照一定的规律来进行设计，可以通过仿真计算得出。
5. 设计耦合槽与主副传输线的接触点耦合槽与主副传输线的接触点应该满足接触良好，缝隙小的要求。
6. 仿真优化在以上步骤完成之后，对耦合器进行仿真优化，以确保其在所设定的频率范围内可以正常工作。
二、设计原理宽带定向耦合器的设计原理基于传输线的相互耦合和矩形波导线的特点。
1. 传输线相互耦合主传输线和副传输线之间通过耦合槽实现相互耦合，耦合系数根据耦合槽的设计来确定。
在高频率下，传输线相互耦合的情况下，宽带灵敏度比较高。
2. 矩形波导线的特点矩形波导线的特点是工作频率低，但是在宽带匹配和传输线耦合方面具有很好的优势。
在本设计中，主传输线和副传输线均采用矩形波导线设计，以保证其传输特性的好。
三、总结综上所述，本设计的宽带定向耦合器是一种基于主副传输线之间通过耦合槽实现相互耦合的原理进行设计的。
在设计中，选择合适的传输线、确定耦合槽位置和尺寸，并进行仿真来提高设计效率，最终得到了一种性能优异的宽带定向耦合器。
多路耦合器及其相关理论和技术研究
多路耦合器及其相关理论和技术研究多路耦合器及其相关理论和技术研究引言：多路耦合器是现代通信系统中重要的设备之一，它可以将多个输入信号合并成一个输出信号，或将一个输入信号分配给多个输出信号。
随着通信技术的发展，多路耦合器的研究与应用得到了广泛关注。
本文将详细介绍多路耦合器的相关理论和技术研究。
一、多路耦合器的基本原理多路耦合器主要由传输线、功率分配网络和耦合结构等组成。
传输线用于将输入信号传输到功率分配网络，而功率分配网络则根据设计要求将输入信号合并或分配到每个输出端口。
耦合结构则用于连接传输线和功率分配网络，实现信号的耦合与分配。
多路耦合器的基本原理是利用正交耦合技术将输入信号从一个传输线传输到多个输出端口的传输线上。
其核心思想是通过电磁场的耦合，使得输入信号能够同时存在于多条传输线上。
在多路耦合器中，通过调整传输线之间的耦合中继点位置和阻抗匹配等参数来实现输入信号的均匀分配。
二、多路耦合器的设计方法为了实现多路耦合器的设计，需要考虑到频率响应、传输损耗、隔离度和功率分配均匀性等因素。
常见的设计方法有：布尔化方法、矩阵方法、电磁仿真方法等。
1. 布尔化方法布尔化方法是一种图形化的设计方法，将多路耦合器的结构与其逻辑关系进行对应。
通过将多路耦合器转化为布尔方程，并采用基于门电路的设计方法，可以方便地实现多路耦合器的设计。
2. 矩阵方法矩阵方法是通过矩阵分析多路耦合器的传输特性。
通过给定输入端口和输出端口的电压和电流之间的线性关系矩阵，可以得到多路耦合器的传输矩阵。
通过适当选取耦合电感和耦合电容的数值，可以实现所需的传输特性。
3. 电磁仿真方法电磁仿真方法是一种通过计算机模拟多路耦合器的电磁场分布来进行设计的方法。
常用的电磁仿真软件有ANSYS、CST Microwave Studio等。
通过调整耦合结构的参数，可以得到所需的耦合效果，从而实现多路耦合器的设计。
三、多路耦合器的应用领域多路耦合器广泛应用于通信系统中，包括广播系统、卫星通信系统、无线通信系统等。
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式中f0是耦合器中心频率。
0 2f 0 C1 C2 Z 0o
平面结构的螺旋耦合器、折叠线型耦合器
9
耦合器结构型式众多，图5-50a是平面结构的螺旋耦合 器，b是折叠线型耦合器。
（a）
（b）
图5-50 （a）螺旋耦合器；（b）折叠线型耦合器
3dB交叉指lange耦合器
Z 0o R Z 0e
7
图5-48 集中电容补偿微带耦合器
平行耦合线耦合器
对于准TEM模，输入匹配条件为 Z sin e Z 0 o sin o Z 0 0e Z sin Z
12
Z 0e Z 0o
l 90
1 2 e o 以及 2
图5-45
混合环和耦合器的性能由耦合系数、方向性以及负载特性决定， 通常隔离端口接匹配负载。
微带分支电桥的工作原理
/4 y01=1 y02=1/R B y0 = b y0 = b D y04=1 （a） C y03=1/R 短路 y0 = a2 (3)
5
(1)
对称 平面 (4) y0 = a1
A
1
耦合器设计
2
微带耦合器
微带耦合器
3
耦 合 器 couplers( 有 时 又 叫 混 合 环 Hybrids) 是微波电路中常用的 无源器件，把电路元 件直接连起来即可构 成混合环，而耦合器 一般由靠得很近的传 输线构成，它们一般 有四个端口，且每一 端口为匹配负载端接， 也就是说在给定频率 范围内，端口的反射 图5-44 微波混合环与耦合器 是很小的，反射系数 （a）分支线混合环； （b）集总参数分支混合环； 一般小于0.1。
10
图5-44(d)所示3dB交叉指lange耦合器。端口1输入，端口2和3输出功率相等， 但有90相移，其特点是频带宽，设计公式为
N 11 R 2 C N 11 R 2 2R
Z0o RN 1 RN 1R 1 Z Z0 1 R
11
魔T
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
ree reo
2
耦合器的耦合系数及方向性都是频率的函数 jC sin 1 C D 1 C 2 cos j sin 4
2
图5-48 集中电容补偿微带耦合器
式中
e o o
e o 2 1 e2 1 o
图5-47 （a）方形分支电桥；（b）圆形分支电桥
平行耦合线耦合器
平行耦合线耦合器（见 图5-48）具有对称性： 1、对称面上电流=0， 电压最大，相当于开路， 称为偶对称；2、另一 种分布，对称面上电压 =0，电流最大，相当于 短路，称为奇对称。耦 合线上任何场分布都可 看成奇模与偶模场分布 的组合。基于奇、偶模 分析可得到耦合线结构 3dB定向耦合器的设计 方程，如下。
C是电压耦合系数，R为阻抗比，Z为归一化奇模阻抗，R、Z与耦合系数C关 系见图5-49，N为导体数，一般为4，Z0e、Z0o 表示偶模、奇模阻抗，Z0 为端 口阻抗，当N=2，Z 0 Z 0o Z 0e ，当N2时，这个关系不成立。 交叉指耦合器的耦合段有两个短指和长指，短指长度取工作频段内最高频率 的gh/4，而长指应为最低工作频率的gL/4。连接相应耦合指的跳线为几十m 直径的金丝或铝丝，叉指尺寸W、S由要求奇、偶模阻抗决定。
（c）平行耦合定向耦合器; (d）3dB lange耦合器
耦合器参数定义
4
耦合器可看成四端口网络。四个端口是输入端口、直通端口、 耦合端口与隔离端口。设P1是由匹配源馈入端口1功率，P2、P3、 P4分别在端口2、3、4可得到的功率，描述该端口的网络参数主 要有四个：
P1 耦合系数 C 10 log （dB） P3 P3 方向性 D 10 log （dB） P4 P1 隔离度 I 10log D C （dB） P4 P T 10 log 2 通过率 （dB） P 1
e
Z 0e Z o Z 0e Z o
o
Z 0o Z o Z 0o Z o
下标e、o表示属于偶模even和奇模odd的量。 e、o是偶模和奇模的传播常数。 当 e o , logD 方向性达到最佳。因此从方向性考虑，希望奇模与偶模具 有相同的相速。为此在耦合两端并联电容C1、C2，并联电容对偶模不起作用，对奇模 相移有影响，其增加的相移o为
(2)
/ 4
开路
（b）
A
1 a1 /8
/4 b
B 1/R a2 /8 1
A
/4 b a1
B
（c）
1/R a2 /8 （e）
/8
（d）
图2-46 微带双分 支定向耦合器
环形分支电桥原理
6
对于3dB耦合器，并联臂和串联臂的阻抗分别为Zp=Z0、 Zr=Z0/ 2 ，Z0是输入 端和输出端特征阻抗。所以串联臂微带线导带宽度比并联臂宽，如图5-47a。 微带双分支定向耦合器也可作成圆形结构，叫做环形分支电桥，如图5-47b。 从1臂输入功率平分到左右两个分支，它们到4臂路径相差半个波长，即/2， 相位相反，故4臂没有输出，为隔离臂。从1臂到2臂、3臂功率相等，但路径 相差/4，因而有90相位差。方形分支电桥、环形分支电桥，在混频器电路 中应用甚广。