光纤定向耦合器

光纤定向耦合器（共7篇）

光纤定向耦合器 篇1

0 引言

全光信号处理是一项新兴的光纤通信技术，用于解决高速电子器件遇到的带宽瓶颈问题。全光时间微分器是用于全光信号处理的一个重要器件，能够在光域直接对光信号进行时间的N阶微分，可以用于模—数转换、脉冲整形、微波信号的光处理等领域。目前，光时间微分器已有很多方案，例如，基于集成光横向滤波器[1]、基于长周期光纤光栅[2,3]、基于光纤布拉格光栅[4,5]和基于硅基微环的实现方案[6,7]。由于光时间微分器是今后超高速全光信号处理的基本模块，这些方案一直是各国研究者关注的焦点。

一个实际有用的光时间微分器应该遵循其结构简单、稳定、尺寸小，能在今后的集成电路或者芯片上集成。但是先前提出的诸多方案结构复杂，而且很难提供THz量级以上的带宽。基于光纤定向耦合器的光时间微分器具有结构稳定、设计灵活、性能稳定、能够提供较大带宽的优点，而且具有固定的传输损耗。因此，本文利用光纤定向耦合器[8](如双芯光纤)来实现全光时间微分器。通过合理的设计和数值分析，利用高斯脉冲分别对其工作带宽、误差、能量效率进行其微分特性分析。

1 光时间微分器的工作原理

光时间微分器能够对任意输入的光信号的时域复杂包络进行微分，它的传输函数表达式需要满足：H(ω)∝(-jω)N，其中ω为光角频率，N为光时间微分器的阶数。那么一阶光时间微分器的传输函数表达式为H1∝-jω，同样二阶光时间微分器的传输函数表达式为H2∝-ω2。

互相靠近对方的两个不同波导的定向耦合器，可以用来表示上述定义的一阶和二阶光学时间微分器的传输函数。双芯光纤可以看作此种形式的定向耦合器。双芯光纤的两个纤芯分别为波导1和波导2那么它的传输函数为[9]：

式中κ和L分别为耦合斜率和耦合器的长度;Δβ为失谐系数，是两个波导的传播常数β1和β2的差值，Δβ=β1-β2;。在β1≈β2情况下式(1)和式(2)可近似为：

失谐系数Δβ在中心频率ω0处近似为σ(ω-ω0)，其中σ=β1ω(0)/ω-β2ω(0)/ω。失谐系数Δβ在中心波长λ0(对应ω0)也可以近似为Δβ=κ(λ-λ0)，其中κ=β1(λ0)/λ-β2(λ0)/λ[10]，κ为耦合斜率，根据此公式，耦合斜率的定义为两个波导的传播常数对波长的微分差。当κL=mπ/2，m=1，3，5，…，式(3)符合一阶光时间微分器传输函数的定义，即H1∝-j(ω-ω0)。当κL=mπ，m=1，2，3，…，式(4)符合二阶光时间微分器传输函数的定义，即H2∝-(ω-ω0)2。因此当κL满足一定的条件，双芯光纤耦合器就可以近似为一阶或者二阶光时间微分器。图1和图2为双芯光纤耦合器作为光时间微分器的示意图。图1所示高斯脉冲在纤芯1输入，经过一定长度的传输，在纤芯1输出得到的就是高斯脉冲的一阶微分波形。图2所示高斯脉冲在纤芯1输入，经过一定的长度的传输，在纤芯2输出得到的是高斯脉冲的二阶微分波形。

2 数值仿真

下面将利用高斯脉冲来研究双芯光纤耦合器作为光时间微分器的以下特性：工作带宽、误差、能量效率。

2.1 高斯脉冲和传输函数的频谱分析

输入信号为高斯脉冲，其光强度表达式为[11]：

式中τFWHM为半幅谱宽。如果输入的是3ps、中心波长为1 550nm的高斯脉冲(其时域和频域如图3所示)。光纤定向耦合器参数选取如下：耦合器长度L=7mm，耦合斜率κ=0.02μm-2，耦合器中心频率为193.55THz。图4所示光纤定向耦合器作为一阶和二阶光时间微分器时的传输函数。图中两曲线中心频率都是193.55THz(对应1 550nm)，与输入高斯脉冲的中心频率一致。

2.2 光纤定向耦合器的误差

图5和图6为输入3ps高斯脉冲通过一阶和二阶理想光时间微分器的输出情况。图5所示的虚线对应3ps高斯脉冲，实线为通过理想一阶光时间微分器后的输出波形。图6所示的虚线对应3ps高斯脉冲，实线为通过理想二阶光时间微分器后的输出波形。

式(3)和式(4)中的H1和H2并不是理想的一阶(H1∝-j(ω-ω0))或二阶(H2∝-(ω-ω0)2)光时间微分器的传输函数，并且只能在中心频率附近对输入脉冲进行一阶或者二阶微分，因此与理想输出波形相比，实际的输出存在误差。误差的定义如下：

式中yt(nt)和y(nt)分别为理想和实际的输出波形的幅度，N为波形采样的总数。

图7和图8所示为1ps高斯脉冲分别通过一阶光时间微分器和二阶光时间微分器的理想(光脉冲通过传输函数为H(ω)∝(-jω)N)和实际(光脉冲通过传输函数为式(3)和式(4))输出波形。图7和图8中的实际输出波形用实线表示，理想输出波形以空心圆圈表示，一阶和二阶光时间微分器长度为8mm，耦合斜率都为0.02μm-2。实际输出波形与理想光时间微分器的输出波形比较吻合，误差比较小，一阶光时间微分器和二阶光时间微分器的误差分别为1.28%和2.5%。

2.3 光纤定向耦合器的工作带宽

光纤定向耦合器的工作带宽是其作为光时间微分器非常重要的性能指标。光时间微分器只有在工作带宽下运行，输出的脉冲的误差才比较小。当耦合器长度固定，并满足一阶或者二阶光时间微分器的条件，耦合斜率也固定，那么此光时间微分器的工作带宽就已经确定。在选择输入脉冲时，输入脉冲的频谱宽度要小于光时间微分器的工作带宽，否则将会导致较大的误差。光时间微分器的工作带宽大约是耦合器传输响应3dB的光谱带宽。

图9和图10的工作带宽是通过图4中曲线，即耦合器的传输函数最大幅度的0.707倍计算得来。耦合斜率和耦合器长度每隔一个单位长度计算一次工作带宽，最后通过曲线拟合得到工作带宽的表达式为：

式中c为光速，λ0为中心波长，p为常数。p值是根据图9中每个点对应的带宽值，由式(7)求得。一阶光时间微分器的p值约为2.84，二阶光时间微分器的p值约为8.27。当光时间微分器参数固定后，二阶光时间微分器的工作带宽大约是一阶光时间微分器的2.9倍。从式(7)中可以看出，工作带宽与耦合器的长度、耦合斜率成反比。图9中，耦合器的长度固定，为10mm。图10中耦合斜率固定，为0.02μm-2。从图9、图10可以看出光纤定向耦合器很容易达到THz以上的工作带宽，这是其它光时间微分器实现方案很难达到的，而且能处理皮秒级甚至更短的光脉冲，因此基于光纤耦合器的光时间微分器在今后超高速全光信号处理方面有着巨大的潜力[12]。

2.4 光纤定向耦合器的能量效率

光纤定向耦合器的能量效率是衡量耦合器微分性能的关键因素。能量效率是时间微分后的脉冲功率与输入脉冲功率之比。这个比值一般取决于光学微分器的带宽和输入脉冲的带宽。

图11和图12所示为输入3ps高斯脉冲情况下一阶光时间微分器的能量效率和二阶光时间微分器的能量效率。一阶光时间微分器的能量效率要比二阶的能量效率高。能量效率随着工作带宽的增加而减小。光时间微分器的工作带宽在1THz下，一阶光时间微分器和二阶的能量效率分别为1.25%和0.03%。当两个一阶光时间微分器串联成一个二阶光时间微分器时，能量效率估计为0.016%，比一个二阶光时间微分器的能量效率要低。这就意味着构成二阶光时间微分器直接使用单个耦合器就可以做到，而不需要级联。例如三个一阶光时间微分器串联构成三阶光时间微分器的能量效率低于一个一阶和一个二阶构成的三阶光时间微分器。因此，基于光纤定向耦合器的微分器比其他微分器方案在获得较高能量效率方面更简单，更实用。要进一步提高能量效率，就要采用更短的高斯脉冲，比如采用1ps脉冲。

图13和图14所示为光纤定向耦合器输入1ps高斯脉冲情况下的一阶和二阶光时间微分器的能量效率。光时间微分器的工作带宽在1 THz下，一阶光时间微分器和二阶光时间微分器的能量效率分别为10.5%和1.5%。从图11、图12、图13、图14可见，短脉冲比长脉冲通过光时间微分器的能量效率要高很多。但由于1ps脉冲带宽比3ps宽，在光时间微分器带宽不变的情况下，其输出波形的误差也大。

3 结论

本文阐述了光时间微分器的工作原理，设计了光纤定向耦合器作为光时间微分器的模型。从这个模型出发，结合光时间微分器的工作原理，得到光纤定向耦合器满足光时间微分器的条件。通过Matlab数值模拟了耦合器传输函数，讨论了高斯脉冲及其微分输出波形与理想光时间微分器情况下相比误差的大小。利用耦合器的传输函数求出光时间微分器的工作带宽，并得到相应公式。仿真结果发现，光时间微分器的工作带宽与耦合器的长度、耦合斜率成反比，而且在光时间微分器参数固定后，二阶比一阶光时间微分器的工作带宽大2.9倍;光时间微分器工作带宽一般在THz左右，与其他光时间微分器方案相比具有明显的优势。在输入脉冲一样的情况下，一阶光时间微分器的能量效率要比二阶光时间微分器要高很多;而且较短的脉冲拥有更高的能量效率。不难预见，基于光纤定向耦合器的光时间微分器将会在今后超高速光信号处理中发挥重要的作用。

参考文献

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智能定向耦合器的设计 篇2

对于无线信号同频同时收发的单天线系统如雷达, 无源RFID等, 一个重要的问题是要解决自身发送的前向信号对接收的反向信号的干扰。前向信号泄漏到反向会从三个方面干扰接收, 引起系统性能下降。一是导致射频链路阻塞, 使射频链路的增益不能很高。二是导致基带信号直流偏移, 在传送码流直流平衡的编码时可以通过电容耦合方式消除。三是前向信号所带的相位噪声和幅度噪声对接收链路的干扰。因此提高前反向信号的隔离度是单天线同频同时系统要解决的关键问题。

通常的前反向信号隔离的方法是采用定向耦合器和/或环形器, 双工器的前反向信号频率是不同的, 所以在这里不适用。由于定向耦合器和环形器自身的隔离度只能作到30d B左右, 而且其端口阻抗的阻抗在批次和环境影响下会发生变化, 导致隔离度下降, 因此实际工作时系统的隔离度会降到20d B, 或者更低。更复杂的情况是, 由于实际应用时电磁场环境快速变化, 通过更改电容电感调整电路阻抗改善隔离度的方法适应性差, 不能可靠的提高隔离度。

对于这一问题的解决思路通常是, 通过生成一个与原前向泄漏的干扰信号强度相同, 相位相反的对消信号, 通过合路器将两个信号叠加, 抵消掉前向干扰信号, 因此也称为泄漏对消。本文基于这一思路, 提出了一种结构新颖的定向耦合器自适应对消方法, 能实时对消前向载波泄漏信号, 使前向反信号的隔离度大幅增加, 由原先的20~30d B增加到50~60d B以上。

二、智能定向耦合器工作原理

通常的四端口定向耦合器分为输入端口、直通端口、耦合端口、隔离端口。系统发送信号时, 功放输出的射频信号从输入端口输入, 直通端口输出到天线, 部分能量输出到耦合端口, 极少的能量输出到隔离端口。而接收信号时, 由于定向耦合器的端口互易性, 反向信号从输出端口输入, 部分耦合到隔离端口, 通过隔离端口输出到接收器, 从而实现前反向信号的隔离, 如图1所示。

本文表述的智能定向耦合器, 通过在耦合端口传输路径上增加四个节点, 用来反射前向信号。利用传输线的传输延时对信号移相, 使相邻节点的相位差为1/8波长 (45度) 。前向功放输出的信号, 部分从耦合端口输出, 到达各节点, 当节点阻抗不为50欧时, 由于阻抗不连续时, 部分信号会从节点反射回耦合端口, 可以看出相邻节点的反射回定向耦合器耦合口的信号, 其相位差为90度, 如图2所示。

各反射节点上通过PIN二极管实现的可变电阻来改变节点阻抗, 节点阻抗变化引起反射信号的幅度变化。四个反射结点反射信号分别为:其中Γ= (ZL-Z0) / (ZL+Z0) , Z0=50Ω, ZL=Z0//ZPIN, ZPIN为PIN管阻抗。则在定向耦合器耦合口反射信号为:

三、反向信号控制实现

反射信号控制模块采用FPGA实现, 模块结构功能如图3所示。

正交解调器解调出I、Q两路信号, 经过表示反向泄漏信号的强度r1和相位兹1 (兹1为输入射频信号与本振信号的相位差) 。

I、Q信号经过AD转换为数字信号输入到FPGA芯片后, 首先输入进行滤波处理, 过滤掉高频噪声信号。然后输入到相位旋转单元, 通过改变信号的旋转角度和增益, 来调整IQ信号的相位和幅度, 相位旋转的公式如下:

I'、Q'所表示的幅度r'=r1×A和相位

再进行积分处理, 同相积分器输出结果为:

反向积分器输出结果为:

判断模块实时检测I、Q信号的幅度, 当I2+Q2小于阈值时, 表明耦合器的前反向隔离度已经达到要求, 此时积分器停止输出控制信号保持不变。

四、仿真和实际测试

不启动反向信号控制时, 采用定向耦合器的前反向信号在目的频点处的隔离度约为-28d B, 启动反向控制后优化到-55d B如图4所示, 显著提高了前反向链路的隔离度。

同时模拟了环境变化引起的泄漏信号的不同的初始相位和幅度, 系统都迅速对消, 如图5所示。

五、结束语

本文实现了一种高隔离性的智能定向耦合器, 并在超高频无源RFID系统上进行了测试, 测试结果表明:采用了智能定向耦合器技术后, 系统的前反向隔离度由28d B提高到55d B, 提高了27d B, 减少了系统前反向干扰, 提高了接收灵敏度和系统通讯距离。

参考文献

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保偏光纤耦合器的应用 篇3

在光通信技术中,光纤耦合器是十分重要的无源器件之一[1]。简单地讲,光纤耦合器就是使传输中的光信号在特殊结构的耦合区发生耦合,并进行能量再分配的器件,早期它多用在从传输干路取出一定功率用于监控等。近年来,随着光纤通信、光纤用户网、光纤CATV、无源光网络(PON)、光纤传感技术等领域的迅猛发展,它的应用也越来越广泛。

保偏光纤耦合器是能保持线偏振态的耦合器,是各种干涉型传感器和相干通信的关键器件,是构成高精度、高性能光纤陀螺和水听器的基础元件之一[2]。

1 保偏光纤耦合器的发展近况

美国、日本和加拿大等发达国家早就开展了保偏光纤耦合器的研究工作,产品已进入实用化阶段,代表了当前国际水平,附加损耗在0.3~0.5 dB之间,消光比在20~25 dB之间。耦合比典型值为50±5,但价格仍较昂贵,这表明保偏光纤耦合器在国外仍处于实用化初期阶段,耦合器的生产仍具有一定的难度。表1列出了国外部分保偏光纤耦合器的主要性能参数[3]。

目前,保偏光纤耦合器主要结构分为熔融拉锥型和研磨抛光型。研磨抛光型结构的优点是耦合比可调,外形尺寸较小,便于系列化,缺点是由于采用环氧树脂作为黏合剂,环境性能欠稳定。熔锥型保偏光纤耦合器是采用熔融拉锥技术制作的,于1982~1983年期间研制成功,采用应力双折射光纤的两种熔融拉锥型保偏光纤耦合器,一种是椭圆芯光纤,一种是D形光纤。这些早期研制的保偏光纤耦合器已经具有了较低的损耗(<1 dB)和10~20 dB较好的消光比,但是产量很难保证。制造中的一些问题若干年后才被认识和解决,这些问题包括光纤拉锥引起的光纤双折射的损失、耦合器中两个光纤的双折射轴的对准、包层和应力区的折射率差、拉锥时掺杂的扩散。通过精心的光纤设计和引入计算机控制的制造设备提高了生产能力。熔融拉锥保偏光纤耦合器的优点是在宽广的环境条件下具有优良的工作稳定性和可靠性。

我国研究保偏光纤耦合器的单位不多,中国电子科技集团公司第四十六研究所(以下简称四十六所)、北京航空航天大学、北京玻璃研究所、国防科技大学、电子科技大学等单位先后都开展了保偏光纤耦合器的研究工作,亦有产品问世。四十六所已经进行了数年的研究工作,其间完成了两项保偏耦合器的新品课题,一项型谱项目,都通过了设计定型鉴定,填补了国内保偏光纤耦合器的空白,生产的保偏光纤耦合器的典型技术指标见表2。目前我国十分重视保偏光纤耦合器的研究工作,尤其是光纤陀螺等惯性系统对实用化的保偏光纤耦合器的要求很高,国家也加大了投资力度,从而加速了保偏光纤系统及保偏光纤耦合器的实用化进程。

由于保偏光纤耦合器在军用光纤传感器上的广泛应用,受到世界各军事大国的高度重视,投入巨资来研制不同波长、不同规格和满足不同使用目的的保偏光纤耦合器,以保证其在该技术领域的领先地位。国外已有不同类型的系列化、商品化产品,但是因保密的原因,能获得的资料和信息很少,表3为国内外保偏光纤耦合器研制情况的对比。

通过比较可以发现我国保偏光纤耦合器关键性能指标比研制初期有了较大提高,但是和国外产品,特别是国外军用产品相比还有差距,特别是尾纤消光比低以及没有批量化生产的能力。我国保偏光纤耦合器研制单位除了表3中提到的几家之外,主要还有北京航空航天大学、国防科技大学、航天13所、航天33所等,他们的器件研制水平和上述水平基本持平,存在的问题也都类似。原因主要是:a.制造工艺相对落后,设备陈旧,特别是在精密加工和制作方面,水平依然较低;满足特殊环境所需的原材料的性能难以达到要求。b.部分研制单位对保偏光纤的制作工艺了解相对较少,在保偏光纤耦合器的制作方面缺少技术优势,造成保偏光纤耦合器的技术指标和要求差别较大。基于保偏光纤耦合器在军事应用方面的重要作用,以及对我国在该领域研究现状的清醒认识,加大保偏光纤耦合器的研究投入,已经成为我国军用光纤传感器发展和应用非常紧迫的任

务,必须形成协调发展、标准统一的技术体系,建立严格、规范的保偏光纤耦合器研制技术平台,真正实现保偏光纤耦合器将来在军事上的广泛应用。

2 保偏光纤耦合器的应用

2.1 在光纤陀螺中的应用

1913年,法国科学家Sagnac论证了采用无运动部件的光学系统能够检测相对惯性空间的旋转[4]。得益于激光器的发明,1962年作为第二代陀螺的环形激光陀螺(RLG)诞生,标志着以Sagnac效应为基础的光学陀螺取得实质性的发展,目前激光陀螺技术已经完全成熟并在许多惯导领域得到应用[5,6]。由于RLG采用了悬臂梁结构的机械抖动偏频来避免闭锁现象,还不能说是全固态器件。随着光纤通信技术的发展,1976年美国犹他州立大学的Vail和Shortill教授对第三代陀螺——光纤陀螺(FOG)进行了试验演示[7]。FOG具有体积小、质量轻、精度范围广、无运动部件等优点,是一种新型的全固态惯性仪表。由于其在航空、航天、航海及兵器等领域的重要性,从一开始就受到了世界各国特别是军方的密切关注,并得以迅速发展。

目前干涉型光纤陀螺技术完全成熟,在现代武器装备及许多工业领域已呈现出日益增长的应用需求。表4给出了国外对近期陀螺仪市场的预测[8],它表明光纤陀螺已成为21世纪惯性测量与制导领域的主流。

国外中低精度的光纤陀螺已经产品化,被广泛用于航空、航天、航海、武器系统和其它工业领域中。以美国用于制导系统的光纤陀螺为例,其销售额1992年达到5 050万美元,1996年达1.565 9亿美元,2000年底达到35.7亿美元。截止到20世纪90年代末,世界上研制光纤陀螺的单位已有40多家,包括霍尼韦尔(Honeywell)、利顿(Litton)、史密斯(Smith)、诺斯诺普(Northrops)、联信(AlliedSignal)等世界著名的惯导公司,覆盖了从战术级到惯性级、战略(精密)级的各种应用。光纤陀螺按其光学工作原理可分为三类:干涉式光纤陀螺(IFOG)、谐振式光纤陀螺(RFOG)和受激布里渊散射式光纤陀螺(BFOG)。其中RFOG和BFOG还处于基础研究阶段,而IFOG技术已完全成熟并产业化。

IFOG的工作原理基于Sagnac效应:当陀螺旋转时,激光起偏后经保偏光纤耦合器分为两束光,在光纤环圈内沿顺时针和逆时针方向传播,两束光之间产生一个与旋转角速度Ω成正比的相位差ϕS:

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式中R为光纤环圈的半径,L为光纤长度,λ为光波长,c为真空中的光速。由于ϕS与环圈半径和光纤长度成正比,光纤越长,环圈半径越大,陀螺精度越高,因此,可以在总体方案不变的情况下,采用不同的结构和器件水平,来满足不同用户的各种应用要求。这种设计上的灵活性,是光纤陀螺区别于机电陀螺的优势所在。根据应用精度的不同,干涉式光纤陀螺又可分为速率级、战术级、惯性级和精密级四个类型,其技术指标见表5。

保偏光纤耦合器的性能直接关系到整个光纤陀螺的性能。如保偏光纤耦合器的插入损耗大于1 dB,信号光功率来回一趟损耗至少4 dB,将消耗光源大部分有效出纤功率;消光比太低,会导致干涉信号减弱;偏振噪声和零位偏置加大,将降低光纤陀螺输出的灵敏度和信噪比;同时,环境稳定性对光纤陀螺的零漂和噪声指标也有影响。因此高性能保偏光纤耦合器的研制,是高性能光纤陀螺研制的基础。

2.2 在水听器中的应用

光纤水听器以其灵敏度高、体积小、易复用、便于遥测和响应频带宽等特点,在水下军事应用、石油勘探和保密监听等方面具有很大的应用前景[9]。多年来人们在这个领域不断地进行探索和研究[10,11,12],过去受技术条件和工艺水平的限制,大多数都采用单模光纤制作水听器[13,14],由于单模光纤抗弯绕能力差,同时存在偏振态随机变化的固有缺陷,使水听器难以小型化和稳定性较差,阻碍其向实用化发展。在多年保偏光纤器件研究的基础上[15,16],研制了基于Mach-Zehnder干涉仪型的全保偏光纤水听器阵列,系统稳定性得到大大改善。

光纤水听器是利用光纤的传光特性及其与周围环境相互作用产生的调制效应,在海洋中侦听声场信号的仪器。它与传统的压电水听器相比,具有极高的灵敏度(高3个数量级),足够大的动态范围,抗电磁干扰能力,无阻抗匹配要求,系统“湿端”质量轻和结构的任意性等优势,因此足以应付来自潜艇静噪技术不断提高的挑战,适应了各发达国家反潜战略的要求,被视为国防技术重点开发项目之一。

光纤水听器所探测的信号源为水下目标发出或反射的声波。水声波牵动水粒子位移引起的水密度变化产生水声波压变化。水声波压对光纤水听器产生调制,形成水听器的探测信号。光纤水听器所采用的调制类型主要有光强调制、偏振调制和相位调制。由于相位调制具有灵敏度高、易于实现全光纤化等一系列优点,基于相位调制的干涉型水听器成为当前光纤水听器研究开发的主导。

光纤水听器基元结构为光纤Mach—Zehnder干涉仪型,如图1所示。从分布反馈(DFB)激光器输出的光起偏后,经保偏光纤(PMF)传输到保偏光纤耦合器C1分成两束,分别经过干涉仪的传感臂和参考臂,再通过保偏光纤耦合器C2迭加进行干涉,干涉信号经单模光纤传输进入探测器,最后输入计算机进行处理。由于采用了全保偏光纤结构,从根本上解决了系统偏振稳定性问题。为增加干涉仪的相干长度,减小相位噪声,光源采用窄带光谱DFB激光器。在该基元中两个保偏光纤耦合器C1和C2起着非常重要的作用,这是因为:a. 由于单模光纤的偏振特性以及用它制成的定向耦合器不能保偏,必须使用偏振控制技术以保证系统长时间有固定不变的偏振态。b. 声敏探头内光纤往往需要小芯径缠绕,所用光纤必须能不泄漏或少泄漏光功率,而且能满足这一要求的特种光纤又必须能用来制作优质定向耦合器。

当前,光纤水听器正朝着全光纤、大阵列(1 000只以上水听器,2 000个以上信道)的组阵技术发展,保偏光纤耦合器作为核心部件之一,必将有更广泛的应用。

3 总 结

光无源器件的技术创新一直在光通信产业的发展中起着非常重要的作用,光通信产业的快速发展为光无源器件带来巨大的发展空间。保偏光纤耦合器作为光无源器件的一种很基本的,也是非常重要的一种光器件产品,近年来一直保持着稳定的增长势头。从长远来看,光纤传感器具有无限发展前景,保偏光纤耦合器市场需求也有巨大的上升空间,这

光纤定向耦合器 篇4

近年来，通信技术取得了长足快速的发展，微波通信设备也随之发展起来。如今通信设备趋于小型化、便携化，这对通信设备中无源器件的尺寸缩小提出更高的要求。

定向耦合器具有简单的结构以及良好的方向性，在微波通信中得到了较为广泛的应用。定向耦合器的种类从结构上分有微带型、波导型和同轴型等;从耦合方式上有分支线耦合、微带平行耦合线耦合、小孔耦合等[1]。传统微带形式的定向耦合器无法克服所占面积较大的缺点，因此限制了其在便携微波设备上的应用。目前，定向耦合器的小型化已经成为了一个热门的课题。文献[2]通过补偿电容，提高了耦合器的方向性并减小了尺寸;文献[3]通过引入多个开路枝节，实现了微带混合环的小型化;文献[4]采用了T型等效的方法实现了小型化;文献[5]采用了主线、副线以及耦合线的鱼骨形等效实现了小型化，避免了T型等效的中心重叠问题。但文献[4,5]仅仅是理论上的仿真，并没有考虑到实际微波器件的耦合效应。

本文基于前人的研究成果，设计了一种小型化的微带双分支定向耦合器，有效地解决了T型等效的中心重合问题以及主线、副线以及耦合线的鱼骨形等效的耦合失真严重的问题。利用HFSS软件进行仿真优化设计，并做出了实物进行测试。

1 定向耦合器的小型化设计

传统微带双分支定向耦合器的结构示意图如图1所示，分支线长度及其间距均为1/4中心相波长。其输入、输出端口的特性阻抗为Z0,AB段与DC段的特性阻抗为,AD段与BC段的特性阻抗为Z0。由于文献[1]已经给出了详尽的原理解释以及设计公式，本文将不再赘述。

然而，传统的微带双分支定向耦合器尺寸较大，本文通过传输线的对称等效，设计了一种小型化的微带双分支定向耦合器。传统微带双分支定向耦合器分支线的等效电路示意图如图2所示。

由等效前后A矩阵相等，已知θ1=90°，可得：

由式(1)可以推出：

将四段分支线进行T型等效后发现，定向耦合器中心部分发生重叠，这会产生严重的耦合现象，影响定向耦合器的性能。在考虑定向耦合器的耦合效应的前提下，对分支线AB及DC段的T型等效进行进一步等效，其等效示意图如图2(c)所示。

同理，由A矩阵相等得到：

综合式(2)～式(4)，本设计的参数选取如下：

2 仿真及实验结果

根据上述分析和计算，设计了一款应用于海事卫星通信的小型化微带双分支定向耦合器。中心频率为f0=1.6 GHz，频率范围为1.5～1.7 GHz，输入/输出端口阻抗Z0=50Ω。选用F4B系列微波介质材料板，相对介电常数为εr=2.65，损耗角正切tanδ=0.002，厚度h=2 mm。利用HFSS仿真软件进行大量的仿真优化，得到最佳的电路尺寸。最终加工实物如图3所示。

使用AV36580A矢量网络分析仪对加工的定向耦合器进行了实际测量。图4给出了各端口S参数HFSS仿真和实测结果的对比。由图4可知，在1.5～1.7 GHz工作带宽内S11<-15 dB，中心频率1.6 GHz处S11<-20 dB，各输入端口实现了良好的匹配。隔离口S41<-20 dB实现了良好的隔离。直通端与耦合端的功分效果良好，在所要求的频带范围内功分比最大相差0.5 dB。测试结果与仿真结果有着较好的一致性。测试结果与仿真结果的偏差可能来自于实际材料的误差以及雕刻机加工精度的限制。

3 结论

本文设计了一款小型化的微带双分支定向耦合器。基于传统微带双分支定向耦合器的原理，对分支微带线的结构进行等效，等效后的双分支定向耦合器较传统的双分支定向耦合器面积缩小了51%，实现了微带双分支定向耦合器的小型化，最终加工了实物，给出了测试结果。实测结果表明该微带双分支定向耦合器在整个设计频带内具有良好的匹配、功分以及隔离的性能。该定向耦合器已成功应用于海事卫星通信天线馈电系统。

参考文献

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细径宽带保偏光纤耦合器的研制 篇5

保偏光纤耦合器多用于各种干涉型光纤传感器和相干通信,也是光纤陀螺的关键部件之一[1]。近几年,为了进一步缩小光纤陀螺的体积,提高光纤陀螺的综合性能,很多研制单位都开始用细径(包层直径为80μm)保偏光纤制作光纤陀螺。传统标准光纤耦合器的工作波长为(1 310±10)nm和(1 550±10)nm,其对光纤陀螺所用的光源波长提出了较高的要求,而目前激光器的波长偏差约有±30nm,为了解决上述两者的矛盾,我们研制了细径宽带保偏光纤耦合器。

1 理论计算

1.1 双光纤熔锥区耦合模型

光纤熔锥区的直径可用图1所示的模型近似,假设在加热源火头宽度W之内的锥区直径为常数,两侧则按指数规律增加,根据体积守恒条件,可得光纤各部分的直径D为:

式中D0为光纤直径,L为单侧拉伸长度。两根光纤并在一起熔融拉锥,模式的耦合发生在W宽度之内,耦合功率Pc为[2,3]:

式中C为耦合系数,F2为最大耦合比,W为耦合区长度,r为耦合区光纤半径,r0为光纤半径,Δr为两光纤半径的差值。从式(4)可以看出,当耦合区两根光纤的半径相同时,最大耦合比为1,当两根光纤半径不相同时,最大耦合比小于1。

1.2 理论计算

图2为非对称光纤熔锥耦合曲线,采用非对称的两根光纤进行耦合时,当停火点处于功率曲线转折点时,其波长相关性较好,最大耦合比可降至50%附近。我们在细径宽带保偏光纤耦合器制作时,如果对其中一根光纤进行预拉伸,两根光纤半径差值Δr/r=0.010 2、W=4mm、λ=1 550nm、r0=40μm,并选择在该处停火,则可得到一个1 550nm细径宽带保偏光纤耦合器。

2 制作技术

根据上述理论计算,我们在细径宽带保偏光纤耦合器拉锥前对其中一根保偏光纤进行预拉,使其芯径变细,根据等体积法可得出拉伸后的长度约为耦合区长度的1.022倍,即拉伸长度为88μm。然后再与另一根保偏光纤靠紧,并使两根光纤的慢轴相互平行。常规保偏光纤(包层直径为125μm)在制作光纤耦合器时,可将两根保偏光纤并在一起加热至熔融状态,并同时缓慢拉伸光纤,当分光比达到50∶50时停止加热,即可制成3dB保偏光纤耦合器[4],如图3所示。但细径保偏光纤在制作光纤耦合器时,由于其包层直径仅为常规保偏光纤的2/3,截面积仅为常规保偏光纤的4/9,如果仍然采用上述方法熔融拉锥,则熔锥区会变得很细,应力比较集中,容易导致损耗上升,因此我们采用了无拉伸熔锥技术,并且在无拉伸熔锥后对细径宽带保偏光纤耦合器进行了封装保护,以固化其参数。

采用无拉伸熔锥技术制作细径保偏光纤耦合器时,我们首先在火焰中熔烧两根细径保偏光纤,同时利用夹具将两根细径保偏光纤向两侧预拉伸,当耦合器的耦合端有功率输出时立即停止拉伸;然后只用火焰熔烧两根细径保偏光纤,通过监测发现随着熔烧时间的增加,直通臂的光功率下降,耦合臂的光功率上升,当监测到指定分光比时,计算机发出停止加热指令,火焰退出。无拉伸熔锥技术制作细径保偏光纤耦合器时,随着功率的耦合,损耗无明显上升,而且耦合器熔锥区的直径是传统熔融拉锥工艺的两倍,可在一定程度上提高耦合器的可靠性。

3 测试结果

我们制作了四支中心波长为1 550nm的细径宽带保偏光纤耦合器,并分别对这四支细径宽带保偏光纤耦合器的一些主要性能参数进行了测试,测试结果如表1所示,图4为该细径宽带保偏光纤耦合器频谱曲线。我们采用细径保偏光纤制作宽带保偏光纤耦合区,减小了封装尺寸,封装尺寸仅为直径3mm、长28mm,并增加了带宽,而且其余各项指标均可满足光纤陀螺的使用要求。

4 总结

针对光纤陀螺研制单位对保偏光纤耦合器提出的新要求,我们采用预拉伸技术和无拉伸熔锥技术,成功研制了1 550nm细径宽带保偏光纤耦合器。该耦合器工作带宽大于70nm,封装尺寸仅为直径3mm、长28mm,满足了光纤陀螺研制单位的需求。

摘要：介绍了一种光纤陀螺用细径宽带保偏光纤耦合器。采用预拉伸技术增加了保偏光纤耦合器的带宽,采用“无拉伸熔锥”技术降低了保偏光纤耦合器的损耗。该保偏光纤耦合器尾纤包层直径为80μm,涂覆直径为160μm,带宽大于70nm。

关键词：耦合器,保偏光纤,细径,宽带

参考文献

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光纤定向耦合器 篇6

随着光传输技术在通信以及激光领域的快速发展,3×1光纤耦合器应用范围也得到了极大的拓宽,广泛用于探测、传感、医疗、照明、识别等紫外光传输系统。但是,对于数据采集与分析系统或者灵敏度要求较高的紫外光学系统来说,光纤在紫外波段下的传输效率相对较低,在215 nm下通常每米传输效率仅为30%～40%,为此要求系统中使用的,包括光纤耦合器在内的其他纤维光学器件必须有很高的传输效率。3×1光纤耦合器主要有两种制造方法:a.先制造3个熔融拉锥型2×1光纤耦合器,然后将其中两个耦合器的输出端分别与第三个耦合器的输入端熔接,成为一个4×1光纤耦合器,截断任意一个输入端口制成一个3×1光纤耦合器这种方法是建立在成熟的2×1光纤耦合器制作技术以及光纤熔接技术基础上,成品率极高,但耦合区传输效率很低(小于25%),体积较大。b.先采用一次拉锥的方法制造3×3耦合器,而后截去多余的两个输出光纤,耦合区传输效率不大于30%。

可见无论采用哪种方法制作,耦合器的耦合效率都比较低,很难满足紫外传输系统要求。我们采用改进的熔融拉锥制作方法制作的3×1紫外光纤耦合器的耦合区传输效率大于70%,远高于上述用两种技术制作的耦合器的传输效率,而且体积小,结构稳定、紧凑。

1 耦合区的结构

3×1高效率紫外光纤耦合器输入和输出光纤纤芯直径均为100μm,耦合区内三根输入光纤呈品字形紧密排列,在锥区逐渐熔融成为一体,熔接点处输入端直径小于输出光纤。耦合区结构及不同位置截面形状如图1所示。

耦合器的传输效率是紫外光纤在工作波长下的传输效率、耦合器锥形耦合区的传输效率、锥体与输出光纤熔接点的传输效率的累积。紫外光纤在工作波长下的传输效率主要受光纤本身材质、制造工艺和工作波长影响;锥形耦合区的传输效率主要受锥体长度、锥度和制造工艺影响;锥体与输出光纤熔接点的传输效率主要受输入输出光纤规格、数值孔径和熔接工艺影响。

2 紫外光纤的选择与预处理

为了提高该耦合器的传输效率,必须尽可能选择传输效率较高的紫外光纤来制作耦合器。国外紫外光纤制造技术比较成熟的厂家有美国Ceramppec公司、Fiberguide公司、Polymicro公司、德国Fibertech公司、荷兰Avantes公司和德国Heraeus公司等,由于各厂家采取的技术各不相同,因而光纤在不同波长下的传输效率也各不相同。使用265nm、355 nm滤波片对氘灯光源进行滤波,测试德国Fibertech公司UV100、美国Ceramppec公司UV105/125/140、Fiberguide公司SFM105/125、Polymicro公司FBP105/125Y紫外光纤以及用德国Heraeus公司高羟基含量石英棒拉制的紫外光纤:265 nm波长下这些光纤中传输效率最高的为93%,一般情况下小于90%;氘灯光源工作后,传输效率下降2%～5%,开始下降较明显,半小时后逐渐趋于平缓,24 h后重复测量,传输性能基本恢复,传输效率下降有明显好转。

为了提高紫外光纤的长期工作能力,在制作耦合器之前对选用的紫外光纤进行了预处理。首先将氘灯光源发出的光收集并汇聚成较小的光斑,这项工作通过制作一个输入芯径为2 000μm,输出芯径为100μm的光纤锥来完成。为了使更多的紫外光注入到紫外光纤中,没有采用空间光耦合的方法,而是将光纤锥的输出端与紫外光纤熔接。从光纤锥的大端注入可见光对熔接点进行检查,未见明显发光,表明熔接质量比较好,即从光纤锥输出的光基本上完全耦合进入了紫外光纤。接着对紫外光纤进行紫外光照射,共进行3次,每次4 h,间隔20 h。照射后将紫外光纤截成需要的长度,放置在85℃烘箱内热处理24 h,消除残余应力。预处理后的测试结果表明,紫外光纤较处理前有更好的传输效率稳定性,连续工作2 h无传输效率降低。

3 紫外光纤数值孔径的选择

输入光纤经过熔融拉锥后,截断面的数值孔径发生了变化,如果仍然采用相同数值孔径的光纤作为输出光纤,那么熔接处会有较大的损耗。光纤数值孔径的选择主要基于以下几个方面:a.数值孔径为0.22的光纤在光传输系统中是最为常用的,列为首选光纤,这样不但可以为产品耦合器与系统低损耗连接创造条件,价格也相对便宜,更容易购买;b.为便于工作在耦合器后端的光接收,输出光纤的数值孔径不能过大;c.从产品制作的难易程度和测试结果准确性角度考虑,聚合物包层光纤对洁净度要求很高,测试中剥离包层会影响测试结果,因此尽可能不选择聚合物包层光纤;d.为了将光纤的熔接损耗降到最低,选择纤芯材质一致的光纤,尽可能选择同一厂家的产品;e.输入光纤数值孔径不能过低,以确保锥区传输效率。输入直径为D,输出直径为d的光纤锥应满足下式:

式中Nout为光纤锥输出端面处的数值孔径,Nin为光纤锥输入端面处数值孔径。

在3×1高效率紫外光纤耦合器熔融拉锥区内,熔融拉锥区中的3根光纤被同比例拉锥,因此可以将d视为熔接点之后输出光纤的外径,Nout视为输出光纤的最小数值孔径,Nin视为输入光纤数值孔径。为了获得较高的传输效率,与光纤锥输出端熔接的输出光纤应满足dNout≥DNin。由于光纤锥输出直径d应与输出光纤外径相匹配,而输出光纤又与输入光纤的外径相同,即D=3 d,因此Nout≥3Nin。按包层材料和数值孔径的不同,阶跃型紫外光纤可分为两种:a.数值孔径较小的石英包层紫外光纤,其数值孔径分别为0.12,0.22,0.28等;b.数值孔径相对较大的聚合物包层紫外光纤,其数值孔径分别为0.37,0.46等。综上所述,该3×1高效率紫外光纤耦合器选择了Fiberguide公司生产的数值孔径为0.12的石英包层紫外光纤作为输入光纤,德国Heraeus公司生产的数值孔径为0.22的石英包层紫外光纤作为输出光纤。

4 熔融拉锥长度的选择

直接对锥区进行分析较为复杂,为了简化分析,将处于耦合器耦合区部分的每根输入光纤视作为一根锥形光纤,同样具有指导意义。

3×1高效率紫外光纤耦合器的三根输入光纤首先被完全熔融在一起,成为一个正圆之后再熔融拉锥。当输入光纤包层外径为125μm时,光纤锥输入直径D=3d=3×125=216.5μm,当光纤锥输出直径为100μm时,计算可得图2所示的传输效率与锥区长度关系曲线。由图可以看出,随着锥体长度的增加,传输效率降低得很快。考虑到制作工艺难度和损耗问题,我们将耦合器的锥区长度控制在2～3 mm。

由于锥度的存在,输入光纤在耦合区部分不可避免存在泄漏,其中一部分进入了相邻的输入光纤,另一部分即为损耗。除了工艺控制会造成一部分功率损失之外,损耗主要受到锥度和锥体长度的影响。

5 耦合器的制作

5.1 拉锥前光纤的预处理

为了确保熔融拉锥质量,减小损耗,在拉锥前需要进行一些必要的准备工作。先依次去除三根输入光纤的涂覆层,将清洁过的裸光纤部分浸入未经稀释的浓氢氟酸中,注意避免将未剥离涂覆层的光纤浸入浓氢氟酸,1 min后取出,用清水反复冲洗,清洁吹干后备用。

改进的熔融拉锥采用了先将三根输入光纤集束成稳定的结构之后再安装到光纤夹具上进行拉锥的方法。先将三根处理过的输出光纤“品”字形排列,使光纤间紧密、平行靠拢在一起,接着轻轻扭绞光纤束,使裸光纤之间也紧密靠拢,形成稳定的“品”字排列。熔融拉锥使用的是特别设计制作的三维调节光纤夹具,在拉锥前需要调整两侧光纤夹具的同轴度,具体的方法是:在两侧的夹具上分别安装一根针形调整棒,开启熔融拉锥系统的旋转夹具程序,调节微调架,直至两根调整棒的针尖完全吻合。

5.2 熔融拉锥

熔融拉锥的改进部分包括光纤夹持方式、光纤拉锥状态、加热方式等。通常光纤耦合器制作时光纤夹持采用真空吸附方式,但由于我们的光纤束外形结构不是很规整,不能与夹具良好贴合,大大影响了吸附效果。为此我们采用的是金属弹性夹具,它包括特别设计的弹性夹头和压紧部件,这种夹持方法的优点是能够为整个光纤束提供较稳定的夹持,并且耐高温,缺点是光纤束从夹头中穿过,取出时必须小心,以免光纤断裂。

由于光纤束外形结构不如光纤规整,因此为光纤熔融拉锥设备增加了三维调节部件,用于使每个光纤束在熔融时都能够有良好的同轴度;拉锥过程采用了光纤束旋转受热方式,将光纤夹具放置在一个特制的旋转装置上,在拉锥过程中两侧夹具同方向、同速度旋转,这样改善了光纤熔融部分受热下坠产生的轴偏,提高了光锥的同轴度。

传统2×2光纤耦合器一般采用单火炬头向下加热的形式,或者在此基础上外置氧气龚助加热,考虑到三根光纤同时熔融比传统的两根光纤熔融需要更高的热量,经过反复试制,最终选用了氢气和氧气通道制作在一个火炬内的结构,氢氧焰在火炬口混合,火焰更为稳定。定制的火炬口径为5 mm,可左右移动,且移动范围随拉锥长度的增加而扩大。

采用改进后的熔融拉锥法制作的耦合器的锥区部分锥度变化均匀,没有竹节状;同轴度与不旋转拉锥相比较得到了较大的改善,也提高了三根光纤受热均匀性,从外观看,三根光纤在耦合区锥体每个位置的熔融状态基本相同,从锥体中间截断,观察断面,三根光纤呈相同的3个扇形。

5.3 耦合区锥体与输出光纤的熔接

选择在耦合区锥体直径(即光纤锥输出直径)约为100μm的位置截断,与纤芯直径为100μm的输出光纤对准熔接。这是因为三根输入光纤熔融拉锥区域存在一定的锥度,输入光纤纤芯中传输的光会泄漏进入包层,并沿锥体随长度的增加越来越多,因此整个截面的所有部分都包含了输入光,只有将这部分的光完全注入到输出光纤纤芯中才能够获得较高的熔接点传输效率。

由于常规光纤熔接机无法同时夹持三根输入光纤,因此耦合区锥体与输出光纤的熔接采用了自制的熔接装置,自制装置使用手动对中,精度相对较差,不过本产品的光纤芯径较大,对中精度要求也相对较低,因此完全能够满足熔接要求。制作过程中还就熔接状态对熔接质量的影响进行了比对,发现图3a)所示熔接状态1的熔接损耗较大,而图3b)所示熔接状态2的熔接损耗相对较小,具体原因有待进一步分析。合格的熔接点应无接缝、界面不规则或气泡等现象。

6 测试结果

我们研制的3×1高效率紫外光纤耦合器,采用高羟基含量紫外光纤,其纤芯直径为(100±10)μm,工作波长为200～400 nm,3个样品耦合区的传输效率测试数据如表1所示,耦合区传输效率η=P/P0,其中P0为耦合区的注入功率,P0=1.853mW,P为耦合区的输出功率。可见样品的传输效率均大于70%。

7 结束语

本产品的耦合区传输效率(>70%)远高于采用其他方式制造的光纤耦合器,同时均匀性较好。到目前为止,国内外还没有关于紫外光纤耦合器的相关文献报道以及产品技术资料。本产品类似于激光合束器,通常用来作为LD泵浦光合成,在光纤激光器、光纤放大器中有着良好的应用前景。随着上述技术的不断提高,应用需求的不断增加,这类产品的研发力度也在加大。

参考文献

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光纤定向耦合器 篇7

近年来,耦合器在广播电视、移动通信等无线通信领域得到了更多应用[1,2,3]。随着应用的增多,对耦合器的带宽、功率、尺寸、集成度等指标提出了更高的要求。本文在以空气为介质的三阶定向耦合器的基础上,通过增加具有高电压击穿特性的三氧化二铝陶瓷片作为耦合介质,分析并设计了一款高功率三阶3 dB介质定向耦合器。此介质耦合器在保证足够带宽的前提下,能够提高耦合器的耐压性能,从而实现了定向耦合器的高功率耦合。此类耦合器以其高耐压性的优势,能应用于广播电视台大功率(数十千瓦)发射机中。

1 原理分析

对于理想的3 dB耦合器,如图1所示,输入信号能量从端口1进入耦合器,耦合能量从耦合端口2输出,其余能量从直通端口4输出。但是由于耦合器的非理想性,在隔离端口3有部分能量输出,且在输入端口也有一部分能量被反射。

耦合系数

方向性

隔离度

回波损耗

采用奇偶模分析法对耦合传输线进行分析。用奇模和偶模的激励之和表示耦合传输线上任意点的电压激励,用单根传输线的方法解决耦合线的分析问题[4]。通过分析,在匹配条件下,单节耦合线耦合器4个端口的电压为

输入端:V1=V0(5)

耦合端:

隔离端:V3=0

直通端:

其中,k为电压耦合系数,定义为

通过级联奇数个1/4波长的耦合段,反向耦合器能实现更好的性能,得到更宽的带宽。下面求解图2中三阶定向耦合器耦合端和直通端的电压[3]。

耦合端口2和直通端口4的总电压为

由于对称性,k1=k3,当θ=π2时,上面公式化简为

可以通过选择耦合系数k1,k2,k3等来综合所希望的耦合度响应。

2 高功率三阶3 dB介质耦合器的设计与测试

如图3和图4所示,这是一个无介质的三阶定向耦合器,三阶长度相等,均为76 mm。中间节上下板之间空气的厚度为2d(变化范围2~8 mm),中间节台阶高度为h(变化范围6~20 mm)。此外,金属板厚度为thi(变化范围5~20 mm)。

在实际的仿真优化中还加入了6个铜质螺钉(图4中的b1~b6),通过调节螺钉长度,可以改善耦合器的平衡度、拓展带宽以及优化回波损耗与隔离度等。由于调节参数很多(d,h,thi,b1~b6),调试可大致分为粗调和微调两部分。初始状态为:d=1.5 mm,h=10 mm,thi=10 mm,b1=b2=b3=b4=b5=b6=0。HFSS软件仿真的S参数曲线如图5所示。

图5中,耦合器并没有谐振,需要对b1~b6螺钉进行粗调以寻找谐振范围,经过粗调后S曲线如图6所示。

图6中直通强于耦合,二者并未平衡,反射和隔离达到了10 dB以下,耦合器开始进入谐振状态。在此基础上,对b1~b6进行微调,并对d,h和thi进行相应调节,可得耦合器的S参数曲线如图7所示。在优化调节过程中,各参数对S曲线的影响如表1所示,“—”表示影响不大。

图7中,此耦合器在耦合与直通之间实现了很好的平衡,此外,回波和隔离度都能达到20 d B以下。

通过实验发现,三阶3 dB耦合器的中间节,以空气作为介质,即εr=1时,两板间距小于6 mm。并且当间距在2~3 mm时,耦合最强。这样的间距,在功率很大(如应用于广播电视台数十千瓦的发射机)时,两板容易击穿。为了防止击穿,增加一块绝缘介质(如图8和图9所示),其相对介电常数εr=9.8。以三氧化二铝为材料的介质块,长宽高分别为31 mm,130 mm,3 mm。在间距为3 mm的情况下,三氧化二铝的击穿电压达到30 kV[5],可实现高功率输入。此外,宽带的三阶3 d B耦合器的耐压低,高功率的耦合器因此只能做成窄带的,即在频带和功率两个指标中存在一个权衡问题。

图8和图9中耦合器的中间节(第2节)的长度θ2=30 mm,比第1节和第3阶(76 mm)短,这是因为加介质后,电磁波等效波长变短,如下式

因此中间节的长度需相应地缩短。将εr=9.8代入式(14)得到等效波长λ=0.319λ0。但是中间节长度并不能按此比例简单地缩小到θ2=0.319θ1=0.319×76 mm=24.3 mm,因为介质仅仅介于中间节上下两板之间,并没有完全覆盖金属,此处并不构成线性关系。需要利用HFSS软件对中间节长度进行优化,在优化时,可以用θ2=24.3 mm作为参考,因为通过定性分析,假设介质能完全覆盖金属,则中间节长度为24.3 mm,没有覆盖时中间节长度应当大于此数值。事实上,通过HFSS优化,中间节长度为30 mm。此介质耦合器的参数b1~b6,d,h,thi的调试方法与前文无介质耦合器的调试方法相似,此处主要阐述中间节长度θ2的优化过程。图10中显示了中间节长度从24 mm增大到40 mm过程中各S参数的变化情况。

从图10可看出,中间节长度在27~33 mm范围内,耦合器的平衡度、回波损耗、隔离度等参数较为理想,因此可以取中间节的长度为30 mm。

通过HFSS仿真,分别得到无介质耦合器和介质耦合器两板间的电场分布和最大场强,根据击穿电压分别计算两种情况下耦合器的最大输入功率。

对于无介质耦合器,中间节两板间的最大电场强度为2 040.7 V/m(输入1 W时得到的最大电场强度),空气的击穿电压是3 000 000 V/m。由于两块传输板之间是空气介质,所以得到最大允许输入功率为(3 000 000÷2 040.7)W=1.47 kW。即当输入功率小于1.47 kW时,基本保证耦合板之间不被打火击穿[6]。

对于高功率3 d B介质耦合器,中间节两板间的最大电场强度约572.86 V/m(输入1 W时得到的最大电场强度),由于两块传输板间三氧化二铝介质的击穿电压为10 000 000V/m[5],所以最大允许输入功率为(10 000 000÷572.86)W=17.46 kW。即当输入功率小于17.46 kW时,基本保证耦合板之间不被打火击穿[6]。需要说明的是,由于增加的介质没有完全覆盖相应金属,并不构成线性关系,因此此处得到的17.46 kW只是一个估算数值,但它能在一定程度上说明增加介质后,耦合器的耐压性能及最大输入功率均得到了很好的改善。

以上对比可以看出,三阶3 d B耦合器的中间节,以空气作为介质,即εr=1时,由于最大输入功率仅有1.47 kW,因此在输入功率很大时,两板容易击穿。为了防止击穿,增加一块三氧化二铝材料的绝缘介质,其相对介电常数εr=9.8。在间距为3 mm(即介质厚度为3 mm)的情况下,此3 dB耦合器的输入功率能够增加到17.46 kW,从而实现高功率3 dB耦合。

此高功率三阶3 dB介质耦合器的实物图如图11所示。

使用安捷伦的网络分析仪(见图12)对其进行测量,型号为Agilent 8712ET 300 kHz~1 300 MHz RF Network Analyzer。经过调试得到结果如图13所示。从图中可见,在800~900 MHz范围内,此耦合器能达到较好的平衡度,除去网络测试仪测量线损耗(约0.2 dB)的影响,直通S41和耦合S21均保持在-3.0~-3.2 dB范围内。随着频率升高,在900 MHz以上时,直通S41开始下降,耦合S21开始变强,两者逐渐脱离平衡。对于隔离和回波反射,在810~912 MHz能保持在20 d B以下,并接近30 dB。网络测试仪测量的实际结果与前文HFSS仿真的图10c所述基本吻合。

3 结论

本文根据定向耦合器的工作原理及要求,利用HFSS软件分析并设计了一款以空气为介质的三阶3 dB定向耦合器,此耦合器能使耦合与直通实现较好的平衡,同时隔离端的输出功率和输入端的反射功率也得到了较好的控制,但以空气为介质的耦合器耐压低,最大输入功率只有1.47 kW。为了提高耦合器的耐压性能和最大输入功率,在前述定向耦合器的基础上,使用具有高电压击穿特性的三氧化二铝陶瓷片作为耦合介质,分析并设计了一款高功率三阶3 dB介质定向耦合器。此介质耦合器在保证足够带宽的前提下,使耦合器的输入功率由1.47 kW增加到了17.46 kW,从而可以应用于广播电视台大功率(数十千瓦)发射机中。

摘要：根据定向耦合器的工作原理及要求,利用HFSS软件分析并设计了一款以空气为介质的三阶3dB定向耦合器。并在此基础上,使用具有高电压击穿特性的三氧化二铝陶瓷片作为耦合介质,分析并设计了一款高功率三阶3dB介质定向耦合器。此介质耦合器在保证足够带宽的前提下,能够提高耦合器的耐压性能,实现了定向耦合器的高功率耦合,从而可以应用于广播电视台大功率(数十千瓦)发射机中。

关键词：模功率分配器,定向耦合器,奇偶模分析,击穿场强

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