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微波工程期中報告-論文研讀報告 主題： History of Microwave Passive Components with Particular Attention to Directional Couplers 報告人： 碩研電子一甲 M9930228 林晏羽 IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES,VOL. Mm-32, NO. 9, SEPTEMBER1984 Southern Taiwan University Department of Electronic Engineering 前言 研究和開發的雷達在美國獨立於1930年中期還有英國與其他 國家。在早期她們使用的頻率約100至300MHZ，使用銅軸電纜 元件。 再1939年高功率脈衝磁控管發明於英國，該技術與美國分享， 發展出高解析度，難以干擾雷達從各種窄波從1.0至35GHZ。 第二次世界大戰期間1939年至1945年微波雷達仍難是被美英 壟斷。1939年10月，美國麻省理工學院組織輻射實驗室，再 1945年達到一個高峰，人數達到3900人，1945年年底解散。 第二次世界大戰後，在麻省理工學院的主要輻射實驗室發表 了28卷輻射實驗室圖書系列，還有哈佛無線電研究實驗室發 表了兩卷系列。 這些描述了一個非常大的各種同軸和波導元件。幾乎所有的 被動元件同軸和波導現在使用的，四十多年過去了，matical 理論如此完全徹底地表現為以現代的今天。 IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES,VOL. Mm-32, NO. 9, SEPTEMBER1984 器定向耦合早期歷史 最早的定向耦合器在ATT這家公司，在美國申請專利於1922年 192年獲取。最早的定向耦合器一般是記入房委會 Affel的交 通運輸技術，公司，其美國專利 1615896被提交於 1922年， 1927年獲取專利。他顯示了四分之一波兩線線通過一個電阻器 的一端，並在其他檢波器，這是平行放置在兩條很長的傳輸線。 他是指它作為一個環形天線，名稱為“定向耦合器”還沒有被 發明出來，但很明顯，這可以設計做定向耦合器。 IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES,VOL. Mm-32, NO. 9, SEPTEMBER1984 在參考書目上發表的定向耦合器射於1954年，他最早引用美國專 利 1999250發表於 1935年到A Mollath和H. O。Roosenstein，題 為“高功率因數表，頻率測量。”其他早期引用由A.Alford 發表 在1941年2月，和Pistolkors和Neumann，發表於 1941年4月。 人們會想到其他的定向耦合器使用對秤的金屬線和同軸電纜線必 須是在1920年進行的，尤其是在1930年代，但相當多的研究在老 舊的文獻發現。 IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES,VOL. Mm-32, NO. 9, SEPTEMBER1984 波導定向耦合器 最早的波導定向耦合器可能使用了雙電容探頭間距 入/4沿著兩條 波導。第一次使用了耦合裂縫可能是倍茲孔耦合器。其中有一個 圓孔共同broadwall集中在波導間，軸的其中一個角度在設計頻率， 電場和磁場耦合波導的seeondary取消一個方向，同時增加其他頻 率。使用兩個或更多的洞間距 入/4。專利2562 281，提交1944年 6月14日，並發出 1951年7月31日。他的論文發表了關於這一主題 的1947年。H. J. Nblet in 1947出版了正確的數學理論，N等於 耦合器件。他表明，當 n的增大，輸入功率之間交替主要和次要 波導輸出功率成正比COS2（nk）和sin2（nk）。輸出之間的相位 差保持不變。 IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES,VOL. Mm-32, NO. 9, SEPTEMBER1984 1948年，與 blet和Saad發表了一篇文章關於使用一個雙插槽重複 n倍 入/4間隔沿共同broadwall平行波導。每雙插槽是集中在同一 橫截面平面上，一橫槽，和其他縱向和偏離中心位置，如圖(1)。 此插槽對可以設計成具有完美的方向性在選定的頻率 f，並在此 平面耦合頻率。隨著更多的這種對間隔 入/4沿著波導，耦合可以 提高的同時，在同一時間，高指向性的帶寬增加。他們的一個設 計有密切的實驗數據顯示，平等的功率分割和高指向在12百分之 波段。顯然，這是第一個寬頻帶正交混合耦合器。從paper討論， 它的具有淺力價值的一部分但目前尚未實現。 IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES,VOL. Mm-32, NO. 9, SEPTEMBER1984 Fig. 1. Riblet and Saad directive slot pair IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES,VOL. Mm-32, NO. 9, SEPTEMBER1984 在本文的主要貢獻是新的短槽側壁波導耦合器圖2，擁有 平等的功率分割，高隔離度，低駐波比，準確的90°相位 的帶寬至少超過 12個百分點。 Metal inserts Capacitive screw or dome Fig. 2. Narrow-wall short-slot coupler. IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES,VOL. Mm-32, NO. 9, SEPTEMBER1984 正交混合，一個類似的頂壁短槽耦合器開發後的圖3，被業界 廣泛採用，而且可能是最廣泛使用的今天波導元件。 Fig. 3. Broad-wall short-slot coupler IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES,VOL. Mm-32, NO. 9, SEPTEMBER1984 C.L.Dolph發表了他的數學方法，於 1946年 X 中的愛爾蘭，並在其後數年的個人認識到它 的價值，其他應用程序。例如，作者之一本 文件（SBC）的設計了一個七孔側壁耦合器 在約 1950年有超過 40分貝測量方向性充分 波導帶寬超過百分之四十。而，最重要的進 步是惠普有限公司做了反射耦合器，並描述 了在1952年由巴尼特和亨頓。他們的貢獻之 一是將圓孔偏離中心的側邊平行波導的一側 Fig. 4. Multi-aperture broad-wall coupler 或兩側的中心線如（圖4）。 IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES,VOL. Mm-32, NO. 9, SEPTEMBER1984 Z COUPLED TEM-LINE DIRECTIONAL COUPLERS(線性方向耦合器) 第一個精確設計理論TEM耦合器，適用於嚴格的緊密，以及鬆散，由文件 中的精隨的耦合發表於 1954年。他給出了正確的耦合與頻率的單節耦合 器，和近似理論耦合器具有錐形耦合。某些基本的確切性質平行耦合TEM 將說明奇偶模式的耦合導體圖5。首先，耦合是回碩的，也就是說，耦合 波是的二次線傳播的方向相反的方向的波主線路。 IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES,VOL. Mm-32, NO. 9, SEPTEMBER1984 2 3 Zo Zo Zo Zo (a) 1 +1/2 2 3 1 4 +1/2 (b) Zoe -1/2 H wall +1/2 4 2 3 1 4 (c) Zoo Fig. 5. (a) Single-section TEM-tine proximity coupler.(b) Even- and odd-mode circuits and electric-field patterns. 首先說明使用對稱 three-section耦合器（圖 6）提供大幅改 善的頻寬帶，幾乎是平的耦合器於 1955年在一篇論文中。他還 建議，更廣泛的“平面”耦合頻帶寬可以得到一個耦合器。 2 3 4 1 Fig. 6. Three-section symmetrical TEM-line coupler. IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES,VOL. Mm-32, NO. 9, SEPTEMBER1984 也是在這個時候，一本作者的論文（RL）的實現了理論上的可行性 非對稱耦合器圖(7)和它的長度優勢。他攻擊設計問題的一部分， 他的博士論文的工作，並達成了一系列嚴格的設計公式，在封閉的 形式，這是他發表在1963年7月。 2 3 4 1 Fig. 7. Asymmetric stepped TEM-line directional coupler. OFFSET COUPLED STRIPS FOR BROAD-BAND APPLICATIONS 耦合偏移頻寬帶應用 J. Paul Shelton，在1960年代中期，他解決一個方案，發表於 1966年1 月，完全是為了推廣安置的寬條帶，允許將相互抵消的橫截面圖8，從而 使耦合不斷削弱，全寬邊耦合價值，基本上是沒有。另一個重要貢獻是 他的理解，是非對稱邊緣領域的偏移條不會造成任何不良的耦合模式， 但只有到所需的奇數和偶數的模式，即使四導體（兩條帶子和兩個導電 面）。他完成了他的貢獻，產生了一套高產尺寸的設計公式，這些公式 適用於零厚度帶，但更正足夠的厚度小金屬蝕刻片都很容易執行。隨著 這項工作，所有的多倍頻帶狀線電路，要求要緊密結合帶已經利用這種 偏移耦合三層夾層結構。 IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES,VOL. Mm-32, NO. 9, SEPTEMBER1984 Fig. 8. Offset coupled strips. IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES,VOL. Mm-32, NO. 9, SEPTEMBER1984 後來在同一年，1966年，J. P. Shelton and J. A,Mosko發表了一份關於串 聯相同的連接和不同的多重分區，對稱耦合器圖9以達到 3 dB的正交寬帶耦 合器。 2 1 3 4 Fig. 9. Tandem-connection of directional couplers. IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES,VOL. Mm-32, NO. 9, SEPTEMBER1984 六，圓錐TEM定向耦合器 對稱和非對稱耦合器組成，上述分立等長耦合部分，每一種都有 固定的耦合。突發性的步驟和尺寸耦合發生在這些路段加入。 1966年Tresselt發表了數學方法取代了原型離散節對稱耦合器由 一個不斷錐形器。個別的頗面都認為近似平坦的連續曲線。1969 年D. W. Kammler發表了 反覆’最佳化的方法能夠產生真正的錐 形耦合器耦器設計。 IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES,VOL. Mm-32, NO. 9, SEPTEMBER1984 七。不對稱錐形TEM耦合器件 實際上有兩種不同類型的非對稱耦合器具有實際意義。恰好解決 了由作者之一（RL）離散的情形下，統一的長度部分，其特點是 最小長度和輸出相區別，差別很大以上頻段。另外，在未來的一 段描述，大約是兩倍長，但有用的零度，180度輸出相位特性的T 混合體。兩種非對稱耦合器可以設計成連續錐度，以及與離散均 勻節。1970年，F. Arndt發布表設計簡單錐形的版本，偏離定向 耦合常數波動偏差。 在所有提到的不對稱設計，到目前為止，包括Arndt’s的錐形設 計，意外一步從零到最緊密的耦合是必需的。這是物理上不可能 的，當然，儘管它可能是由具有近似連接帶的交界點到達與九十 度之間，從而使磁耦合可以忽略不計，插入一個或多個接地引腳 或一個刀片垂直於地平面在到達範圍，以減少導電耦合。 IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES,VOL. Mm-32, NO. 9, SEPTEMBER1984 心得感想 雖然我很喜歡讀歷史但是看到微波的歷史卻讀的很LOW，但是這 是每一年代的研究者的知識一直累積下來造成如今微波的成就， 所以知識是學習不完的，但是我們可以把我們的知是貢獻給下一 代。 雖然翻這篇不是翻得很好，但是做隱形機器人組的跟我說要發揮 想像力去翻譯所以如果沒翻得很好只能說想像力有待加強。 修這門課最大的收穫就是英文進步了，在微波領域也有稍微的認 知，但是不管收穫多少還是要謝謝老師。 IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES,VOL. Mm-32, NO. 9, SEPTEMBER1984 參考文獻 [1]L. Young,” Microwave theory and practice:An histoncal overview,”presented at 1973 Int. Syrup.Circuit Theory,Toronto,Canada,Apr.10, 1973 [2] R. F. Schwartz,“Bibliography on directional couplers; IRE Trans.Microwave Theoty Tech., vol. MTT-2, pp. 58-63, July 1954.Also,See vol. MTT-3, pp. 42-43, Apr. 1955 and vol. MTT-15, pp. 120-123,Feb.1967(thelatter co-authoredby W. E. Caswell). [3] A. Alford, “Coupled networks in radio frequency cirmits~ Proc. IRE, vol. 29, pp. 55-70,Feb. 1941. [4] A. A. Pistolkors and M. S. Neumann, “An instrument for direct measurement of the traveling wave coefficient in feeders,” Electro svyaz,vol. IX, Apr. 1941. [5] W. W. Mumford, “Directional couplers) Proc. IRE, vol. 35, pp.160-165, Feb. 1947. END