耦合器基础知识ppt课件

1、耦合器616028282目录 1 定向耦合器。2 定向耦合器的性能指标。3 波导双孔定向耦合器。4 双分支定向耦合器 。5 耦合器对RF电路的影响。定向耦合器 在微波系统中在微波系统中, , 往往需将一路微波功率按往往需将一路微波功率按比例分成几路比例分成几路, , 这就是功率分配问题。实这就是功率分配问题。实现这一功能的元件称为功率分配元器件现这一功能的元件称为功率分配元器件, , 主要包括主要包括: : 定向耦合器、定向耦合器、 功率分配器以功率分配器以及各种微波分支器件。及各种微波分支器件。 这些元器件一般这些元器件一般都是线性多端口互易网络都是线性多端口互易网络, , 因此可用微波因此

2、可用微波网络理论进行分析。网络理论进行分析。 定向耦合器是一种具有定向传输特性的定向耦合器是一种具有定向传输特性的四端口元件四端口元件, , 它是由耦合装置联系在一起它是由耦合装置联系在一起的两对传输系统构成的。的两对传输系统构成的。 如图下页图所示。如图下页图所示。 图中图中“、 ”是一条是一条传输系统传输系统, , 称为主线；称为主线；“、”为另一条为另一条传输系统传输系统, , 称为副线。耦合装置的耦合方称为副线。耦合装置的耦合方式有许多种式有许多种, , 一般有孔、分支线、耦合线一般有孔、分支线、耦合线等等, , 形成不同的定向耦合器。形成不同的定向耦合器。 定向耦合器的原理图定向耦合

3、器的原理图 定向耦合器的性能指标定向耦合器的性能指标 定向耦合器是四端口网络定向耦合器是四端口网络, ,如上图端口如上图端口“”为输入端为输入端, , 端口端口“”为直通输出端为直通输出端, , 端口端口“”为耦合输出端为耦合输出端, , 端口端口“”为隔离为隔离端端, , 并设其散射矩阵为并设其散射矩阵为S S。描述定向。描述定向耦合器的性能指标有耦合器的性能指标有: : 耦合度、隔离度、耦合度、隔离度、 定向度、输入驻波比和工作带宽。下面定向度、输入驻波比和工作带宽。下面分别加以介绍。分别加以介绍。 1耦合度输入端“”的输入功率P1 ，与耦合端的输出功率之比定义为耦合度c，如下公式：(2)

4、(2)隔离度隔离度 输入端输入端“”的输入功率的输入功率P1P1和隔离和隔离端端“”的输出功率的输出功率P4P4之比定义为之比定义为隔离度，记作隔离度，记作I I。 (3) (3)定向度定向度耦合端耦合端“”的输出功率的输出功率P3P3与隔离端与隔离端“”的输出功率的输出功率P4P4之比定义为定向度，之比定义为定向度，记作记作D D。 (4) (4) 输入驻波比输入驻波比 端口端口“、 、 ”都接匹配都接匹配负载时的输入端口负载时的输入端口“”的驻波比的驻波比定义为输入驻波比，记作定义为输入驻波比，记作 。 (5)(5)工作带宽工作带宽 工作带宽是指定向耦合器的上述工作带宽是指定向耦合器的上述

5、C C、 I I、 D D、 等参数均满足要求时的工作频率等参数均满足要求时的工作频率范围。范围。 B B 波导双孔定向耦合器波导双孔定向耦合器 波导双孔定向耦合器是最简单的波导定波导双孔定向耦合器是最简单的波导定向耦合器向耦合器, , 主、副波导通过其公共窄壁上主、副波导通过其公共窄壁上两个相距两个相距d=(2n+1)g0/4 d=(2n+1)g0/4 的小孔实现的小孔实现耦合其中，耦合其中，g0g0是中心频率所对应的波是中心频率所对应的波导波长导波长, n, n为正整数为正整数, , 一般取一般取n=0n=0。耦合。耦合孔一般是圆形孔一般是圆形, , 也可以是其它形状。定向也可以是其它形状

6、。定向耦合器的结构如下页图耦合器的结构如下页图 根据耦合器的耦合机理根据耦合器的耦合机理, , 画出如上图画出如上图 b b所示的所示的原理图。原理图。 设端口设端口“”入射入射TE10TE10波波(u+1=1), (u+1=1), 第一个小孔耦合到副波导中的归一化出射波为第一个小孔耦合到副波导中的归一化出射波为 和和, q, q为小孔耦合系数。假设小孔很小为小孔耦合系数。假设小孔很小, , 到达第到达第二个小孔的电磁波能量不变二个小孔的电磁波能量不变, , 只是引起相位差只是引起相位差(d), (d), 第二个小孔处耦合到副波导处的归一化第二个小孔处耦合到副波导处的归一化出射波分别为和在副波

7、导输出端口出射波分别为和在副波导输出端口“”合成的合成的归一化出射波为归一化出射波为 副波导输出端口副波导输出端口“”合成的归一化出射合成的归一化出射波为波为 由此可得波导双孔定向耦合器的耦合度由此可得波导双孔定向耦合器的耦合度为为 小圆孔耦合的耦合系数为小圆孔耦合的耦合系数为 式中式中, a, a、b b分别为矩形波导的宽边和窄分别为矩形波导的宽边和窄边；边；r r为小孔的半径；为小孔的半径； 是是TE10TE10模的相模的相移常数。而波导双孔定向耦合器的定向移常数。而波导双孔定向耦合器的定向度为当工作在中心频率时度为当工作在中心频率时, d=/2, , d=/2, 此此时时D; D; 当偏

8、离中心频率时当偏离中心频率时, secd, secd具具有一定的数值有一定的数值, , 此时此时D D不再为无穷大。实不再为无穷大。实际上双孔耦合器即使在中心频率上际上双孔耦合器即使在中心频率上, , 其定其定向性也不是无穷大向性也不是无穷大, , 而只能在而只能在30dB30dB左右。左右。 总之，波导双孔定向耦合器是依靠波的总之，波导双孔定向耦合器是依靠波的相互干涉而实现主波导的定向输出相互干涉而实现主波导的定向输出, , 在耦在耦合口上同相叠加合口上同相叠加, , 在隔离口上反相抵消。在隔离口上反相抵消。 为了增加定向耦合器的耦合度，拓宽工为了增加定向耦合器的耦合度，拓宽工作频带作频带,

9、 , 可采用多孔定向耦合器可采用多孔定向耦合器, , 二二 ，双分支定向耦合器，双分支定向耦合器 双分支定向耦合器由主线、副线和两条分支线双分支定向耦合器由主线、副线和两条分支线组成组成, , 其中分支线的长度和间距均为中心波长其中分支线的长度和间距均为中心波长的的1/4, 1/4, 如图如图 5 - 15 5 - 15 所示。所示。 设主线入口线设主线入口线“”的特性阻抗为的特性阻抗为, , 主线出口线主线出口线“”的特性阻抗为的特性阻抗为(k(k为阻抗变换比为阻抗变换比), ), 副线隔离端副线隔离端“”的特性阻抗的特性阻抗为为, , 副线耦合端副线耦合端“”的特性阻抗为的特性阻抗为, ,

10、 平行连接平行连接线的特性阻抗为线的特性阻抗为Z0p, Z0p, 两个分支线特性阻抗分两个分支线特性阻抗分别为和。下面来讨论双分支定向耦合器的工作别为和。下面来讨论双分支定向耦合器的工作原理。原理。 假设输入电压信号从端口假设输入电压信号从端口“”经经A A点输点输入入, , 则到达则到达D D点的信号有两路点的信号有两路, , 一路是由一路是由分支线直达分支线直达, , 其波行程为其波行程为g/4, g/4, 另一路由另一路由ABCD, ABCD, 波行程为波行程为3g/43g/4；故两条；故两条路径到达的波行程差为路径到达的波行程差为g/2, g/2, 相应的相相应的相位差为位差为, ,

11、即相位相反。即相位相反。 因此若选择合适的特性阻抗因此若选择合适的特性阻抗, , 使到达的两路信号的振幅相使到达的两路信号的振幅相等等, , 则端口则端口“”处的两路信号相互抵消处的两路信号相互抵消, , 从而实现隔离从而实现隔离 同样由同样由ACAC的两路信号为同相信号的两路信号为同相信号, , 故故在端口在端口“”有耦合输出信号有耦合输出信号, , 即端口即端口“”为耦合端。耦合端输出信号的大小同样为耦合端。耦合端输出信号的大小同样取决于各线的特性阻抗。取决于各线的特性阻抗。 下面给出微带双分支定向耦合器的设计下面给出微带双分支定向耦合器的设计公式公式 。 设耦合端设耦合端“”的反射波电压

12、为的反射波电压为|U3r|, |U3r|, 则该耦合器的耦合度为则该耦合器的耦合度为 各线的特性阻抗与各线的特性阻抗与| | |关系式为关系式为 分支线定向耦合器的带宽受分支线定向耦合器的带宽受g/4g/4的限制的限制, , 一般可做到一般可做到, , 若要求频带若要求频带更宽更宽, , 可采用多节分支耦合器。可采用多节分支耦合器。 定向耦合器的原理图 如图是定向耦合器的原理图，其中A、B是主馈电缆的内导体，在接近内导体里放入一个线圈L3，其中C是L3和内导体之间的分布电容。当有射频信号送入时，A、B有电流I 流过，其中E是内外导体间的射频电压，由于分布电容C的存在，那么内导体中就有一电流通过

13、C、R1流到外导体，这个电流在R1上将产生一个互感电压EL3，很明显，a-b两端的输出电压E=ER1+EL3，在制造中我们适当地选择L3和R1并在调试中改变C和互感系数M，使得在一个方向上输出电压E为最大值即使得ER1和EL3在相位上是相加的），而在另一个方向上E输出极小极小即使得ER1和EL3在相位上是相减的），这样我们就实现了定向耦合的作用，输出电压E通过BG1检波后送至指示系统，这样我们就可以在指示系统上读出机器发向天线的实际功率。 5 耦合器得用途功率控制的在各个功率下都要求严格，只是在接近最大功率处更为苛刻，此时PA的功率较大，对线性度的挑战也不叫苛刻，稍微冒大一点可能会连带处调变参

14、数，如ACP，Spectrum，EVM等大幅度恶化，像有的兄弟遇到的指标跳来跳去，有时会跳fail。另外一方面就是校准之后，小功率会比较准确而大功率会有相对较大的误差，主要有两方面的原因，其一是功率校准时通过取点内插法实现，在小功率模式下，PA的线性度较高，其差值得到的直线曲线很接近实际的特性直线曲线），而在大功率下，其功率可能会接近压缩，曲线会有所失真，这样通过差值得到的曲线，除非取点很多，否则很难精准模拟实际特性曲线，所以在PA输出加一功率检测反馈回路保证功率的精确性 功率控制的在各个功率下都要求严格，只是在接近最大功率处更为苛刻，此时PA的功率较大，对线性度的挑战也不叫苛刻，稍微冒大一点可能会连带处调变参数，如ACP，Spectrum，