微波电子技术-定向耦合器

1、第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 6.1 定向耦合器的基本原理定向耦合器的基本原理 6.2 集总参数定向耦合器集总参数定向耦合器6.3 耦合微带定向耦合器耦合微带定向耦合器6.4 分支线型定向耦合器分支线型定向耦合器6.5 环形桥定向耦合器环形桥定向耦合器第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 6.1 定向耦合器的基本原理定向耦合器的基本原理6.1.1 定向耦合器的技术指标定向耦合器的技术指标包括频率范围、 插入损耗、 耦合度、 方向性、 隔离度等。(1) 工作频带: 定向耦合器的功能实现主要依靠波程相位的关系,也就是说与频率有关。工作频带确定后才能设计

2、满足指标的定向耦合器。(2) 插入损耗： 主路输出端和主路输入端的功率比值,包括耦合损耗和导体介质的热损耗。 第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 (3) 耦合度: 描述耦合输出端口与主路输入端口的比例关系,通常用分贝表示,dB值越大,耦合端口输出功率越小。耦合度的大小由定向耦合器的用途决定。(4) 方向性: 描述耦合输出端口与耦合支路隔离端口的比例关系。理想情况下,方向性为无限大。(5) 隔离度: 描述主路输入端口与耦合支路隔离端口的比例关系。理想情况下,隔离度为无限大。描述定向耦合器特性的三个指标间有严格的关系,即方向性耦合度-隔离度。第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 6.1.2 定向

3、耦合器的原理定向耦合器是个四端口网络结构,如图6-1所示。第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 图 6-1 定向耦合器方框图定 向 耦 合 器2P23P31P14P4第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 信号输入端1的功率为P1,信号传输端2的功率为P2,信号耦合端3的功率为P3,信号隔离端4的功率为P4。若P1、P2、 P3、P4皆用毫瓦（mW）来表示,定向耦合器的四大参数则可定义为：插入损耗 )()(1lg101lg10lg10)(1lg10lg10)(1lg10lg10)(1lg10lg10)(23124143241142311322112dBCdBISSPPdBDSPPdBISPPdB

4、CSPPdBT第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 6.2 6.2 集总参数定向耦合器集总参数定向耦合器 6.2.1 集总参数定向耦合器设计方法常用的集总参数定向耦合器是电感和电容组成的分支线耦合器。其基本结构有两种： 低通L-C式和高通L-C式,如图6-2所示。 第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 图 6-2 L-C分支线型耦合器(a) 低通式； (b) 高通式 CpLsP1P4LsCpP2P3(a)LpCsP1P4CsLpP2P3(b)Z0Z014231423第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 集总参数定向耦合器的设计步骤如下：步骤一: 确定耦合器的指标,包括耦合系数C(dB)、 端口

5、的等效阻抗Z0（）、电路的工作频率fc。步骤二： 利用下列公式计算出k、Z0s及Z0p:kkZZkZZkpsc1110000010/第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 步骤三: 利用下列公式计算出元件值: （1） 低通L-C式:（2） 高通L-C式: pcpcssZfCfZL00212cppscsfZLZfC22100第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 步骤四: 利用模拟软件检验,再经过微调以满足设计要求。 6.2.2 集总参数定向耦合器设计实例设计一个工作频率为400 MHz的10 dB低通L-C支路型耦合器。Z0=50 ,要求S11-13dB, S21-2 dB, S31-13 dB,

6、S41-10dB。步骤一: 确定耦合器的指标,C=-10dB,fc=400MHz, Z0=50 。步骤二: 利用下列公式计算K、Z0s、 Z0p：第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 步骤三: 利用下列公式计算元件值：步骤四: 进行仿真计算,如图 6-3 所示。 nHfZLpFZfCcpsc68.56259. 8210201第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 图 6-3低通L-C支路型耦合器等效电路第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 仿真结果如图6-4所示。图 6-4 低通L-C支路型耦合器仿真结果0.200.400.600.801.000.005.0010.0015.0020.0025.

7、0030.000.00FREQGHz第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 6.3 6.3 耦合微带定向耦合器耦合微带定向耦合器6.3.1 平行耦合线耦合器基本原理通常,平行耦合线定向耦合器由主线和辅线构成,两条平行微带的长度为四分之一波长,如图6-5所示。信号由1口输入,2口输出,4口是耦合口,3口是隔离端口。 因为在辅线上耦合输出的方向与主线上波传播的方向相反,故这种形式的定向耦合器也称为“反向定向耦合器”。 当导线12中有交变电流i1流过的时候,由于43线和12线相互靠近,故43线中便耦合有能量,能量既通过电场（以耦合电容表示）又通过磁场（以耦合电感表示）耦合。通过耦合电容m的耦合,在传输

8、线43中引起的电流为ic4和ic3。 第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 图 6-5平行线型耦合器ZZ0oZZZ0eZP1P4P3P241243第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 同时由于i1的交变磁场的作用,在线43上感应有电流iL。根据电磁感应定律,感应电流iL的方向与i1的方向相反, 如图6-6所示。所以能量从1口输入,则耦合口是4口。而在3口因为电耦合电流的ic3与磁耦合电流iL的作用相反而能量互相抵消,故3口是隔离口。6.3.2 平行耦合线耦合器设计方法平行线耦合定向耦合器的设计步骤如下:步骤一: 确定耦合器指标, 包括耦合系数C(dB)、 各端口的特性阻抗Z0（）、中心频率fc

9、、基板参数（r,h）。步骤二：利用下列公式计算奇模阻抗和偶模阻抗Z0e和Z0o。 第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 14ic4Cmi1iL23ic314ic4Cmi1iL23ic314ic4Cmi1iL23ic314ic4Cmi1iL23ic3图6-6 耦合线方向性的解释第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 步骤三: 依据设计使用的基板参数（r, h）,利用软件Mathcad11计算出Z0e、Z0o的微带耦合线的宽度及间距（W, S）和四分之一波长的长度（P）。步骤四: 利用模拟MicrowaveOffice软件检验,再经过微调以满足设计要求。 20/20/0020/20/00101101

10、101101CCoCCeZZZZ第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 6.3.3 平行耦合线耦合器设计实例设计一个工作频率为750 MHz的10dB平行线型耦合器(Z0=50 )。步骤一: 确定耦合器指标,包括C=-10dB,fc=750MHz, FR4基板参数r=4.5, h=1.6 mm，tan=0.015,材料为铜(1 mil)。步骤二: 计算奇偶模阻抗：04.3610110137.6910110120/20/0020/20/00CCoCCeZZZZ第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 步骤三: 电路拓扑如图6-7 所示,利用Mathcad11软件计算,得出耦合线宽度W=2.38mm,间

11、距S=0.31mm,长度P=57.16mm,且50微带线宽度W50=2.92mm。第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 图 6-7平行线型耦合器电路图第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 Microwave Office软件仿真结果如图6-8 所示,图中自上而下便是S21、 S31、 S41、 S11的dB值,这些值可以在附录1的实验中测量作比较。第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 图 6-8平行线型耦合器仿真结果0.005.0010.0015.0020.0025.0030.0035.0040.000.500.550.600.650.700.750.800.850.900.951.00FRE

12、QGHzS21S31S41S11dB第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 在上述平行耦合线定向耦合器的基础上,可以得到各种变形结构,如图6-9 所示。结构越复杂,计算越困难。在正确概念的指导下,实验仍然是这类电路设计的有效方法。 第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 图 6-9耦合线的变形(a)1423K1234K第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 图 6-9耦合线的变形(b)(a)输入端口隔离端口耦合端口直接端口输入端口直接端口12耦合端口隔离端口341234C第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 SW上 置 导 体hhWWrr耦 合 微 带接 地 板lW基 片覆 盖 介 质上 置 导 体

13、微 带图 6-9耦合线的变形(c)第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 (e)Z0Z013zlZ0)()(0oe00zZzZZ24Z0Z0Z0图 6-9耦合线的变形第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 6.4 6.4 分支线型定向耦合器分支线型定向耦合器6.4.1 分支线型定向耦合器原理如图6-10 所示分支线耦合器结构,各个支线在中心频率上是四分之一波导波长,由于微带的波导波长还与阻抗有关,故图中支线与主线的长度不等,阻抗越大, 尺寸越长。第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 图 6-10分支线耦合器Zs2Z0Zp3串联臂并联臂144pg4sg第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 如果分支线

14、耦合器的各个端口接匹配负载,信号从1口输入,4口没有输出,为隔离端,2口和3口的相位差为90,功率大小由主线和支线的阻抗决定。6.4.2 分支线型定向耦合器设计分支线型定向耦合器的设计步骤如下:步骤一: 确定耦合器指标,包括耦合系数C(dB)、 各端口的特性阻抗Z0（）、中心频率fc、基板参数（r,h）。步骤二: 利用下列公式计算出支线和主线的归一化导纳a和b: 第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 步骤三: 计算特性阻抗Za和Zb, 以及相应的波导波长。步骤四: 用软件计算微带实际尺寸。6.4.3 分支线型定向耦合器设计实例设计3 dB分支线耦合器,负载为50,中心频率为 5 GHz,基板参

15、数为r9.6,h=0.8mm。步骤一: 确定耦合器指标(略)。步骤二: 计算归一化导纳:b= , a=1 22211lg20babbC2第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 步骤三: 计算特性阻抗： 步骤四: 计算微带实际尺寸: 支线 50 W=0.83 mm, L=6.02mm 主线 35.3W=1.36 mm, L=5.84 mm 3 .351150110aYYZaYYZbbaaa第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 6.5 6.5 环形桥定向耦合器环形桥定向耦合器混合环又称环形桥,结构如图 6-11(a)所示。它的功能与分支线耦合器相似,不同的是两个输出端口的相位差为180。当信号从端口

16、1输入时,端口4是隔离端,端口2和端口3功率按一定比例反相输出,也就是相位差为180。当信号从端口4输入时,端口1是隔离端,端口3和端口2功率按一定比例反相输出。同样地,端口2和端口3也是隔离的,无论从哪个口输入信号,仅在端口1和端口4比例反相输出。 第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 图 6-11 微带环形桥与波导魔T2143ZR2143(a)(b)4g4g4g第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 用波程相移理解这个原理比较简单： 当信号从端口1输入时,到端口2为90,到端口3为270,故端口3比端口2滞后180。端口1的信号经端口2到达端口4为180,经端口3到达端口4为360,两路信号性质相反,在端口4抵消形成隔离端。理论上,环形桥的两个输出