耦合器基础知识

耦合器第1页，共25页。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。第2页，共25页。定向耦合器在微波系统中,往往需将一路微波功率按比例分成几路,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,主要包括:定向耦合器、功率分配器以及各种微波分支器件。这些元器件一般都是线性多端口互易网络,因此可用微波网络理论进行分析。

第3页，共25页。定向耦合器是一种具有定向传输特性的四端口元件,它是由耦合装置联系在一起的两对传输系统构成的。

如图下页图所示。图中“①、②”是一条传输系统,称为主线；“③、④”为另一条传输系统,称为副线。耦合装置的耦合方式有许多种,一般有孔、分支线、耦合线等,形成不同的定向耦合器。

第4页，共25页。定向耦合器的原理图

第5页，共25页。定向耦合器的性能指标

定向耦合器是四端口网络,如上图端口“①”为输入端,端口“②”为直通输出端,端口“③”为耦合输出端,端口“④”为隔离端,并设其散射矩阵为［S］。描述定向耦合器的性能指标有:耦合度、隔离度、定向度、输入驻波比和工作带宽。下面分别加以介绍。

第6页，共25页。1耦合度

输入端“①”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：第7页，共25页。(2)隔离度

输入端“①”的输入功率P1和隔离端“④”的输出功率P4之比定义为隔离度，记作I。

第8页，共25页。(3)定向度

耦合端“③”的输出功率P3与隔离端“④”的输出功率P4之比定义为定向度，记作D。

第9页，共25页。(4)输入驻波比

端口“②、③、④”都接匹配负载时的输入端口“①”的驻波比定义为输入驻波比，记作ρ。

第10页，共25页。(5)工作带宽

工作带宽是指定向耦合器的上述C、I、D、ρ等参数均满足要求时的工作频率范围。

第11页，共25页。B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向耦合器,主、副波导通过其公共窄壁上两个相距d=(2n+1)λg0/4的小孔实现耦合其中，λg0是中心频率所对应的波导波长,n为正整数,一般取n=0。耦合孔一般是圆形,也可以是其它形状。定向耦合器的结构如下页图

第12页，共25页。根据耦合器的耦合机理,画出如上图b所示的原理图。设端口“①”入射TE10波(u+1=1),第一个小孔耦合到副波导中的归一化出射波为和,q为小孔耦合系数。假设小孔很小,到达第二个小孔的电磁波能量不变,只是引起相位差(βd),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导输出端口“③”合成的归一化出射波为

第13页，共25页。副波导输出端口“④”合成的归一化出射波为由此可得波导双孔定向耦合器的耦合度为

第14页，共25页。小圆孔耦合的耦合系数为

式中,a、b分别为矩形波导的宽边和窄边；r为小孔的半径；β是TE10模的相移常数。而波导双孔定向耦合器的定向度为当工作在中心频率时,βd=π/2,此时D→∞;当偏离中心频率时,secβd具有一定的数值,此时D不再为无穷大。实际上双孔耦合器即使在中心频率上,其定向性也不是无穷大,而只能在30dB左右。

第15页，共25页。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,在耦合口上同相叠加,在隔离口上反相抵消。为了增加定向耦合器的耦合度，拓宽工作频带,可采用多孔定向耦合器,

第16页，共25页。

二，双分支定向耦合器

双分支定向耦合器由主线、副线和两条分支线组成,其中分支线的长度和间距均为中心波长的1/4,如图5-15所示。设主线入口线“①”的特性阻抗为,主线出口线“②”的特性阻抗为(k为阻抗变换比),副线隔离端“④”的特性阻抗为,副线耦合端“③”的特性阻抗为,平行连接线的特性阻抗为Z0p,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原理。

第17页，共25页。假设输入电压信号从端口“①”经A点输入,则到达D点的信号有两路,一路是由分支线直达,其波行程为λg/4,另一路由A→B→C→D,波行程为3λg/4；故两条路径到达的波行程差为λg/2,相应的相位差为π,即相位相反。

第18页，共25页。因此若选择合适的特性阻抗,使到达的两路信号的振幅相等,则端口“④”处的两路信号相互抵消,从而实现隔离

同样由A→C的两路信号为同相信号,故在端口“③”有耦合输出信号,即端口“③”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。下面给出微带双分支定向耦合器的设计公式

。设耦合端“③”的反射波电压为|U3r|,则该耦合器的耦合度为

第19页，共25页。各线的特性阻抗与||关系式为

分支线定向耦合器的带宽受λg/4的限制,一般可做到,若要求频带更宽,可采用多节分支耦合器。

第20页，共25页。定向耦合器的原理图第21页，共25页。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。第22页，共25页。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第23页，共25页。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，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第24页，共25页。内容梗概耦合器。1定向耦合器。5耦合器对RF电路的影响。定向耦合器是一种具有定向传输特性的四端口元件,它是由耦合装置联系在一起的两对传输系统构成的。耦合装置的耦合方式有许多种,一般有孔、分支线、耦合线等,形成不同的定向耦合器。工作带宽是指定向耦合器的上述C、I、D、ρ等参数均满足要求时的工作频率范围。波导双孔定向耦合器是最简单的波导定向耦合器,主、副波导通过其公共窄壁上两个相距d=(2n+1)λg0/4的小孔实现耦合其中，λg0是中心频率所对应的波导波长,n为正整数,一般取n=0。根据耦合器的耦合机理,画出如上图b所示的原理图。