实验05：方向耦合器(Directional-Coupler)

实验五：方向耦合器〔DirectionalCoupler〕*实验目的：1.了解方向耦合器的原理及根本设计方法。2.利用实验模组实际测量以了解方向耦合器的特性。3.学会使用微波软件对方向耦合器进行设计和仿真，并分析结果。预习内容：1、熟悉耦合原理的理论知识。2、熟悉方向耦合器的原理的理论知识。实验设备：项次设备名称数量备注1MOTECHRF2000测量仪1套亦可用网络分析仪2方向耦合器模组2组RF2KM5-1A、RF2KM5-2A350ΩBNC接头2个THRU4[50Ω]负载端子2个LOAD-1、LOAD-2550ΩBNC连接线2条CA-1、CA-261MΩBNC连接线2条CA-3、CA-47MICROWAVE软件1套微波软件四、理论分析：〔一〕方向耦合器的原理：方向耦合器是个四端口网络结构〔4－portnetwork〕，如图5－1所示。DirectionalCouplerPort-1P1Port-2P2Port-2P3Port-4P4图5-1方向耦合器方框图其信号输入端〔Port-1，InputPort〕的功率为P1，信号传输端〔Port-2，TransmissionPort〕的功率为P2，信号耦合端〔Port-3，CouplingPort〕的功率为P3，而信号隔离端〔Port-4，IsolationPort〕的功率为P4。假设P1、P2、P3、P4皆用毫瓦〔mW〕来表示，定向耦合器的四大参数，那么可定义为：传输系数：耦合系数：隔离度：方向性：常见的定向耦合器可分成支路型和平行线型两种。其设计方法如下：1、支路型〔Branch-lineCoupler〕其电路根据组成元件可再分为低通L-G式、高通L-G式和传输线式，如图5-2(a)(b)(c)所示。Port-1Port-1P1P3Port-3Port-2P2LsLsCpCpZo(a)low-passtypeP4Port-4Port-1Port-1P1Port-2P2P3Port-3CsCsLpLpZo(b)high-passtypeP4Port-4图5-2(a)低通L-C式支线型耦合器;(b)高通L-C式支线型耦合器图5-2(d)平行线型耦合器λ/4ZoeZooPort-1图5-2(d)平行线型耦合器λ/4ZoeZooPort-1P1Port-2P2P3Port-3P4Port-4ZoZoZoZoPort-2P2ZoZoPort-1P1ZoP3Port-3图5-2(c)传输线式支线型耦合器λ/4ZosZoP4Port-4ZopZoP3Port-3图5-2(c)传输线式支线型耦合器λ/4ZosZoP4Port-4Zopλ/4ZopZos其设计步骤如下：步骤一：决定耦合器的规格。包括耦合系数C(dB)、端口的等效阻抗Zo〔ohm〕、电路使用的中心频率，fc〔Hz〕。步骤二：利用以下公式计算出K、Z0S及Z0P:步骤三：利用以下公式计算出所需的值:低通L-C式高通L-G式传输线式假设选用微带线来设计，那么依据使用基板参数〔Er、h等〕利用软件计算出Zos及Zop的微带线宽度〔W1、W2〕和四分之一波长的长度〔P1、P2〕。步骤四：利用模拟软件检验，再经过微调以满足设计要求。2、平行线型〔Parallel-lineCoupler〕此电路结构如图5-2〔d〕所示，常用微带线〔Microstripline〕来设计。其设计步骤如下：步骤一：决定耦合器规格。包括耦合系数C(dB)、各端口的特性阻抗Zo〔ohm〕、电路使用的中心频率，fc〔Hz〕、基板参数〔Er，h〕。步骤二：利用以下公式计算出Zoe及Zoo。步骤三：依据设计使用的基板参数〔Er，h〕，利用软件计算出符合步骤二所算出〔Zoe、Zoo〕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：利用模拟软件检验，再经过微调以满足设计要求。五、硬件测量:对支路型方向耦合器的S11及S21测量以了解支路型方向耦合器的特性。对平行线型方向耦合器的S11及S21测量以了解平行线型方向耦合电路的特性。准备电脑，测量软件，RF2000,相关模组，假设干小器件等。测量步骤：=1\*GB2⑴MOD-5A的P1端子的S11测量：设定频段：BAND-3；将LOAD-1及LAOD-2分别接在模组P2及P4端子上；将于RF2000RF-IN端子连接的CA-1接在模组P3端子上；对模组P1端子做S11测量，并将测量结果记录于表〔6-1〕中。=2\*GB2⑵MOD-5A的P1及P2端子的S21测量：设定频段：BAND-3；将LOAD-1及LOAD-2分别接在模组P3及P4端子上；对模组P1及P2端子做S21测量，并将测量结果记录于表〔6-2〕中。=3\*GB2⑶MOD-51的P1及P3端子的S21测量：设定频段：BAND-3；将LOAD-1及LOAD-2分别接在模组P2及P4端子上；对模组P1及P3端子做S21测量，并将测量结果记录于表〔6-3〕中。=4\*GB2⑷MOD-5A的P1及P4端子的S21测量：设定频段：BAND-3将LAOD-1及LOAD-2分别接在模组P2及P3端子上；对模组P1及P4端子做S21测量，并将测量结果记录于表〔6-4〕中。=5\*GB2⑸MOD-5B的P1端子的S11测量：设定频段：BAND-4；将LOAD-1及LOAD-2分别接在模组P2及P4端子上；将于RF-2000RF-IN端子连接的CA-1接在模组P3端子上；对模组P1端子做S11测量，并将测量结果记录于表〔7-1〕中。=6\*GB2⑹MOD-5B的P1及P2端子的S21测量：设定频段：BAND-4；将LOAD-1及LOAD-2分别接在模组P3及P4端子上；对模组P1及P2端子做S21测量，并将测量结果记录于表〔7-2〕中。=7\*GB2⑺MOD-5B的P1及P3端子的S21测量：设定频段：BAND-4；将LOAD-1及LOAD-2分别接在模组P2及P4端子上；对模组P1及P3端子做S21测量，并将测量结果记录于表〔7-3〕中。=8\*GB2⑻MOD-5B的P1及P3端子的S21测量：设定频段：BAND-4；将LOAD-1及LOAD-2分别接在模组P2及P3端子上；对模组P1及P4端子做S21测量，并将测量结果记录于表〔7-4〕中。实验纪录：表6-1、6-2、6-3、6-4均为以下此表：硬件测量的结果建议如下为合格：RF2KM5-1AMOD-5A(400±50MHZ)S11≤-13dBS21≥-2dBS31≤-13dBS41≥-10dBRF2KM5-2AMOD-5B(750±50MHZ)S11≤-12dBS21≥-10dBS31≥-1.5dBS41≤-14dB待测模组方框图：支路型方向耦合器平行线型方向耦合器六、软件仿真：1、按公式计算出相应的元件值。2、在原理图上设计好相应的电路，设置好端口，完成频率设置、尺寸标准、器件的加载、仿真图形等等的设置。3、最后进行仿真，结果应接近实际测量所得到的仿真图形。4、电路图如图5-2〔b〕高通L-C式支路型耦合器。七、实例分析：设计一个工作频率为400MHz的10dB的高通L-C支路型耦合器。〔Zo=50ohm〕解:C=-10dB，fc=400MHz设计一个工作频率为750MHz的10dB的平行线型耦合器。〔Zo=50ohm〕解：C=-10dB,fc=750MHz,选用FR4基板，其参数为Er=4.5、h=1.6mm、TAND=0.015、Metal=Cu，1mil、HU=10mm。经软件计算出其耦合线宽度W=2.38mm，间距S=0.31mm及长度P=57.1