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1、第6章 定向耦合器 第6章 定向耦合器 6.1 定向耦合器的基本原理 6.2 集总总参数定向耦合器 6.3 耦合微带带定向耦合器 6.4 分支线线型定向耦合器 6.5 环形桥定向耦合器 第6章 定向耦合器 6.1 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6章 定向耦合器 (3
2、) 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6章 定向耦合器 6.1.2 定向耦合器的原理 定向耦合器是个四端口网络结构,如图6-1所示。 第6章 定向耦合器 图 6-1 定向耦合器方框图 第6章 定向耦合器 信号输入端1的功率为
3、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 第6章 定向耦合器 6.2 集总总参数定向耦合器 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6章 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 第6章 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
4、口的等效阻抗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: 第6章 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: 第6章 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,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、Z
5、0s、 Z0p： 第6章 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。 第6章 定向耦合器 图 6-3低通L-C支路型耦合器等效电路 第6章 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 第6章 定向耦合器 6.3 耦合微带带定向耦合器 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“
6、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,在传输线43中引起的电流为ic4和ic3 。 第6章 定向耦合器 图 6-5平行线型耦合器 第6章 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
7、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、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6章 定向耦合器 图6-6 耦合线方向性的解释 第6章 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Microwave Office软件检验,再 经过微调以满足设计要求。 第6章 定向耦合器 6.3.3 平行耦合线耦
8、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： 第6章 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,间距S=0.31mm,长度 P=57.16mm,且50微带线宽度W50=2.92mm。 第6章 定向耦合器 图 6-7平行线型耦合器电路图 第6章 定向耦合器 Microwave Office软件仿
9、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6章 定向耦合器 图 6-8平行线型耦合器仿真结果 第6章 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6章 定向耦合器 图 6-9耦合线的变形 第6章 定向耦合器 图 6-9耦合线的变形 第6章 定向耦合器 图 6-9耦合线的变形 第6章 定向耦合器 图 6-9耦合线的变形 第6章 定向耦合器 6.4 分支线线型定向耦合器 6.4.
10、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6章 定向耦合器 图 6-10分支线耦合器 第6章 定向耦合器 如果分支线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:
11、利用下列公式计算出支线和主线的归一 化导纳a和b: 第6章 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 第6章 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 第6章 定向耦合
12、器 6.5 环环形桥桥定向耦合器 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6章 定向耦合器 图 6-11 微带环形桥与波导魔T 第6章 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
13、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,环形桥的两个输出口的功率比值可以是任 意的,实际中,各个环段上的阻抗不宜相差太大,阻抗差 别过大难于实现。工程中,常用的环形桥两个输出口是 等功率的。 第6章 定向耦合器 等功率输出环形桥与波导魔T如图6-11(b)所 示,两者有相同的性质,故环形桥又称魔T。其用途与分 支线相同,频带和隔离特性比分支线更好。由于隔离口 夹在两个输出口之间,输出信号要跨过隔离端,实现微 波电子线路不如分支线方便。 合环的设计关键就是按照分配比计算阻抗值和长 度。对于等分环形桥,有 Z1=Z2= Z0 每个端口之间的距离为g/4或3g/4。
