《射频电路14-定向耦合器20141030》由会员分享，可在线阅读，更多相关《射频电路14-定向耦合器20141030（75页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、Research Institute of Antennas & RF Techniques 射频射频电路电路 RF Circuits 第第1414讲讲 定向耦合器定向耦合器 褚庆昕 华南理工大学电子与信息学院华南理工大学电子与信息学院 天线与射频技术研究所天线与射频技术研究所 Email: South China University of Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques 引言引言 理想理想定向耦合器的特性定向耦合器的特性 平行耦合线定向耦合器平行耦合线定向耦合器 分支线定向耦合器分支线定向耦合器 波导定向耦
2、合器波导定向耦合器 混合环混合环 第第1414讲讲内容内容 South China University of Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques 14.1 引言 定向耦合器是一种功率有方向性耦合的器件，定向耦合器是一种功率有方向性耦合的器件， 在射频系统中有着广泛的应用，如功率监控系在射频系统中有着广泛的应用，如功率监控系 统、测试系统、功率分配系统等。统、测试系统、功率分配系统等。 定向耦合器的种类繁多。定向耦合器的种类繁多。 South China University of Technology Resea
3、rch Institute of Antennas & RF Techniques 定向耦合器是一个四端口网络，定向耦合器是一个四端口网络，它有输入端它有输入端 （端口（端口1）、直通端（端口）、直通端（端口2）、耦合端（端）、耦合端（端 口口3）和隔离端（端口）和隔离端（端口4)。 当信号从输入端输入时，一部分功率直接从当信号从输入端输入时，一部分功率直接从 直通端输出，还有一部分功率耦合到耦合端直通端输出，还有一部分功率耦合到耦合端 输出，但不会从隔离端输出。输出，但不会从隔离端输出。 如果耦合端与直通端同方向，则称为“同向如果耦合端与直通端同方向，则称为“同向 定向耦合器”。反之，称为“
4、反向定向耦合定向耦合器”。反之，称为“反向定向耦合 器”器” 。 South China University of Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques (a) (b) (1) (4) (2) (3) (4) (2) (3) (1) 同向定向耦合器同向定向耦合器 反向定向耦合器反向定向耦合器 South China University of Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques 除了所有器件都有的一些指标外，如电压驻除了所有器件都有的一
5、些指标外，如电压驻 波比、工作带宽等，波比、工作带宽等，定向耦合器的主要技术定向耦合器的主要技术 指标有耦合度、方向性和隔离度。指标有耦合度、方向性和隔离度。 设输入功率为设输入功率为P1P1，直通端、耦合端和隔离端，直通端、耦合端和隔离端 匹配时的输出功率分别为匹配时的输出功率分别为P2, P3, P4.P2, P3, P4. 耦合度耦合度C C定义定义 方向性方向性D D定义定义 理想情况下理想情况下 211 312 3331110lg10lg10lg20lgPaCSPbS 33144110lg20lgPSDPS40,PDSouth China University of Technolo
6、gy Research Institute of Antennas & RF Techniques 隔离度隔离度I定义定义 理想情况下理想情况下 显然显然 实际上，方向性和隔离度同属表征定向实际上，方向性和隔离度同属表征定向 耦合器定向性的指标，故而取其一就够耦合器定向性的指标，故而取其一就够 了。了。 1 41 410lg20lgPISP 40,PI313431411110lg10lg20lg20lgPPICDPPSSSouth China University of Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques 14.2
7、 理想定向耦合器特性理想定向耦合器特性 【定理定理】互易、无耗、对称、完全匹配的四端口互易、无耗、对称、完全匹配的四端口 网络可以构成一个理想的网络可以构成一个理想的90 定向耦合器。定向耦合器。 证明：根据互易、对称、完全匹配，有证明：根据互易、对称、完全匹配，有 利用无耗网路利用无耗网路S矩阵的幺正性矩阵的幺正性 122134431331244214412323112233440SSSSSSSSSSSSSSSS12131412141313141214131200 00SSSSSSSSSSSSS 1SSSouth China University of Technology Research
8、 Institute of Antennas & RF Techniques 可得可得 可见，可见，S12S12、S13S13和和S14S14中必然有一个为零，由中必然有一个为零，由 于端口于端口2 2为直通端口，故为直通端口，故S12S12不为零。不为零。 设设S14S140 0（正向定向耦合器），则（正向定向耦合器），则 222 121314* 13141413* 12141412* 12131312|1000SSSS SS SS SS SS SS S 22 1213* 12131312|10SSS SS S12131213()() 12132cos()0jjee0 121390 Sout
9、h China University of Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques 设设S130（反向定向耦合器），则（反向定向耦合器），则 得证。得证。 理想定向耦合器耦合端与直通端输出功率之理想定向耦合器耦合端与直通端输出功率之 和等于输入功率和等于输入功率（能量守恒）（能量守恒）。 理想定向耦合器直通端与耦合端相差理想定向耦合器直通端与耦合端相差90度。度。 22 1214* 12141412|10SSS SS S12141214()() 12142cos()0jjee0 121490 South China U
10、niversity of Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques (1) (4) (3) (2) I1 I2 Il IC1 IC2 带状线结构带状线结构 等效电路等效电路 对称面对称面 14.3 平行耦合线定向耦合器平行耦合线定向耦合器 South China University of Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques 当信号从端口当信号从端口1输入时，一部分信号沿着主传输入时，一部分信号沿着主传 输线输线1-2传输，一部分通过缝隙耦合
11、到副传输传输，一部分通过缝隙耦合到副传输 线线3-4上。耦合包括电场耦合（等效为电容耦上。耦合包括电场耦合（等效为电容耦 合）和磁场耦合（等效为电感耦合）。合）和磁场耦合（等效为电感耦合）。 通过电容耦合到副线上的电流分别向端口通过电容耦合到副线上的电流分别向端口3和和 端口端口4传输（传输（Ic3和和Ic4），而通过电感耦合到副），而通过电感耦合到副 线的电流只向端口线的电流只向端口3传输（传输（Il）。）。 两种电流在端口两种电流在端口3同向相加，在端口同向相加，在端口4反向相反向相 减。在适当的耦合条件下两部分信号在端口减。在适当的耦合条件下两部分信号在端口4 相互抵消，使端口相互抵消，
12、使端口4无输出，只有端口无输出，只有端口2和和3有有 输出，从而构成反向定向耦合器。输出，从而构成反向定向耦合器。 工作原理（定性解释）工作原理（定性解释） South China University of Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques 严格分析严格分析 第一步：求平行耦合线的散射矩阵第一步：求平行耦合线的散射矩阵 平行耦合线具有互易、对称特性，所以平行耦合线具有互易、对称特性，所以 采用奇偶模激励法分析采用奇偶模激励法分析。当偶模激励时当偶模激励时: : 平行线等效为单根偶模传输线平行线等效为单根偶模传输
13、线。 32234114422431134334211244332211SSSSSSSSSSSSSSSS131131242242eeeeaaabbbaaabbb，111131212141eeSSSSSS bS aeeebS aSouth China University of Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques PMC 偶模激励偶模激励 O.C South China University of Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques 单根偶
14、模传输线的单根偶模传输线的A A矩阵为矩阵为 由于传输线两端接匹配负载，所以由于传输线两端接匹配负载，所以 cos sin1sin cos 00eee ZjjZ A012112102200 11 12011210220021 12011212200sin ()2cossin ()222cossin ()oeoe e oeoee oeoeZZAjAA ZAZZZSAZZAA ZAjZZZSAZZAA ZAjZZZ South China University of Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques 当奇模激励时当奇
15、模激励时 平行耦合线等效为单根奇模传输线，平行耦合线等效为单根奇模传输线， 同理，可得奇模传输线的散射参数，只同理，可得奇模传输线的散射参数，只 须在偶模传输线的散射参数公式中将下须在偶模传输线的散射参数公式中将下 标标e变为变为o即可。即可。 111131212141ooSSSSSS 131131242242ooooaaabbbaaabbb ，South China University of Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques S.C PEC 奇模激励奇模激励 South China University of Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques 于是，任意激励时平行耦合线的散射参数于是，任意激励时平行耦合线的散射参数 111111 310000
