单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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,集总参数定向耦合器,6.3,耦合微带定向耦合器,6.4,分支线型定向耦合器,6.5,环形桥定向耦合器,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。
图,6-1,定向耦合器方框图,信号输入端,1,的功率为,P,1,信号传输端,2,的功率为,P,2,信号耦合端,3,的功率为,P,3,信号隔离端,4,的功率为,P,4,若,P,1,、,P,2,、,P,3,、,P,4,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,6.2,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,所示图,6-2 L-C,分支线型耦合器,(a),低通式；,(b),高通式,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),、端口的等效阻抗,Z,0,（,）、电路的工作频率,f,c,步骤二：利用下列公式计算出,k,、,Z,0,s,及,Z,0,p:,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,:,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。
Z,0,=50,要求,S,11,-13dB,S,21,-2 dB,S,31,-13 dB,S,41,-10dB,步骤一,:,确定耦合器的指标,C=-10dB,f,c,=400MHz,Z,0,=50,步骤二,:,利用下列公式计算,K,、,Z,0,s,、,Z,0p,：,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,所示图,6-3,低通,L-C,支路型耦合器等效电路,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,6.3,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,i,1,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,i,c4,和,i,c3,。
图,6-5,平行线型耦合器,同时由于,i,1,的交变磁场的作用,,43,上感应有电流,i,L,根据电磁感应定律,感应电流,i,L,的方向与,i,1,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,i,c3,与磁耦合电流,i,L,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,Z,0,（,）、中心频率,f,c,、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,Z,0e,和,Z,0o,图,6-6,耦合线方向性的解释,步骤三,:,依据设计使用的基板参数（,r,h,）,利用软件,Mathcad11,计算出,Z,0e,、,Z,0o,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,(Z,0,=50),。
步骤一,:,确定耦合器指标,包括,C=-10dB,f,c,=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：,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,W,50,=2.92mm,图,6-7,平行线型耦合器电路图,Microwave Office,软件仿真结果如图,6-8,所示,图中自上而下便是,S,21,、,S,31,、,S,41,、,S,11,的,dB,值,这些值可以在附录,1,的实验中测量作比较图,6-8,平行线型耦合器仿真结果,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图,6-9,耦合线的变形,图,6-9,耦合线的变形,图,6-9,耦合线的变形,图,6-9,耦合线的变形,6.4,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。
图,6-10,分支线耦合器,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,Z,0,（,）、中心频率,f,c,、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:,步骤三,:,计算特性阻抗,Z,a,和,Z,b,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,r,9.6,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,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,35.3,W=1.36 mm,L=5.84 mm,6.5,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,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,比例反相输出图,6-11,微带环形桥与波导魔,T,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,Z,1,=Z,2,=Z,0,每个端口之间的距离为,g/4,或,3,g/4,24GHz,混频器,。