《定向耦合器》PPT课件.ppt

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 应用奇偶模理论分析定向耦合器 6.5 分支线型定向耦合器 6.6 环形桥定向耦合器 6.7 波导定向耦合器,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 包括频率范围、 插入损耗、 耦合度、 方向性、 隔离度、幅度平衡度、相位一致性等。 (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。 (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。,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。,描述定向耦合器特性的三个指标间有严格的关系,即方向性隔离度-耦合度。,图 6-1 定向耦合器方框图,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,方向性,耦合度,隔离度,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。,图 6-2 L-C分支线型耦合 (a) 低通式； (b) 高通式,集总参数定向耦合器的设计步骤： 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Z0（）、电路的工作频率fc。 步骤二：利用公式计算出k、Z0s及Z0p:,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,再微调。 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,S41-10 dB。 步骤一: 确定耦合器的指标,C=-10dB,fc=400MHz, Z0=50 。 步骤二: 计算K、Z0s、 Z0p：,步骤三: 利用下列公式计算元件值：,图 6-3低通L-C支路型耦合器等效电路,步骤四: 仿真计算。,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,它由主线和辅线构成,两条平行微带的长度为四分之一波长。信号由1口输入,2口输出,4口是耦合口,3口是隔离端口。,因在辅线上耦合输出的方向与主线上波传播的方向相反,它也被称为“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,43线中耦合有能量,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。,图 6-5平行线型耦合器,图6-6 耦合线方向性的解释,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, 所以能量从1口输入, 耦合口就是4口。而在3口因为电耦合电流的ic3与磁耦合电流iL的相位相反而叠加抵消,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: 步骤一: 确定耦合系数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：计算奇模阻抗和偶模阻抗Z0e和Z0o。 ,步骤三: 依据基板参数（r, h）,利用软件ADS计算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,再微调。,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(Z0=50 )。 步骤一: 确定,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：,步骤三: 建立图示电路拓扑, 计算得W=2.38mm,S=0.31mm, P=57.16mm,且50微带线宽度W50=2.92mm。,图 6-7平行线型耦合器电路图,仿真结果如图示。,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。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（改善频率特性）,图 6-9耦合线的变形（增大耦合度，紧耦合）,图 6-9耦合线的变形（高方向性）,图 6-9耦合线的变形（拓展带宽）,问题：,图示定向耦合器结构完全对称，若从三端口输入信号，插入衰减、耦合度、方向性和隔离度怎么表示？,平行耦合有窄边耦合和宽边耦合形式，其特性可由偶模和奇模的适当线性组合实现。带状线耦合为TEM波，微带线为准TEM波。,宽频带的多节耦合器，可以制作成关于中央节对称的，也可制作成不对称的。,Lange耦合器，也称交指耦合器，左为四指耦合，右为其展开型，使线两边的杂散场对耦合也有贡献，实现紧耦合。这样容易达到3dB耦合，并有一个倍频程或更宽的带宽。,6.4 应用奇偶模理论分析定向耦合器,设有幅度为1的波从端口1输入，分解为奇偶模激励,考虑对称性和互易性，其S矩阵为,偶模激励时，有,展开，得,引入偶模反射系数和传输系数,和,由于对称，12和34可看作两根独立且完全相同,的波导，,是其中之一的反射系数和传输系数,和,奇模激励时，有,展开，得,由各反射系数和传输系数的表示式求得S参量为,引入奇模反射系数和传输系数,和,6.5 分支线型定向耦合器,6.5.1 分支线型定向耦合器原理 如图示,各条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。 6.5.2 分支线型定向耦合器设计 设计步骤: 步骤一: 确定耦合系数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: 计算支线和主线的归一化导纳a和b:,步骤三: 计算特性阻抗Za和Zb和相应的波导波长。 步骤四: 用软件计算微带实际尺寸。 6.5.3 分支线型定向耦合器设计实例 设计3dB分支线耦合器,负载为50,中心频率为 5GHz,基板参数为r9.6,h=0.8mm。 步骤一: 确定耦合器指标。 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,6.5.4 如何直接写出其S矩阵（3dB）？,6.5.5 如何由奇偶模分析法验证其S矩阵？,对于偶模，,对于奇模，,奇偶模叠加，得,当频率在中心频率附近变化10%时，相差也改变50，由于超出带宽10%外的隔离度不能接受，其有用带宽限制在10%，理论上能设计成39dB的耦合度。,a2,a1,b,接上页,分支线定向耦合器,圆形分支线耦合器,6.6 环形桥定向耦合器,混合环又称环形桥, 两个输出端口相差180。也称为鼠笼式混合接头，匹配T型混合接头（魔T）,用波程相移解释：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360,两路信号相位相反,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, 差别过大难于实现。工程中, 两个输出口多是等功率的。,等功率输出环形桥的用途与分支线相同,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,实现起来不如分支线方便。 混合环的设计关键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。,带宽约为20%。,6.6.1 如何直接写出其S矩阵（3dB）？,6.6.2 如何由奇偶模分析法验证其S矩阵？,和端口与差端口：当信号从端口3和端口2输入时，在端口1将形成输入信号的和，在端口4将形成输入信号的差，因此称端口1为和端口，端口4为差端口。,让单位振幅波信号从和端口（1）输入,对于偶模，,对于奇模，,按转移矩阵的定义和它与反射系数、传输系数的关系，可得,让单位振幅波信号从差端口（4）输入,对于偶模，,对于奇模，,按转移矩阵的定义，可得,尺寸压缩的准集中式混合接头,取,尺寸压缩的鼠笼式混合接头,集中参数鼠笼混合接头,微带改进的鼠笼式混合接头（可实现宽带）,设计还需考虑： 1、导体损耗和介质损耗 2、对于不连续性和杂散的补偿设计 3、介质结构的异向性，造成奇、偶模的不同相速，使定向性变差，可 利用屏蔽 利用集中电容 利用介质重叠,6.7 孔耦合定向耦合器,4 端口 隔离端口,2端口 直通端口,1 端口 输入端口,3端口 耦合端口,波导定向耦合器,6.7.1 倍兹孔定向耦合器 ,小孔能用电和磁偶极矩组成的等效源替代，法向的电偶极矩和轴向的磁偶极矩向两边辐射时是偶对称的，而横向磁偶极矩的辐射是奇对称的，调整两源的相对振幅能抵消在隔离端口上的辐射，加强耦合端口上的辐射，对于平行波导，耦合是通过小孔离波导窄壁的距离s控制，而对于斜交波导，耦合是通过两波导之间的角度控制的。,6.7.2 多孔耦合器及其工作原理,两孔有四分之一波长，在耦合口波同相叠加，在隔离口反向相消，耦合度有较低的频率依赖性，方向性对频率有较高的依赖。,6.7.3 波导双T和魔T,魔T