第6章 定向耦合器

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 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) 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 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 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、 Z0s、 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 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 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