微波定向耦合器的原理与设计.doc

微波定向耦合器的原理与设计一、 实验目的1了解定向耦合器的原理；2利用实验模组实际测量以了解定向耦合器的特性；3掌握耦合器的设计方法。二、 实验原理定向耦合器是一种有方向性的功率耦合元件，可用来监视功率、频率和频谱；把功率进行分配和合成；构成雷达天线的收发开关、平衡混频器和测量电桥；还可用来测量反射系数和功率等。定向耦合器是四端口网络结构，如图9-1所示。图9-1 定向耦合框图它的信号输入端（port_1）的功率为，信号直通端（port_2）的功率为，信号耦合端（port_3）的功率为，而信号隔离端（port_4）的功率为。在各端口均接匹配负载的情况下，定义下述各项技术指标：传输系数： 式（9-1）耦合系数： 式（9-2）隔离系数： 式（9-3）方向系数： 式（9-4）它们之间的关系为： 式（9-5）定向耦合器常用于对指定流向微波信号的提取，或是相反地混合不同的信号。在无内负载时定向耦合器往往是一四端口网络。定向耦合器常有两种方法实现，一种是耦合线定向耦合器，其耦合区长度为四分之一波长，一个输入端口，其直接输出和耦合输出端口在结构上不相邻，剩余的一个端口称为隔离端，理论上隔离端不输出任何能量。另一种为分支线定向耦合器，两输出端口结构上相邻，常用于强耦合场合。关键参数指标及其含义耦合度：当其余端口接匹配负载时，耦合端输出功率与主线输入功率之比的分贝值。耦合分配损耗：由于一定能量传输到耦合端而引起主线输出功率减小，它等于主线插入损耗的理论值。耦合分配损耗与耦合度的关系如下：耦合度 耦合分配损耗3dB3.00dB6dB1.20dB10dB0.46dB15dB0.14dB20dB0.04dB30dB0.004dB主线插入损耗：当匹配负载接主线外各端口时，主线输出功率与输入功率之比的分贝值。主线插入损耗包括能量耦合损耗和能量耗散损耗两方面。方向性：当一功率在指定方向上传输时，耦合端口的输出功率与该功率在在隔离端口的输出功率之比的分贝值。对双定向耦合器而言，定义为两个耦合端输出功率之比的分贝值。显而易见，方向性越好，表示功率损失越少；另一方面，方向性是测量耦合器隔离两个信号程度的数值。方向性也限定了耦合器在特定测量中的精确度，反射耦合信号的相位直接增加了测量的不确定性，所以方向性越高，测量精度就越高。再者，由于方向性的作用，反射信号会与一小部分无用信号组合，反向耦合信号的幅度严格基于耦合器的方向性。所以，在选用耦合器时，高方向性的耦合器更适合通信传输，一般可以选用方向性高于22dB的耦合器。电压驻波比: 耦合器的电压驻波比可以降低失配误差并增加测量精度。如在测量反射时，通常情况是在耦合器的测试端口处进行短接，以建立一个全反射（回波损耗为0dB），因为输出测试端口的电压驻波比部分反射信号会二次反射。由于频率扫描宽度不同，二次反射信号的相位变化范围很大。当叠加到原反射信号上时， 使信号幅度可能增加或减弱。这个相位变量在全反射（返回误差为0dB）会产生波动。这种二次反射信号的强度及测量的不稳定性可通过采用最低电压驻波比的耦合器来降低。最大输入功率：在耦合器上标注的功率是指输入端口的最大允许输入功率，输出口和耦合端口不能用标注的最大功率输入。输出口和耦合端口的最大输入功率由耦合度和负载电阻决定（如直放站监控用的20dB耦合器，2W信号直接从耦合端口入，此时负载电阻不得小于2W，产品中用的是10W电阻）。如果输入功率为P1，耦合输出功率为P2，耦合度为CdB,功率耦合度为C,则存在以下关系。当输入端输入功率P1=100W，耦合度为20dB时，则耦合功率；当输入端输入功率P1=25W,耦合度为6dB时，则耦合功率。可见，对于相同标称功率的耦合器，耦合度不同，耦合功率也是不同的，例如：负载电阻为10W的6dB耦合器，其输入端输入功率最大不能超过40W。所以一般是根据实际要求选取适当功率的耦合器。平均功率：可输入到设备并不会造成永久性损害的最大CW（连续波）功率。反向功率：可输出到设备并不会造成永久性损害的最大CW（连续波）功率。峰值功率：可输出到设备并不会造成永久性损害的最大峰值功率。三、 设计方法与实例常见的定向耦合器可分成双分支型和平行线型。其设计方法说明如下：1 双分支型此型电路根据使用元件又可分为低通式、高通式和传输线式，如图9-2（a）（b）（c）所示。其设计步骤如下： 图9-2（a）低通L-C式双分支定向耦合器（b）高通L-C式双分支定向耦合器图9-2（c）传输线式双分支定向耦合器步骤一：确定耦合器规格。包括耦合系数、端口阻抗和电路工作中心频率。步骤二：利用下列公式计算出、和。 ， ， 式（9-6）步骤三：利用下列公式计算出所需的元件值。（1）低通式 ， 式（9-7）（2）高通式 ， 式（9-8）（3）传输线式若选用微带线来设计，则根据使用的基片参数，利用实验一中的微带线设计公式，计算出和的微带线宽度（）和四分之一波长的长度（）。步骤四：根据实测进行检验，并经微调以达到规格要求。2 平行线型此型电路结构如图9-2（d）所示，常用微带线来设计。图9-2（d） 平行线型耦合器平行耦合微带线定向耦合器的特点为具有结构的高度对称性，所以任一端口都可作为输入端。另外，由于要求每一边长为，因此其带宽只能达到中心频率的1020。如采用多节级联可以大大扩展带宽，同时也可设计成不等功率耦合器。其设计步骤如下所述：步骤一：确定耦合器规格。包括耦合系数、端口阻抗、电路工作中心频率和基片参数（）。步骤二：利用下列公式计算出和。 ， 式（9-9）步骤三：根据设计使用的基片参数（）,利用软件计算出符合步骤二所算出（、）的微带耦合线的宽度及距离（）和四分之一波长的长度（）。首先根据下式计算“单根”微带线特性阻抗， 式（9-10-1）其中、是耦合微带线偶、奇模特性阻抗，、是“单根”微带线偶、奇模特性阻抗。然后，根据Osmani和Wheeler给出的单根微带线的综合公式 式（9-10-2） 式（9-10-3） 就可以计算出、。由此可以用下式解出耦合微带线的结构尺寸S、W： 式（9-10-4） 式（9-10-5） 式（9-10-6）其中 式（9-10-7） 式（9-10-8）为了节省计算时间，在用迭代法求解式（9-10-4）式（9-10-8）时，可以用式（9-10-9）作为迭代过程的起点： 式（9-10-9）在用式（9-10-9）时，必须注意不能大于6。因为在时，式（9-10-9）。最后确定耦合区长度。由于微带线的奇、偶模相速不等，故用中心频率的工作波长来设计耦合区长度将引起10的误差，如果采用奇、偶模中心频率处波长的平均值，可大大提高设计精度。由耦合微带线分析得到 （mm） 式（9-10-10） （mm） 式（9-10-11）其中是中心频率，其单位为GHz；、是根据耦合度求出的奇、偶模阻抗；、是情况的微带线奇、偶模特性阻抗。由此求得耦合区长度是 式（9-10-12）以下为Garg等人提出的一种半经验分析公式，由此求得的、的精度在3以内，是比较精确的。首先，分别计算出耦合微带线的空气及其基片部分的总电容，然后算出奇、偶模特性阻抗及等效介电常数。图9-3 (a)是偶模激励时的电容，（b）是奇模激励时的电容。（a）磁壁（b）电壁耦合微带线的电容图9-3 （a）偶模激励（b）奇模激励奇、偶模激励时的总电容分别为 式（9-10-13） 式（9-10-14）是按平行板线求得 式（9-10-15）是单根微带线边缘效应电容 式（9-10-16）其中c为光速，、为单根微带线TEM波分析时的有效介电常数和特性阻抗。 式（9-10-17）是经验公式，写为 式（9-10-18）其中 式（9-10-19）图9-3（b）中的、分别为奇模激励时空气和介质里的耦合边缘场电容，可以等效为共面带线来计算 式（9-10-20）其中 式（9-10-21） 式（9-10-22） 式（9-10-23）而按下式计算 式（9-10-24）于是得空气中（即在上述计算过程中）的奇、偶模特性阻抗 式（9-10-25） 式（9-10-26）步骤四：根据实测进行检验，并经微调以达到规格要求。设计实例：（一）设计一个使用于的的低通双分支定向耦合器（）。解： ， ， ， （二）设计一个使用于的的平行线型定向耦合器（）。解： ， ， 若选用FR4基片，其参数为、，金属为铜，。则经软件计算出其耦合线宽度，间距及长度，且的微带线宽度。当设计一个给定耦合度的定向耦合器时，其奇、偶模阻抗可以由耦合度和标准线的特性阻抗算出，耦合区的截面宽度和耦合线之间的间距可以运用带状线公式计算，带宽内的驻波、耦合度的情况可以借助S参量进行分析。但要注意的是，用带状线计算耦合区的截面宽度和耦合线之间的间距时要对条带的厚度进行考虑并进行修正。在此基础上做出的定向耦合器在L波段当耦合度为-10dB左右时，定向性高达30 40dB，而类似的-10dB左右的普通微带线定向耦合器的定向性只有78dB。四、 实验内容实验设备:项次设备名称数量备注1双分支型定向耦合器1块无源实验箱2平行线型定向耦合器1块无源实验箱3频谱分析仪1台4反射电桥1块5射频连接线2条650标准负载3个实验步骤: 1双分支型定向耦合器、平行线型定向耦合器适用频率均为2010-2025MHZ。设置中心频率，频宽，校准频谱仪。2测量步骤：双分支型定向耦合器的测量： 耦合度：测试框图如图9-4。将频谱仪信号输出接到耦合器PORT1即输入端。耦合器的PORT3即耦合端接频谱分析仪器的INPUT口，同时在PORT2和PORT4端口各接上50的匹配负载。并将频谱分析仪之Marker 的频率标示在2017.5 MHz，记录测量结果.图9-4 双分支定向耦合器耦合度测量框图隔离度：测试框图如图9-5。将频谱仪信号输出接到耦合器PORT1即输入端。耦合器的PORT4即隔离端接频谱分析仪器的INPUT口，同时在P2和P3端口各接上50的匹配负载。将频谱分析仪之Marker 的频率标示在2017.5 MHz，记录测量结果。图9-5 双分支定向耦合器隔离度测量框图驻波比：测试框图如图9-6。信号发生器频率不变，将其输出端口连接到反射电桥输入端，反射电桥输出端接待测双分支型定向耦合器模块，模块另外三个端口接50匹配负载，再将反射电桥反射输出端接到频谱分析仪。 并将频谱分析仪之Marker 的频率标示在2017.5 MHz， 记录测量结果。图9-6 双分支定向耦合器驻波比测量框图方向性：耦合器方向性即为其隔离度与耦合度之差值。平行线型定向耦合器的测量：各指标测试框图如图9-2（d）耦合度：测试框图如图9-7。将频谱仪信号输出接到耦合器PORT1即输入端。耦合器的PORT3即耦合端接频谱分析仪器的INPUT口，同时在PORT2端口接上50的匹配负载。并将频谱分析仪之Marker 的频率标示在2017.5 MHz，记录测量结果。图9-7 平行线型定向耦合器耦合度测量框图隔离度：测试框图如图9-8。将频谱仪信号输出接到耦合器PORT2端口。耦合器的PORT3端口接频谱分析仪器的INPUT口，同时在PORT1端口接上50的匹配负载。将频谱分析仪之Marker 的频率标示在2017.5 MHz，记录测量结果。图9-8 平行线型定向耦合器隔离度测量框图驻波比：测试框图如图9-9。将频谱仪信号输出端口连接到反射电桥输入端，反射电桥输出端接待测平行线型定向耦合器模块，模块另