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第6章混合接头与耦合器 6 1引言6 2集总参数定向耦合器6 3分支线定向耦合器6 4耦合线定向耦合器6 5环形桥定向耦合器6 6孔定向耦合器 1 6 1引言 6 1 1混合接头与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 2 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 3 6 1 2混合接头与耦合器的原理以四端口网络结构为例 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耦合器方框图 4 定向耦合器的参数则可定义为 插入损耗 方向性 耦合度 隔离度 5 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 2L C分支线型耦合器 a 低通式 b 高通式 6 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 7 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 8 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400MHz的10dB低通L C支路型耦合器 Z0 50 要求S11 13dB S21 2dB S31 13dB S41 10dB 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 9 步骤三 利用下列公式计算元件值 10 图6 3低通L C支路型耦合器等效电路 步骤四 仿真计算 11 图6 4低通L C支路型耦合器仿真结果 12 6 3分支线型定向耦合器 6 3 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 5分支线耦合器 13 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 3 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 14 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 3 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 r 9 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 15 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 83mm L 6 02mm主线35 3 W 1 36mm L 5 84mm 16 6 3 4如何直接写出其S矩阵 3dB 6 3 5如何由奇偶模分析法验证其S矩阵 17 18 对于偶模 19 对于奇模 奇偶模叠加 得 20 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3 9dB的耦合度 a2 a1 b 21 接上页 分支线定向耦合器 22 分支线耦合器可增加节数以拓展带宽 23 尺寸压缩的准集中式分支线耦合器 24 取的结果 可提供更宽的带宽 但需接地点 25 分支线耦合器的另一类型 圆形分支线耦合器 26 6 4耦合线定向耦合器 6 4 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 27 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1 2中有交变电流i1流过的时候 由于4 3线和1 2线相互靠近 4 3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4 3中引起的电流为ic4和ic3 28 图6 6平行线型耦合器 图6 7耦合线方向性的解释 29 同时由于i1的交变磁场的作用 在线4 3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 30 6 4 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 31 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 32 6 4 3平行耦合线耦合器设计实例设计一个工作频率为750MHz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 6mm tan 0 015 材料为铜 1mil 步骤二 计算奇偶模阻抗 33 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 8平行线型耦合器电路图 34 仿真结果如图示 图6 9平行线型耦合器仿真结果 35 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 10耦合线的变形 多节 改善频率特性 36 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 37 宽频带的多节耦合器 当节数足够多 可变形成锯齿型 38 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 图6 10耦合线的变形 增大耦合度 紧耦合 39 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 一般带状线耦合为TEM波 微带线为准TEM波 图6 10耦合线的变形 微带线的宽边耦合与窄边耦合 40 图6 10耦合线的变形 高方向性 41 图6 10耦合线的变形 拓展带宽 42 6 5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 43 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 44 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3 g 4 45 带宽约为20 46 47 6 5 1如何直接写出其S矩阵 3dB 6 5 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 48 让单位振幅波信号从和端口 1 输入 49 对于偶模 对于奇模 50 按转移矩阵的定义和它与反射系数 传输系数的关系 可得 51 让单位振幅波信号从差端口 4 输入 52 对于偶模 对于奇模 53 按转移矩阵的定义 可得 54 改进的鼠笼式混合接头 比常规鼠笼式混合接头可提供宽得多的带宽 且尺寸更小 55 改进的鼠笼式混合接头 56 改进的鼠笼式混合接头 57 尺寸压缩的准集总式环形桥 鼠笼式混合接头 58 59 集中参数环形桥 鼠笼式混合接头 60 61 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 有以下方法作适当改进利用屏蔽 62 利用集中电容利用介质重叠 63 6 6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 64 6 6 1倍兹孔定向耦合器 65 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 66 67 6 6 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 68 6 6 3波导双T和魔T 魔T与混合环有相似的性质 69 1 双T及其性质 将具有共同对称面的E T接头和H T接头组合起来 平分臂 隔离臂 性质 1 口输入 等幅反相输出 口输出为0 2 口输入 等幅同相输出 口输出为0 3 等幅同相输入 口无输出 口有输出 4 等幅反相输入 口有输出 口无输出 5 口输入 等副同相输出 口无输出 70 由上述性质 有 魔T的S参数为 由S矩阵 端口1和4互相隔离 端口2和3也互相隔离 71 附 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 72 考虑对称性和互易性 其S矩阵为 偶模激励时 有 73 展开 得 引入偶模反射系数和传输系数 和 由于对称 1 2和3 4可看作两根独立且完全相同 74 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 75 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 76 式中的传输矩阵为 根据相应的有效介电常数和特性阻抗 可求得偶模和奇模的反射系数和传输系数 应用物理参数计算奇 偶模特性阻抗和相速 参考第二章 77 推导可得 特例 纯TEM线耦合 奇偶模相速相等 对无耗互易网络 设 pi 2 可得S矩阵 由 5 55 和 5 56 式 推导可得耦合系数C和奇 偶模特性阻抗的的表达式 78 1 设计一个工作频率为2 0 05GHz的9dB高通L C支路型耦合器 Z0 50 要求S11 13dB S21 2dB S31 13dB S41 10d