定向耦合器modified

定向耦合器的基本原理平行耦合线定向耦合器分支线型定向耦合器环形电桥定向耦合器 微波定向耦合器是微波系统中应用最广泛的原件之一 它是一个四端口网络 提供积分信号输出 直通口与耦合口输出信号相位相差 90 信号功率电平可等分或不等分 视应用情况而定 图6 1 a 同向定向耦合器 b 反向定向耦合器 技术指标定向耦合器 DirectionalCoupler DCP 的技术指标包括频率范围 耦合系数C 方向性D 隔离度L等 以正向耦合器为例定义 工作频带耦合系数C定向性D隔离度L定向性和隔离度同属表征DCP方向性的技术指标 取其一即可 1 耦合线理论当两个无屏蔽的传输线紧靠在一起时 由于各个传输线的电磁场之间的相互作用 在传输线间可以有功率耦合 图6 2示出了耦合传输线的几个例子 通常假定耦合传输线工作于TEM模 这对带状线结构式严格正确的 而对于微带线结构则是近似正确的 图6 2 a 边耦合带状线 b 宽边耦合带状线 c 耦合微带线 三线耦合线可用图6 3所示的结构来表征 若假定传输TEM模 则耦合线电特性仅决定于线间等效电容和线上电磁波的传播相速 考虑耦合线的两种特殊的激励类型 如图6 4所示 偶模 两带状导体上电流的幅值相等 方向相同偶模电容偶模阻抗奇模 两带状导体上电流的幅值相等 方向相反奇模电容奇模阻抗 图6 3耦合线的偶模和奇模激励及其等效电容网络 偶模Case 奇模Case 耦合线上的任意激励总是可视作偶模和奇模的对应振幅的叠加 假如耦合线传输的是纯TEM模 如带状线 可以通过如保角映射的方法来计算线的单位长电容 进而确定偶模或奇模的特性阻抗 而对于准TEM模传输线 如微带线 可以用数值方法或者用准静态近似方法求解 例 对于图6 2 b 所示宽边耦合带状线结构 假定W s和W b 忽略边缘场 要求确定其单位长电容 解 已知平板电容计算公式 2 耦合线耦合器的设计分析方法 偶 奇模分析技术与线的输入阻抗相结合单端耦合线耦合器及其示意性电路如图6 4所示 其中端口 的激励可视为偶模和奇模激励之和 由于对称性 对于偶模 可认为 如图6 5 a 所示 而奇模则满足 如图6 5 b 所示 图6 4单节耦合线耦合器 a 几何结构和端口命名 b 示意性电路 a b a b 图6 5耦合线耦合器分解为偶模和奇模激励 a 偶模 b 奇模 耦合线耦合器端口 处的输入阻抗可表示为在端口 处偶模和奇模的输入阻抗分别为于是 6 1 6 2a 6 2b 6 3a 6 3b 6 3c 6 3d 将 6 2 和 6 3 代入 6 1 中可得若令则 6 2a b 简化为于是有 此时 6 4 转化为意即只要 6 5 式满足 则端口 由对称性 其余端口一样 将是匹配的 在满足 6 5 时 端口 的电压是采用 6 2 和 6 5 得 6 4 6 5 6 6 6 7 6 8 定义C为则将上两式代入 6 8 中可得同样我们能证明以及根据 6 10 和 6 12 可以作出耦合端口和直通端口电压随频率的关系曲线 如图6 6所示 6 9 6 10 6 11 6 12 图6 6图6 4所示耦合线耦合器耦合和直通端口电压与频率的关系曲线 在低频处 远小于 2 耦合功率很弱 大部分功率都传输到了端口 当 2时 耦合至端口 的功率出现第一个最大值 通常对应此工作点具有小的尺寸和传输线损耗 此外 相应是周期性的 在 2 3 2 处 V3有最大值 对于 2 耦合线长度为 4 且 6 10 和 6 12 可简化为输出端口电压具有90 相差 适宜作为正交耦合网络使用 6 13 6 14 一般给定特性阻抗Z0和耦合系数C 由 6 5 和 6 9 式可推导出偶模和奇模特性阻抗为 例 对于边耦合带状线 若已知Z0e和Z0o可用如下公式进行尺寸综合 6 14 6 15 3 多节耦合线耦合器的设计单节耦合线耦合器带宽是受限的 与多节匹配变换器情况一样 采用多节结构可以使带宽增加 假定N 为奇数 节耦合线耦合器为弱耦合 C 10dB 中心频率处每节长度为 4 2 则N节耦合线耦合器如图6 7所示 使用 6 16 和 6 17 知端口 总电压为若耦合器是对称的 则有 6 16 6 17 图6 7N节耦合线耦合器 6 18 6 19 6 19 中 M N 1 2 中心频率处 总电压耦合系数为一般选定耦合系数C0来综合耦合度响应 多节耦合器可达到十倍带宽 但是耦合电平很低 此外因电长度较长 所以偶模和奇模相速相等的要求更严格 因此一般选用带状线作为媒质 失配的相速度以及结的不连续性 负载失配和制造公差都将降低耦合器的方向性 例 设计一个具有最平坦响应的3节20dB耦合器 系统阻抗50 中心频率3GHz 解 对于最平坦响应的3节耦合器 要求由 6 19 知所以 6 20 6 3分支线定向耦合器 1 S参数支线定向耦合器如图6 8所示 在中心频率处所有端口是匹配的 端口 的输入功率均分至端口 且端口之间有90 相移 端口 为隔离端 无功率输出 因此其散射参数为 6 21 图6 8分支线耦合器几何形状 支线定向耦合器具有高度的对称性 从S矩阵亦可看出 因此可以采用偶模 奇模法进行分析设计 2 偶 奇模分析归一化形式的分支线耦合器电路如图6 9所示 其可分解为偶模激励和奇模激励的叠加 如图6 10所示 根据线性电路的叠加原理 实际的散射波可从偶模和奇模响应之和获得 图6 9归一化形式的分支线耦合器电路 图6 10分支线耦合器电路分解为偶模和奇模 a 偶模 b 奇模 a b 6 22a 6 22b 6 22c 6 22d 考虑偶模二端口电路 e和Te的计算 利用A矩阵和S矩阵的关系则同样对于奇模有 6 23 6 24a 6 24b 6 25 6 26 将 6 24 和 6 26 代入 6 22 中 有如上结论与 6 21 示出的 S 矩阵第一列一致 剩下的矩阵元可通过矩阵元互换位置得到 6 27a 6 27b 6 27c 6 27d 端口 匹配的 半功率 从端口 到 90 相移 半功率 从端口 到