第三章 微波集成无源电路电子科大-3.4耦合微带定向耦合器.

1、电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义3.4 耦合微带线带线定向耦合器p概述概述u由电长度为由电长度为/2的耦合微的耦合微带线构成，带线构成，为输入端、为输入端、 为输出端、为输出端、 为耦合为耦合端、端、 为隔离端。为隔离端。u-为为主线主线， -为为副线。副线。主线主线和副线上信号传输和副线上信号传输方向相反，又称为方向相反，又称为“反向定向耦合器反向定向耦合器”u一般为弱耦合情况（一般为弱耦合情况（-20dB-20dB），主线上传输大功率信号，），主线上传输大功率信号，副线耦合输出弱的取样信号，用于高功率信号检测副线耦合输出弱的取样信号，用于高功率信号检测等等电子科技大学电子工程学院微

2、波集成电路讲义3.4 耦合微带线带线定向耦合器u主要技术指标主要技术指标 耦合度耦合度C：P P1 1P P2 2P P4 4P P3 3212212111()10lg10lg20lgPC dBPss 方向性方向性D：22212133131()10lg10lg20lgPssD dBPss 隔离度隔离度I：213313111()10lg10lg20lgPI dBPss 三者之三者之间间的的关关系系为为: I=C+D 理想情理想情况况下，高隔离度，高下，高隔离度，高方向性：方向性： P30，D，I电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义3.4 耦合微带线带线定向耦合器p奇偶模法分析均匀介质填充耦合

3、微带线定向耦合器奇偶模法分析均匀介质填充耦合微带线定向耦合器u奇偶模特性参数：奇偶模特性参数： a1b2b4Z0Z0Z0 奇偶模激励时的反射系数和传输系数奇偶模激励时的反射系数和传输系数： 0o0o、 T T0o0o ; ; 0e0e、 T T0e0eu奇偶奇偶模分析法要点：模分析法要点：求解奇偶模特性求解奇偶模特性参数和参数和四端口四端口网络的端口电压、传输功率的网络的端口电压、传输功率的关系关系（耦合、隔离关系）（耦合、隔离关系） 奇偶模阻抗为：奇偶模阻抗为：Z Zcoco ， Z Zcece 均匀介质奇偶模电长度相等均匀介质奇偶模电长度相等:eoppvvcoel221(1)(1)CLoe

4、oeppKKKvvcLCKLCK，电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义3.4 耦合微带线带线定向耦合器p奇偶模法分析均匀介质填充耦合微带线定向耦合器奇偶模法分析均匀介质填充耦合微带线定向耦合器u偶偶模激励时，单根线对端口匹模激励时，单根线对端口匹配负载配负载Z0归一化转移矩阵：归一化转移矩阵： 00cossinsincosCeeCeZjZaZjZ 00000000sin2cossin222cossinCeCeeCeCeeCeCeZZjZZabcdabcdZZjZZabcdZZjZZ UeUe电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义3.4 耦合微带线带线定向耦合器p奇偶模法分析均匀介质填充耦

5、合微带线定向耦合器奇偶模法分析均匀介质填充耦合微带线定向耦合器u奇模激励时，单根线对端口匹奇模激励时，单根线对端口匹配负载配负载Z0归一化转移矩阵：归一化转移矩阵： 00cossinsincosCooCoZjZaZjZ-UoUo00000000sin2 cossin22 cossinC oC ooC oC ooC oC oZZjZZZZjZZZZjZZ耦合微耦合微带线带线定向耦合器定向耦合器网网络参数络参数可由：可由：Z0Z0、ZcOZcO、ZceZce、 确确定定电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义3.4 耦合微带线带线定向耦合器p奇偶模法分析均匀介质填充耦合微带线定向耦合器奇偶模法分析

6、均匀介质填充耦合微带线定向耦合器123410aaaa，；1234bbbb、 、 、112233441VbVbVbVb a1b2b4Z0Z0Z0 各端口入射波电压各端口入射波电压： 各端口出各端口出射波电压射波电压：u设口接电压源设口接电压源1V，口均接匹配口均接匹配负载负载Z0。 各端口电压：各端口电压：电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义3.4 耦合微带线带线定向耦合器p奇偶模法分析均匀介质填充耦合微带线定向耦合器奇偶模法分析均匀介质填充耦合微带线定向耦合器1212eeeaaUae2ae11211110222eUaau偶模激励偶模激励电压电压： 102403112212eeeeeeVVV

7、Vu偶偶模激励时端口电压模激励时端口电压电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义3.4 耦合微带线带线定向耦合器p奇偶模法分析均匀介质填充耦合微带线定向耦合器奇偶模法分析均匀介质填充耦合微带线定向耦合器ao2ao1121111 0222oUaau奇模激励奇模激励电压电压： u奇模奇模激励时端口电压激励时端口电压121122ooooaUaU ，102403112212ooooooVVVV 电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义3.4 耦合微带线带线定向耦合器p奇偶模法分析均匀介质填充耦合微带线定向耦合器奇偶模法分析均匀介质填充耦合微带线定向耦合器u利用线性叠加原理，各端口利用线性叠加原理，各端

8、口的的电压电压1110012220023330034440041112121212eoeoeoeoeoeoeoeoVVVbVVVbVVVbVVVb a2a11001120021300314004112121212eoeoeoeobSbSbSbS电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义3.4 耦合微带线带线定向耦合器p奇偶模法分析均匀介质填充耦合微带线定向耦合器奇偶模法分析均匀介质填充耦合微带线定向耦合器u利用线性叠加原理，各端口利用线性叠加原理，各端口的的电压电压1110012220023330034440041112121212eoeoeoeoeoeoeoeoVVVbVVVbVVVbVVVb

9、 a2a11001120021300314004112121212eoeoeoeobSbSbSbS电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义3.4 耦合微带线带线定向耦合器p奇偶模法分析均匀介质填充耦合微带线定向耦合器奇偶模法分析均匀介质填充耦合微带线定向耦合器u理想定向耦合器要求：理想定向耦合器要求：P P1 1P P2 2P P4 4P P3 3（1）理想端口匹配）理想端口匹配10011102eobS（2）理想隔）理想隔离离30031102eobS000020CC0CCCeCoCeCoeoeoZZZZZZZZZZ ZZZ Z，即：，或完全完全匹配和完全隔离匹配和完全隔离条条件件: Z0=ZC

10、电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义3.4 耦合微带线带线定向耦合器0000111000000002120000sinsin11222cossin2cossinsin11222cossCeCoCeCoeoCeCoCeCoCeCeeoCeCeZZZZjjZZZZsbZZZZjjZZZZZZjZZsbZZjZZ00003130000004140000sinin2cossin11122cossin2cossin1122cosCoCoCoCoeoCeCoCeCoeoCeCeZZjZZZZjZZsbZZZZjjZZZZsbZZjZZ001sin2cossinCoCoZZjZZ电子科技大学电子工程学院

11、微波集成电路讲义3.4 耦合微带线带线定向耦合器p奇偶模法分析均匀介质填充耦合微带线定向耦合器奇偶模法分析均匀介质填充耦合微带线定向耦合器u理想定向耦合器各端口电压：理想定向耦合器各端口电压：P P1 1P P2 2P P4 4P P3 311CC2220CC33204420CC1sinsin2cossin1cossin0212cossin1cossineoeoeoVaj ZZjkVbZj ZZkjVbZkVbZj ZZkj0000eoeoZZkZZ为均匀介质填充耦合微带线耦合系数电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义3.4 耦合微带线带线定向耦合器u理想定向耦合器理想定向耦合器P P1 1

12、P P2 2P P4 4P P3 3 电压电压耦合系耦合系数数22121sin1cossinVjksVkj 耦合度耦合度/ /（功率）（功率）耦合系耦合系数数2221222sinsin()20lg20lg10lg1cos1cossinjkkC dBskkj 传输传输系系数数 24412111cossinVksVkj电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义3.4 耦合微带线带线定向耦合器u理想定向耦合器理想定向耦合器P P1 1P P2 2P P4 4P P3 3 能量守恒：能量守恒： 耦合微耦合微带线带线定向耦合器是定向耦合器是全全频频段段9090 定向耦合器定向耦合器22221243+VVV

13、VS21和和S41相差相差90 在中心在中心频频率率处处， =90=90 ，耦合端，耦合端与输与输入端同相，入端同相，输输出端出端滞滞后后9090 200242141=90=901001SS1eoeoZZVVkjkVZZV ， 电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义3.4 耦合微带线带线定向耦合器u理想定向耦合器理想定向耦合器P P1 1P P2 2P P4 4P P3 3 弱耦合弱耦合时时，k1k1211sinsincossinjkjksjkej224111-1-cossinjkksk ej此此时时，在在中心中心频频率上耦合最强，率上耦合最强，偏离中心偏离中心频频率越率越远远，耦合越弱，耦

14、合越弱电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义3.4 耦合微带线带线定向耦合器u 耦合微带线定向耦合器的耦合与奇模和偶模归一化阻抗的耦合微带线定向耦合器的耦合与奇模和偶模归一化阻抗的关系关系耦合度C（dB）电压耦合系数kZce/Z0Zco/Z0耦合度C（dB）电压耦合系数kZce/Z0Zco/Z010.89130.23984.170160.15850.85231.17320.79430.33862.954170.14130.89741.15330.70790.41352.418180.12590.88111.13540.63100.47572.102190.11220.89341.11950.

15、56230.52931.889200.10000.90451.10660.50120.57641.735210.089130.91451.09370.44670.61841.620220.079430.92351.08380.39810.65611.542230.070790.93151.07390.35480.69011.449240.063100.93881.065100.31620.72081.387250.056230.94531.058110.28180.74851.336260.050120.95111.051120.25120.77361.293270.044670.95631.

16、046130.00390.79631.234280.039810.96101.041140.19950.81691.224290.035480.96511.036150.17780.83551.197300.031620.96891.032电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义3.4 耦合微带线带线定向耦合器u耦合微带定向耦合器设计：耦合微带定向耦合器设计：已知端口阻抗已知端口阻抗Z0、耦合度、耦合度C/耦合系数耦合系数K，求解奇偶模参数和电长度求解奇偶模参数和电长度P P1 1P P2 2P P4 4P P3 30CeCoCZZZZ（1）令：）令：（2）耦合系数）耦合系数K：CeCoCeC

17、oZZKZZ（3）得：）得：1111CeCCoCKKZZZZKK，耦合微带物理参数：基片厚度耦合微带物理参数：基片厚度/线宽，基片材料，线宽，基片材料，间距等；间距等；耦合段长度取奇偶模四分之一波长平均值耦合段长度取奇偶模四分之一波长平均值电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义3.4 耦合微带线带线定向耦合器p 实际耦合微带定向耦合器具体问题实际耦合微带定向耦合器具体问题oeppvvc 理想隔离、理想匹配理想隔离、理想匹配理想方向性耦合器是建立在均理想方向性耦合器是建立在均匀介质填充条件下的。匀介质填充条件下的。20CC0CC;eoeoZZ ZZZ Z，或Z0=ZC2.CeCoCZZZ2(1

18、)oeLCKCLKKK实现耦合端和输入端实现耦合端和输入端同相的相位条件同相的相位条件u非均匀介质填充耦合微带线的影响非均匀介质填充耦合微带线的影响电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义3.4 耦合微带线带线定向耦合器222202211.11LLCeCoCCCCKKLZZZZZCKK 实际微带线由非均匀介质填充耦实际微带线由非均匀介质填充耦合微带线，不满足理想隔离、理合微带线，不满足理想隔离、理想匹配条件想匹配条件理想方向性理想方向性 0oreo0o0eree0e11CCCC00porperporper( )( )eoeeccvvvv，；e11(1)(1)(1)(1)oppLCCLvvLCK

19、KLCKK；oe电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义3.4 耦合微带线带线定向耦合器P P1 1P P2 2P P4 4P P3 3 实际微带线由非均匀介质填实际微带线由非均匀介质填充耦合微带线，不满足理想充耦合微带线，不满足理想隔离理想匹配条件隔离理想匹配条件理想理想方向性方向性10011102eobS30031102eobS20CC0CCeoeoZZ ZZZ Z，或pepovv电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义3.4 耦合微带线带线定向耦合器u消除非均匀介质填充对消除非均匀介质填充对定向耦合器定向耦合器方方向向性性影响的方法影响的方法（2 2）采取介质加载的方法，使采取介质加载的

20、方法，使电磁场完全在同一种介质中分电磁场完全在同一种介质中分布。布。（1 1）采取耦合带状线实现定向耦采取耦合带状线实现定向耦合器合器加载介质与基片材料相同，厚度为35h电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义3.4 耦合微带线带线定向耦合器u消除非均匀介质填充对消除非均匀介质填充对定向耦合器定向耦合器方性影响的方法方性影响的方法（3 3）采用折线边界耦合微带，增）采用折线边界耦合微带，增加奇模耦合电容，满足匹配和隔加奇模耦合电容，满足匹配和隔离条件以及相位条件离条件以及相位条件C0o=C1+C2C1C1C2C2 奇模奇模电场分布比偶摸电场分布在电场分布比偶摸电场分布在空气中更多，故空气中更多，故 eoeo eeee veo vee 增加奇模电容中增加奇模电容中C2C2