实验05：方向耦合器(Directional Coupler)

1、实验五：方向耦合器(DirectionalCoupler)*一实验目的：了解方向耦合器的原理及基本设计方法。利用实验模组实际测量以了解方向耦合器的特性。学会使用微波软件对方向耦合器进行设计和仿真，并分析结果二预习内容：1、熟悉耦合原理的理论知识。2、熟悉方向耦合器的原理的理论知识。三实验设备：项次设备名称数量备注1MOTECHRF2000测量仪1套亦可用网络分析仪2方向耦合器模组2组RF2KM5TA、RF2KM5-2A350QBNC接头2个THRU450Q负载端子2个LOAD-1、LOAD-2550QBNC连接线2条CA-1、CA-261MQBNC连接线2条CA-3、CA-47MICROWAV

2、E软件1套微波软件四、理论分析：(一)方向耦合器的原理：方向耦合器是个四端口网络结构(4portnetwork),如图51所示。Port-1P1cnq1Port-2Port-4-LJLJLwvzLJLvJLlcLXCouplerP2Port-2P4P3图5-1方向耦合器方框图其信号输入端(Port-1,InputPort)的功率为Pl,信号传输端(Port-2.TransmissionPort)的功率为P2，信号耦合端(Port-3.CouplingPort)的功率为P3，而信号隔离端(Port-4,IsolationPort)的功率为P4。若Pl、P2、P3、P4皆用毫瓦(mW)来表示，定向

3、耦合器的四大参数，则可定义为：传输系数：rrtTransmission=T(dB)=10-logP2Pl耦合系数：Coupling=C(dB)=10-logP3P1隔离度：Isolation=I(dB)=10-log方向性：Directivity=D(dB)=I(dB)C(dB)常见的定向耦合器可分成支路型和平行线型两种。其设计方法如下：1、支路型(Branch-lineCoupler)其电路根据组成元件可再分为低通L-G式、高通L-G式和传输线式，如图5-2(a)(b)(c)所示。Port-1ZoP40Port-4CpLssP2P1Port-2P3Port-3(a)low-passtype图

4、5-2(a)低通L-C式支线型耦合器;(b)高通L-C式支线型耦合器Port-1Port-2P4P1Zo卜入/4TZoZopP2入/4P3Port-3Port-4Port-4Port-3图5-2(d)平行线型耦合器图5-2(c)传输线式支线型耦合器其设计步骤如下：步骤一:决定耦合器的规格。包括耦合系数C(dB)、端口的等效阻抗Zo(ohm)、电路使用的中心频率，fc(Hz)。步骤二：利用下列公式计算出K、Z及Z:0S0P1-KK=10c/ioZ=Zgl-KZ=Zo一Os0p步骤三：利用下列公式计算出所需的值：a)低通L-C式Z1L=_0C=S2吋p2吋Zcc0pb)高通L-G式1ZC=L=2-

5、s2nfZP2吋c0scc)传输线式若选用微带线来设计，则依据使用基板参数(Er、h等)利用软件计算出Zos及Zop的微带线宽度(Wl、W2)和四分之一波长的长度(Pl、P2)。步骤四：利用模拟软件检验，再经过微调以满足设计要求。2、平行线型(Parallel-lineCoupler)此电路结构如图5-2(d)所示，常用微带线(Microstripline)来设计。其设计步骤如下：步骤一:决定耦合器规格。包括耦合系数C(dB)、各端口的特性阻抗Zo(ohm)、电路使用的中心频率，fc(Hz)、基板参数(Er，h)。步骤二：利用下列公式计算出Z及Z。oeooZoe1+10C/20=Zo1一10c

6、/20ZooI11-10C/20=1+10C/20步骤三：依据设计使用的基板参数(Er,h)，利用软件计算出符合步骤二所算出(Zoe、Zoo)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：利用模拟软件检验，再经过微调以满足设计要求。五、硬件测量:对支路型方向耦合器的S11及S21测量以了解支路型方向耦合器的特性。对平行线型方向耦合器的S11及S21测量以了解平行线型方向耦合电路的特性。准备电脑，测量软件，RF2000,相关模组，若干小器件等。3测量步骤：(1)M0D-5A的P1端子的S11测量：设定频段：BAND-3；将L0AD-1及LA0D-2分别接在模组P2及P4端

7、子上；将于RF2000RF-IN端子连接的CA-1接在模组P3端子上；对模组P1端子做S11测量，并将测量结果记录于表(6-1)中。MOD-5A的P1及P2端子的S21测量：设定频段：BAND-3；将LOAD-1及LOAD-2分别接在模组P3及P4端子上；对模组P1及P2端子做S21测量，并将测量结果记录于表(6-2)中。MOD-51的Pl及P3端子的S21测量：设定频段：BAND-3；将L0AD-1及L0AD-2分别接在模组P2及P4端子上；对模组P1及P3端子做S21测量，并将测量结果记录于表（6-3）中。（4）MOD-5A的P1及P4端子的S21测量:设定频段:BAND-3将LAOD-1

8、及LOAD-2分别接在模组P2及P3端子上；对模组P1及P4端子做S21测量，并将测量结果记录于表（6-4）中。M0D-5B的P1端子的S11测量：设定频段：BAND-4；将LOAD-1及L0AD-2分别接在模组P2及P4端子上；将于RF-2000RF-IN端子连接的CA-1接在模组P3端子上；对模组P1端子做S11测量，并将测量结果记录于表（7-1）中。MOD-5B的P1及P2端子的S21测量：设定频段：BAND-4；将LOAD-1及LOAD-2分别接在模组P3及P4端子上；对模组P1及P2端子做S21测量，并将测量结果记录于表（7-2）中。（7）MOD-5B的P1及P3端子的S21测量：设

9、定频段：BAND-4；将LOAD-1及LOAD-2分别接在模组P2及P4端子上；对模组P1及P3端子做S21测量，并将测量结果记录于表（7-3）中。MOD-5B的P1及P3端子的S21测量：设定频段：BAND-4；将LOAD-1及LOAD-2分别接在模组P2及P3端子上；对模组P1及P4端子做S21测量，并将测量结果记录于表（7-4）中。4实验纪录：表6-1、6-2、6-3、6-4均为以下此表：OdB5硬件测量的结果建议如下为合格：RF2KM5-1AM0D-5A(40050MHZ)S11W-13dBS21-2dBS31W-13dBS41-10dBRF2KM5-2AMOD-5B(75050MHZ

10、)S11-12dBS21-10dBS31-1.5dBS41W-14dB6待测模组方框图:PlP2P3P450H0D-5kriF3支路型方向耦合器H0D-5B平行线型方向耦合器六、软件仿真：1、按公式计算出相应的元件值。2、在原理图上设计好相应的电路，设置好端口，完成频率设置、尺寸规范、器件的加载、仿真图形等等的设置。3、最后进行仿真，结果应接近实际测量所得到的仿真图形。4、电路图如图5-2(b)高通L-C式支路型耦合器。七、实例分析：(一)设计一个工作频率为400MHz的10dB的高通L-C支路型耦合器。(Zo=50ohm)解：C=-10dB，fc=400MHzK=10c/io=0.1Z0s=叫K=4743。Z0p=忙=1500cSLP二8.39pF12fc0sZ=59.68nH2吋c（二）设计一个工作频率为750MHz的10dB的平行线型耦合器。（Zo=50ohm）解：C=-10dB,fc=750MHz,Zoe二69.37O二Zo:j+10C”|1-10C/20I1-10C/20Z二Zo二36.04Ooo1+10c/20选用FR4基板，其参数为Er=4.5、h=1.6mm、TAND=0.015、Metal=Cu，1mil、HU=10mm。经软件计算出其耦合线宽度W=2.38mm，间距S=0.31mm及长度P=57.16mm，