定向耦合器1 (2)课件

第6章定向耦合器

6.1定向耦合器的基本原理6.2集总参数定向耦合器6.3耦合微带定向耦合器6.4应用奇偶模理论分析定向耦合器6.5分支线型定向耦合器6.6环形桥定向耦合器6.7波导定向耦合器6.1定向耦合器的基本原理6.1.1定向耦合器的技术指标

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。

(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。 若P1、P2、P3、P4皆用毫瓦（mW）来表示,定向耦合器的四大参数则可定义为：插入损耗方向性耦合度隔离度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(a)低通式；(b)高通式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（Ω）、电路的工作频率fc。步骤二：利用公式计算出k、Z0s及Z0p:

步骤四:利用模拟软件检验,再微调。

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=50Ω,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=50Ω。步骤二:计算K、Z0s、Z0p：

步骤三:利用下列公式计算元件值：图6-3低通L-C支路型耦合器等效电路步骤四:仿真计算。6.3耦合微带定向耦合器6.3.1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。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Ｃm的耦合,在传输线4—3中引起的电流为ic4和ic3。图6-5平行线型耦合器图6-6耦合线方向性的解释④③

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。6.3.2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（Ω）、中心频率fc、基板参数（εr,h）。步骤二：计算奇模阻抗和偶模阻抗Z0e和Z0o。6.3.3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=50Ω)。步骤一:确定,包括C=-10dB,fc=750MHz,FR4基板参数εr=4.5,h=1.6mm，tanδ=0.015,材料为铜(1mil)。步骤二:计算奇偶模阻抗：

步骤三: 建立图示电路拓扑,计算得W=2.38mm,S=0.31mm,P=57.16mm,且50Ω微带线宽度W50=2.92mm。图6-7平行线型耦合器电路图

仿真结果如图示。图6-8平行线型耦合器仿真结果问题：3.对称无耗匹配理想的定向耦合器的S矩阵是？分两类：第一类，假设端口1和4完全隔离，由于对称，端口2和3也完全隔离，即由结构对称，还有由各端口匹配且网络互易，S矩阵为的第一行乘以网络无耗此式也可写作的第一列，得的第一行乘以的第四列，得即为纯虚数，令故这类耦合器的S矩阵为在耦合臂和直通臂之间存在着的相位差则对于第二类，假设端口1和3完全隔离，由于对称，端口2和4也完全隔离，即6.4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，分解为奇偶模激励考虑对称性和互易性，其S矩阵为偶