微波电子技术-定向耦合器.

第6章定向耦合器第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分支线型定向耦合器6.5环形桥定向耦合器第6章定向耦合器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。工作频带确定后才能设计满足指标的定向耦合器。(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。第6章定向耦合器(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。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＝耦合度-隔离度。第6章定向耦合器6.1.2定向耦合器的原理定向耦合器是个四端口网络结构,如图6-1所示。第6章定向耦合器图6-1定向耦合器方框图定向耦合器2P23P31P14P4第6章定向耦合器信号输入端1的功率为P1,信号传输端2的功率为P2,信号耦合端3的功率为P3,信号隔离端4的功率为P4。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)()(1lg101lg10lg10)(1lg10lg10)(1lg10lg10)(1lg10lg10)(23124143241142311322112dBCdBISSPPdBDSPPdBISPPdBCSPPdBT第6章定向耦合器6.26.2.1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,如图6-2所示。第6章定向耦合器图6-2L-C(a)低通式；(b)高通式CpLsP1P4LsCpP2P3(a)LpCsP1P4CsLpP2P3(b)Z0Z014231423第6章定向耦合器步骤一: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：利用下列公式计算出k、Z0s及Z0p:kkZZkZZkpsc1110000010/第6章定向耦合器步骤三:利用下列公式计算出元件值:（1）低通L-C式:（2）高通L-C式:pcpcssZfCfZL00212cppscsfZLZfC22100第6章定向耦合器步骤四:利用模拟软件检验,再经过微调以满足设计要求。6.2.2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:利用下列公式计算K、Z0s、Z0p：第6章定向耦合器步骤三:利用下列公式计算元件值：步骤四:进行仿真计算,如图6-3所示。nHfZLpFZfCcpsc68.56259.8210201第6章定向耦合器图6-3低通L-C支路型耦合器等效电路第6章定向耦合器仿真结果如图6-4图6-4低通L-C支路型耦合器仿真结果0.200.400.600.801.000.00－5.00－10.00－15.00－20.00－25.00－30.000.00FREQ[GHz]第6章定向耦合器6.36.3.1通常,平行耦合线定向耦合器由主线和辅线构成,两条平行微带的长度为四分之一波长,如图6-5所示。信号由1口输入,2口输出,4口是耦合口,3口是隔离端口。因为在辅线上耦合输出的方向与主线上波传播的方向相反,故这种形式的定向耦合器也称为“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,故4—3线中便耦合有能量,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。第6章定向耦合器图6-5平行线型耦合器ZZ0oZZZ0eZP1P4P3P241243第6章定向耦合器同时由于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,如图6-6所示。所以能量从1口输入,则耦合口是4口。而在3口因为电耦合电流的ic3与磁耦合电流iL的作用相反而能量互相抵消,故3口是隔离口。6.3.2平行线耦合定向耦合器的设计步骤如下:步骤一:确定耦合器指标,包括耦合系数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：利用下列公式计算奇模阻抗和偶模阻抗Z0e和Z0o。第6章定向耦合器14ic4Cmi1iL23ic314ic4Cmi1iL23ic314ic4Cmi1iL23ic314ic4Cmi1iL23ic3图6-6耦合线方向性的解释第6章定向耦合器步骤三:依据设计使用的基板参数（εr,h）,利Mathcad11计算出Z0e、Z0o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MicrowaveOffice软件检验,再经过微调以满足设计要求。20/20/0020/20/00101101101101CCoCCeZZZZ第6章定向耦合器6.3.3设计一个工作频率为750MHz的10dB平行线型耦合器(Z0=50Ω)。步骤一:确定耦合器指标,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：04.3610110137.6910110120/20/0020/20/00CCoCCeZZZZ第6章定向耦合器步骤三:电路拓扑如图6-7所示,利用Mathcad11软件计算,得出耦合线宽度W=2.38mm,间距S=0.31mm,长度P=57.16mm,且50Ω微带线宽度W50=2.92mm。第6章定向耦合器图6-7平行线型耦合器电路图第6章定向耦合器MicrowaveOffice软件仿真结果如图6-8所示,图中自上而下便是S21、S31、S41、S11的dB值,这些值可以在附录1的实验中测量作比较。第6章定向耦合器图6-8平行线型耦合器仿真结果0.00－5.00－10.00－15.00－20.00－25.00－30.00－35.00－40.000.500.550.600.650.700.750.800.850.900.951.00FREQ[GHz]S21S31S41S11dB第6章定向耦合器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,如图6-9所示。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。第6章定向耦合器图6-9耦合线的变形(a)1423K1234K第6章定向耦合器图6-9耦合线的变形(b)(a)输入端口隔离端口耦合端口直接端口输入端口直接端口12耦合端口隔离端口341234C第6章定向耦合器SW上置导体hhWWrr耦合微带接地板lW基片覆盖介质上置导体微带′图6-9耦合线的变形(c)第6章定向耦合器(e)Z0Z013zlZ0)()(0oe00zZzZZ24Z0Z0Z0图6-9耦合线的变形第6章定向耦合器6.46.4.1如图6-10所示分支线耦合器结构,各个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。第6章定向耦合器图6-10分支线耦合器Zs2Z0Zp3串联臂并联臂144pg4sg第6章定向耦合器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。6.4.2分支线型定向耦合器的设计步骤如下:步骤一:确定耦合器指标,包括耦合系数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:利用下列公式计算出支线和主线的归一化导纳a和b:第6章定向耦合器步骤三:计算特性阻抗Za和Zb,以及相应的波导波长。步骤四:用软件计算微带实际尺寸。6.4.3设计3dB分支线耦合器,负载为50Ω,中心频率为5GHz,基板参数为εr＝9.6,h=0.8mm。步骤一:确定耦合器指标(略)。步骤二:计算归一化导纳:b=,a=122211lg20babbC2第6章定向耦合器步骤三:计算特性阻抗：步骤四:计算微带实际尺寸:支线50ΩW=0.83mm,L=6.02mm主线35.3ΩW=1.36mm,L=5.84mm3.351150110aYYZaYYZbbaaa第6章定向耦合器6.5混合环又称环形桥,结构如图6-11(a)所示。它的功能与分支线耦合器相似,不同的是两个输出端口的相位差为180°。当信号从端口1输入时,端口4是隔离端,端口2和端口3功率按一定比例反相输出,也就是相位差为180°。当信号从端口4输入时,端口1是隔离端,端口3和端口2功率按一定比例反相输出。同样地,端口2和端口3也是隔离的,无论从哪个口输入信号,仅在端口1和端口4比例反相输出。第6章定向耦合器图6-11微带环形桥与波导魔T2143ZR2143(a)(b)4g4g4g第6章定向耦合器用波程相移理解这个原理比较简单：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°,两路信号性质相反,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,阻抗差别过大难于实现。工程中,常用的环形桥两个输出口是等功率的。第6章定向耦合器等功率输出环形桥与波导魔T如图6-11(b)所示,两者有相同的性质,故环形桥又称魔T。其用途与分支线相同,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,实现微波电子线路不如分支线方便。合环的设计关键就是按照分配比计算阻抗值和长度。对于等分环形桥,Z1=Z2=Z0每个端口之间的距离为λg/4或3λg/4。2