微波滤波器和无源电路讲座(06)

电子科技大学贾宝富博士现代微波滤波器和无源器件设计（六）耦合线定向耦合器设计概述定向耦合器是微波电路中的一个重要器件。如果根据使用的传输线来分，定向耦合器可以分为同轴线定向耦合器、矩形波导/圆波导波导定向耦合器、带状线定向耦合器、微带线/悬置微带线定向耦合器、共面波导定向耦合器和介质波导定向耦合器等。如果根据工作原理来划分，定向耦合器又可分为倍兹孔耦合定向耦合器、分支线定向耦合器、和耦合线定向耦合器。耦合线定向耦合器是一种在通讯系统中最常见的定向耦合器结构。所以在这一节，我们将重点介绍耦合线定向耦合器的工作原理，主要类型、设计方法和发展趋势。在设计过程中，摈弃了过去常用的查表法。利用商用软件AWR、HFSS、CST和ADS设计大大加快了设计速度。另外，我还要介绍电容加载、电感补偿和重入式带状线的设计方法。纲要耦合线定性耦合器的基本参数；耦合线定向耦合器的基本类型；定向耦合器的主要技术指标；耦合线特征参数的计算；常见的耦合线类型；双导体传输线的基本模式；耦合线参数的计算方法耦合线定向耦合器的基本结构；单级定向耦合器；定向耦合器的级联；宽带定向耦合器及补偿；微带定向耦合器重入式定向耦合器宽带定向耦合器的设计方法电子科技大学贾宝富博士现代微波滤波器和无源器件设计（六）耦合线定性耦合器的基本参数耦合线定向耦合器的基本类型耦合线定向耦合器有各种类型，按传输线的类型分为同轴线定向耦合器、带状线定向耦合器和微带线定向耦合器等；按耦合结构可分为对称阶梯耦合、非对称阶梯耦合和连续耦合等。定向耦合器的基本类型假如①口是入射端口。后向耦合④口是耦合端口。③口是隔离端口。②口是直通端口。前向耦合③口是耦合端口。④口是隔离端口。②口是直通端口。①④②③①④②③反向耦合前向耦合定向耦合器的主要技术指标定向耦合器的主要技术指标：耦合度；耦合度表示从端口１输入的功率和被耦合到端口4部分的比值，表示为：或①④②③1410logPCdBP输入端口直通端口耦合端口隔离端口1P2P3P4P4120logCSdB定向耦合器的主要技术指标定向耦合器的主要技术指标：方向性；端口4的输出功率和端口3输出功率之间的比值定义为方向性，表示为：或①④②③4310logPDdBP输入端口直通端口耦合端口隔离端口1P2P3P4P413120log20logDSSdB定向耦合器的主要技术指标定向耦合器的主要技术指标：隔离度；在理想的定向耦合器中，端口４是没有功率输出的，而实际上总会有一些功率从这个端口泄漏出来，这就是隔离度的指标，表示为：或①④②③1310logPIdBP输入端口直通端口耦合端口隔离端口1P2P3P4P3120logISdB定向耦合器的主要技术指标定向耦合器的主要技术指标：插入损耗；插入损耗表示从端口１到端口２的能量损耗，表示为：或工作频率；输入驻波比等。①④②③1210logPILdBP输入端口直通端口耦合端口隔离端口1P2P3P4P2120logILSdB定向耦合器的主要技术指标请注意端口１的输入功率有一部分功率是被耦合到端口4的，所以应导入一个“耦合损耗”的概念，下面是各种耦合度下的耦合损耗值：通常所说的从端口１到端口２的插入损耗是传输损耗和耦合损耗之和。耦合度耦合损耗６ｄＢ１．２００ｄＢ１０ｄＢ０．４６０ｄＢ１５ｄＢ０．１４０ｄＢ２０ｄＢ０．０４０ｄＢ３０ｄＢ０．００４ｄＢ定向耦合器的主要技术指标定向耦合器的主要技术指标：反射损耗或输入驻波比（ＶＳＷＲ）；反射损耗①④②③输入端口直通端口耦合端口隔离端口1P2P3P4P2120logSdB某公司定向耦合器产品指标项目名称ItemName指标SpecificationSLSLSLSLSLSL22445SL频率范围Frequenrange(MHz)380～2700耦合度Couing(dB)5±0.66±0.67±0.610±1.015±1.020±1.030±1.0插入损耗InsertionLoss(dB)≤2.05≤1.8≤1.3≤0.8≤0.5≤0.3≤0.3隔离度Isolation(dB)25262730354050驻波比VSWR≤1.30承载功率Power（W）（MAX）200端口阻抗Impedance(Ω)50接头类型ConnectorN-K（female）工作温度Temperature(℃)-25～+55工作湿度Humidity5～95%外形尺寸Dimension（mm）216*40*21电子科技大学贾宝富博士现代微波滤波器和无源器件设计（六）耦合线特征参数的计算普通传输线的基本参数传播常数：衰减常数；相位常数相位速度波长特性阻抗=-j02pgf001pLC000LCZ耦合带状线及耦合微带线(coupledstriplineandcoupledmicrostrpline)耦合传输线：两根或多根彼此靠的很近的非屏蔽传输线系统对称非对称可用于设计各类器件定向耦合器混合电桥滤波器常见的耦合线类型常见的耦合形式：多导体传输系统的电容矩阵对多导体传输系统通常用传输线单位长度的电荷、单位长度的电容与线上的电压来描述。多导体传输系统的电容矩阵假定，第i根传输线单位长度的电荷为Qi。其中，Vj是第j根导体相对于地的电压。Csij是第I根导体和第j根导体之间的短路电容。从短路电容，我们可以得到第i根导体的自电容和第i根与第j根导体之间的互电容。1(1,2,,)misijjjQCVim1;miisijijsijjCCCCij多导体传输系统的电容矩阵对由m根多导体组成的传输系统电容矩阵为，同样可以确定由m根多导体组成的传输系统的特性阻抗为，111212122212mmmmmmCCCCCCCCCC1112121222012mmmmmmZZZZZZZZZZ双导体传输线的基本模式通常，双导体传输线有两个独立的传播模式。对于结构对称、均匀介质填充的双导体传输线这两个模式分别被称作奇模和偶模。这两个模式的传播常数相同。但是其场结构分别具有奇对称和偶对称的特点。双导体传输线的奇耦模分析方法——利用对称性奇模激励(odd-modeexcitation):大小相同，方向相反的电流对耦合线两导带的激励（中心电壁）偶模激励(even-modeexcitation):大小相同，方向相同的电流对耦合线两导带的激励（中心磁壁）V=0H=0V-V均匀填充双导体传输线的奇模特性参数fgop00200011(1)(1)poLCLCKK0010001(1-)LKoCKZZZK000(1)(1)LCLCKK11(1)(1)eepepoLCLCKK2peegegof10001(1+)eeLKeCKZZZK0(1)(1)eeeLCLCKK均匀填充双导体传输线的偶模特性参数均匀填充双导体传输线的特性参数)(lg20dBCM耦合系数的分贝耦合度为:oeoeZZZZ0000oeZZZ0020差分阻抗与共模阻抗差分阻抗是指在耦合传输线中差分驱动时，在两条传输线中测试得到的阻抗。差分阻抗失奇模阻抗的2倍。Zdiff=2XZodd共模阻抗是指耦合传输线并联在一起时的此案路阻抗。共模阻抗是偶摸阻抗的一半。Zcom=Zeven/2耦合线参数的计算方法（1）利用电路软件中的传输线计算工具计算。耦合线参数的计算方法(2)利用三维仿真软件对结构上具有对称性的传输线建模计算传输线参数，可以从对称面剖开，分别建立模型。并把对称面分别设置为电壁和磁壁。磁壁电壁耦合线参数的计算方法(3)利用三维仿真软件对结构上不具有对称性的传输线建模计算传输线参数，可以直接计算。但需要注意的是端口模式数应设置2个以上，并且此时计算出的阻抗分别是差分阻抗和共模阻抗。计算结果模式——1•模式——2Z1Z2CST计算结果（模式1）CST计算结果（模式2）ADS计算结果结果比较Z1(Ohm)Z2(Ohm)Ze(Ohm)Zo(Ohm)HFSS端口阻抗94.41627.0232*Z2=54.046Z1/2=47.208CST端口阻抗89.253925.82182*Z2=51.624Z1/2=44.627ADS计算阻抗53.096145.9190注意:利用三维软件计算端口的特性阻抗分别是差分阻抗（Z1）和共模阻抗（Z2）。并不是C模和π模阻抗！！偶模的阻抗为：Ze=2XZ2奇模的阻抗为：Zo=Z1/2电子科技大学贾宝富博士现代微波滤波器和无源器件设计（六）耦合线定向耦合器的基本结构单级定向耦合器的S参数：其中，θ是耦合线段的电长度。端口2和端口3之间的分压比K为，单级定向耦合器0000eoeoZZCZZ212213211os1osCSCCjSinjCSinSCCjSin212131SCKSCSin①②③④①②③④①②③④在耦合带状线中奇/偶模的相位常数相同：当电长度θ=90º时，定向耦合器的S参数化简为，当端口2和端口3之间的分压比K为1时，要求C单级定向耦合器（续）12Ceo212131SjCSC定向耦合器的级联从前面的分析可以看到，如果想获得大的耦合量则需要耦合线的奇/偶模阻抗有较大差异。这意味着耦合线之间的耦合要很大。在实际工程中，这一要求实现起来并不容易。因此可以采用级联方式实现较大的耦合量。定向耦合器的级联（续）级联后的S参数，对一个θ=90º的3dB定向耦合器，由上式得，解出，或者，这样就可以用两个耦合量为8.34dB的定向耦合器构造一个3dB定向耦合器。222212131221312131(1)221TTSSSCSinjSSSCCSin2212121CCC0.5220.3827C12138.34CCdB兰格定向耦合器宽带对称定向耦合器对称带状线定向耦合器的补偿过渡段寄生电感补偿电容C1和C2补偿前后的仿真结果比较补偿前补偿后补偿后的电路版图和测试结果宽带非对称定向耦合器非对称带状线定向耦合器的补偿不连续段补偿电容补偿前后的仿真结果比较补偿前补偿后补偿后的电路版图和测试结果使用微带线或悬置微带线制作定向耦合器时，微带线和带状线相比，最大的区别在于微带线的奇/偶模相位常数不同。由于奇模的场大部分都分布在介质与空气交接的区域，偶模的场大部分都分布于介质内部。所以奇模的相位速度大于偶模的相位速度。因此，微带线定向耦合器的带宽受到一些限制。通常，需要采取一些补偿措施抵消其影响。最常见的补偿措施包括：波纹耦合线；电容加载；电感加载；微带-孔耦合；微带线定向耦合器一种高性能超宽带3dB定向耦合器采用微带-孔耦合结构采用类似技术的3dB定向耦合器重入式定向耦合器微带重入式定向耦合器优点是方便装配电子科技大学贾宝富博士现代微波滤波器和无源器件设计（六）宽带定向耦合器的设计方法设计过程第一步：电路原理图优化根据给定设计指标利用基本电路原理图优化；第二步：耦合线基本结构设计根据优化结果得出的奇/偶模阻抗设计耦合线的基本结构；第三步：三维仿真模型优化根据电路原理图给出的电路结构和耦合线的尺寸建立仿真模型，并在此基础上优化。7级对称定向耦合器电路模型文件名：First_step_symmetric.emp7级对称定向耦合器优化结果4级非对称定向耦合器电路模型文件名：First_step_asymmetric.emp优化结果电容加载定向耦合器电路模型文件名：First_step_asymmetric_Cap.emp优化结果结果比较7级对称和4级非对称每一级的电长度基本相同。通过4级非对称定向耦合器的优化结果比较，发现加载后定向耦合器的长度明显减小。7