(完整版)第六章+定向耦合器

RF&MW成都信息工程学院电子工程学院RF&mw第6章混合接头与耦合器6.1引言6.2集总参数定向耦合器6.3分支线定向耦合器6.4耦合线定向耦合器6.5环形桥定向耦合器6.6孔定向耦合器RF&MW成都信息工程学院电子工程学院RF&mw6.1引言6.1.1混合接头与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、幅度平衡度、相位一致性等。(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。RF&MW成都信息工程学院电子工程学院RF&mw(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。RF&MW成都信息工程学院电子工程学院RF&mw6.1.2混合接头与耦合器的原理以四端口网络结构为例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＝隔离度-耦合度。图6-1耦合器方框图定向耦合器2P23P31P14P4RF&MW成都信息工程学院电子工程学院RF&mw定向耦合器的参数则可定义为：)()(1lg101lg10lg10)(1lg10lg10)(1lg10lg10)(1lg10lg10)(23124143241142311322112dBCdBISSPPdBDSPPdBISPPdBCSPPdBT插入损耗方向性耦合度隔离度RF&MW成都信息工程学院电子工程学院RF&mw6.2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分支线型耦合器(a)低通式；(b)高通式CpLsP1P4LsCpP2P3(a)LpCsP1P4CsLpP2P3(b)Z0Z014231423RF&MW成都信息工程学院电子工程学院RF&mw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:kkZZkZZkpsc1110000010/RF&MW成都信息工程学院电子工程学院RF&mw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步骤四:利用模拟软件检验,再微调。RF&MW成都信息工程学院电子工程学院RF&mw6.2.2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：RF&MW成都信息工程学院电子工程学院RF&mw步骤三:利用下列公式计算元件值：nHfZLpFZfCcpsc68.56259.8210201/100000100.1147.431150CspkZZkkZZkRF&MW成都信息工程学院电子工程学院RF&mw图6-3低通L-C支路型耦合器等效电路步骤四:仿真计算。RF&MW成都信息工程学院电子工程学院RF&mw图6-4低通L-C支路型耦合器仿真结果RF&MW成都信息工程学院电子工程学院RF&mw6.3分支线型定向耦合器6.3.1分支线型定向耦合器原理如图示,各条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。图6-5分支线耦合器Zs2Z0Zp3串联臂并联臂144pg4sgRF&MW成都信息工程学院电子工程学院RF&mw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。6.3.2分支线型定向耦合器设计设计步骤: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:计算支线和主线的归一化导纳a和b:RF&MW成都信息工程学院电子工程学院RF&mw步骤三:计算特性阻抗Za和Zb和相应的波导波长。步骤四:用软件计算微带实际尺寸。6.3.3分支线型定向耦合器设计实例设计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。步骤二:计算归一化导纳:b=,a=122211lg20babbC2RF&MW成都信息工程学院电子工程学院RF&mw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=5.84mm0011501135.3aabbZYaYZYbYRF&MW成都信息工程学院电子工程学院RF&mw6.3.4如何直接写出其S矩阵（3dB）？6.3.5如何由奇偶模分析法验证其S矩阵？RF&MW成都信息工程学院电子工程学院RF&mwRF&MW成都信息工程学院电子工程学院RF&mw12342222eoeoeoeoTTBBTTBB0eABCDABCD100/2101111/20eABjjCDjjjj21(1)2eTjABCD对于偶模，RF&MW成都信息工程学院电子工程学院RF&mw12340/21/20BBjBB0o11oABjCDj1(1)2oTj对于奇模，奇偶模叠加，得RF&MW成都信息工程学院电子工程学院RF&mw当频率在中心频率附近变化10%时，相差也改变±50，由于超出带宽10%外的隔离度不能接受，其有用带宽限制在10%，理论上能设计成3～9dB的耦合度。Zs2Z0Zp3串联臂并联臂144pg4sga2a1bRF&MW成都信息工程学院电子工程学院RF&mw接上页R10.750.51/3k0.7070.6140.5b1.4141.612a11111a211.3423分支线定向耦合器/1021121101CkbkaabkaR1/66RF&MW成都信息工程学院电子工程学院RF&mw分支线耦合器可增加节数以拓展带宽RF&MW成都信息工程学院电子工程学院RF&mw尺寸压缩的准集中式分支线耦合器00ccjZABjCDZ1sin()coscbcZZCZcossin1010sin11cosbbjZABjjCjCCDZRF&MW成都信息工程学院电子工程学院RF&mw取的结果0ZZ可提供更宽的带宽，但需接地点RF&MW成都信息工程学院电子工程学院RF&mw分支线耦合器的另一类型：圆形分支线耦合器RF&MW成都信息工程学院电子工程学院RF&mw6.4耦合线定向耦合器6.4.1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。RF&MW成都信息工程学院电子工程学院RF&mw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。RF&MW成都信息工程学院电子工程学院RF&mw图6-6平行线型耦合器14ic4Cmi1iL23ic3图6-7耦合线方向性的解释④③RF&MW成都信息工程学院电子工程学院RF&mw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。RF&MW成都信息工程学院电子工程学院RF&mw6.4.2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。RF&MW成都信息工程学院电子工程学院RF&mw步骤三:依据基板参数（εr,h）,利用软件ADS计算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,再微调。00000014001111()eoeoeoCZZCCZZCZZCSZZRF&MW成都信息工程学院电子工程学院RF&mw6.4.3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：04.3610110137.6910110120/20/0020/20/00CCoCCeZZZZRF&MW成都信息工程学院电子工程学院RF&mw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6-8平行线型耦合器电路图RF&MW成都信息工程学院电子工程学院RF&mw仿真结果如图示。图6-9平行线型耦合器仿真结果0.60.70.80.90.51.0-30-20-10-400freq,GHzdB(S(1,1))Readoutm4dB(S(2,1))Readoutm1dB(S(3,1))Readoutm3dB(S(4,1))Readoutm2m1freq=dB(S(2,1))=-0.629750.0MHzm2freq=dB(S(4,1))=-10.147750.0MHzm3freq=dB(S(3,1))=-24.785750.0MHzm4freq=dB(S(1,1))=-34.557750.0MHzRF&MW成都信息工程学院电子工程学院RF&mw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。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。图6-10耦合线的变形（多节，改善频率特性）(a)1423K1234KRF&MW成都信息工程学院电子工程学院RF&mw宽频带的多节耦合器，可以制作成关于中央节对称的，也可制作成不对称的。RF&MW成都信息工程学院电子工程学院RF&mw宽频带的多节耦合器，当节数足够多，可变形成锯齿型RF&MW成都信息工程学院电子工程学院RF&mwLange耦合器，也称交指耦合器，左为四指耦合，右为其展开型，使线两边的杂散场对耦合也有贡献，实现紧耦合。这样