第三章微波集成无源电路-34耦合微带定向耦合器

电子科技大学电子工程学院《微波集成电路》讲义3.4耦合微带线定向耦合器概述由电长度为π/2的耦合微带线构成，①为输入端、④为输出端、②为耦合端、③为隔离端。①-④为主线，②-③为副线。主线和副线上信号传输方向相反，又称为“反向定向耦合器”一般为弱耦合情况（-20dB），主线上传输大功率信号，副线耦合输出弱的取样信号，用于高功率信号检测等电子科技大学电子工程学院《微波集成电路》讲义3.4耦合微带线定向耦合器主要技术指标•耦合度C：P1P2P4P3212212111()10lg10lg20lgPCdBPss•方向性D：22212133131()10lg10lg20lgPssDdBPss•隔离度I：213313111()10lg10lg20lgPIdBPss三者之间的关系为:I=C+D理想情况下，高隔离度，高方向性：P3→0，D→∞，I→∞电子科技大学电子工程学院《微波集成电路》讲义3.4耦合微带线定向耦合器奇偶模法分析均匀介质填充耦合微带线定向耦合器奇偶模特性参数：a1b2b4Z0Z0Z0•奇偶模激励时的反射系数和传输系数：0o、T0o;0e、T0e奇偶模分析法要点：——求解奇偶模特性参数和四端口网络的端口电压、传输功率的关系（耦合、隔离关系）•奇偶模阻抗为：Zco，Zce•均匀介质奇偶模电长度相等:eoppvvcoel221(1)(1)CLoeoeppKKKvvcLCKLCK，，电子科技大学电子工程学院《微波集成电路》讲义3.4耦合微带线定向耦合器奇偶模法分析均匀介质填充耦合微带线定向耦合器偶模激励时，单根线对端口匹配负载Z0归一化转移矩阵：00cossinsincosCeeCeZjZaZjZ00000000sin2cossin222cossinCeCeeCeCeeCeCeZZjZZabcdabcdZZjZZabcdZZjZZUeUe电子科技大学电子工程学院《微波集成电路》讲义3.4耦合微带线定向耦合器奇偶模法分析均匀介质填充耦合微带线定向耦合器奇模激励时，单根线对端口匹配负载Z0归一化转移矩阵：00cossinsincosCooCoZjZaZjZ-UoUo00000000sin2cossin22cossinCoCooCoCooCoCoZZjZZZZjZZZZjZZ耦合微带线定向耦合器网络参数可由：Z0、ZcO、Zce、Θ确定电子科技大学电子工程学院《微波集成电路》讲义3.4耦合微带线定向耦合器奇偶模法分析均匀介质填充耦合微带线定向耦合器123410aaaa，；1234bbbb、、、112233441VbVbVbVba1b2b4Z0Z0Z0•各端口入射波电压：•各端口出射波电压：设①口接电压源1V，②③④口均接匹配负载Z0。•各端口电压：电子科技大学电子工程学院《微波集成电路》讲义3.4耦合微带线定向耦合器奇偶模法分析均匀介质填充耦合微带线定向耦合器1212eeeaaUae2ae11211110222eUaa偶模激励电压：102403112212eeeeeeVVVV偶模激励时端口电压电子科技大学电子工程学院《微波集成电路》讲义3.4耦合微带线定向耦合器奇偶模法分析均匀介质填充耦合微带线定向耦合器ao2ao11211110222oUaa奇模激励电压：奇模激励时端口电压121122ooooaUaU，102403112212ooooooVVVV电子科技大学电子工程学院《微波集成电路》讲义3.4耦合微带线定向耦合器奇偶模法分析均匀介质填充耦合微带线定向耦合器利用线性叠加原理，各端口的电压1110012220023330034440041112121212eoeoeoeoeoeoeoeoVVVbVVVbVVVbVVVba2a11001120021300314004112121212eoeoeoeobSbSbSbS电子科技大学电子工程学院《微波集成电路》讲义3.4耦合微带线定向耦合器奇偶模法分析均匀介质填充耦合微带线定向耦合器利用线性叠加原理，各端口的电压1110012220023330034440041112121212eoeoeoeoeoeoeoeoVVVbVVVbVVVbVVVba2a11001120021300314004112121212eoeoeoeobSbSbSbS电子科技大学电子工程学院《微波集成电路》讲义3.4耦合微带线定向耦合器0000111000000002120000sinsin11222cossin2cossinsin11222cossCeCoCeCoeoCeCoCeCoCeCeeoCeCeZZZZjjZZZZsbZZZZjjZZZZZZjZZsbZZjZZ00003130000004140000sinin2cossin11122cossin2cossin1122cosCoCoCoCoeoCeCoCeCoeoCeCeZZjZZZZjZZsbZZZZjjZZZZsbZZjZZ001sin2cossinCoCoZZjZZ电子科技大学电子工程学院《微波集成电路》讲义3.4耦合微带线定向耦合器奇偶模法分析均匀介质填充耦合微带线定向耦合器理想定向耦合器要求：P1P2P4P3（1）理想端口匹配10011102eobS（2）理想隔离30031102eobS000020CC0CCCeCoCeCoeoeoZZZZZZZZZZZZZZ，即：，或完全匹配和完全隔离条件:Z0=ZC电子科技大学电子工程学院《微波集成电路》讲义3.4耦合微带线定向耦合器奇偶模法分析均匀介质填充耦合微带线定向耦合器理想定向耦合器各端口电压：P1P2P4P311CC2220CC33204420CC1sinsin2cossin1cossin0212cossin1cossineoeoeoVajZZjkVbZjZZkjVbZkVbZjZZkj0000eoeoZZkZZ为均匀介质填充耦合微带线耦合系数电子科技大学电子工程学院《微波集成电路》讲义3.4耦合微带线定向耦合器理想定向耦合器P1P2P4P3•电压耦合系数22121sin1cossinVjksVkj•耦合度/（功率）耦合系数2221222sinsin()20lg20lg10lg1cos1cossinjkkCdBskkj•传输系数24412111cossinVksVkj电子科技大学电子工程学院《微波集成电路》讲义3.4耦合微带线定向耦合器理想定向耦合器P1P2P4P3能量守恒：耦合微带线定向耦合器是全频段90°定向耦合器22221243+VVVVS21和S41相差90°•在中心频率处，=90°，耦合端与输入端同相，输出端滞后90°200242141=90=901001SS1eoeoZZVVkjkVZZV，电子科技大学电子工程学院《微波集成电路》讲义3.4耦合微带线定向耦合器理想定向耦合器P1P2P4P3弱耦合时，k1211sinsincossinjkjksjkej224111-1-cossinjkkskej此时，在中心频率上耦合最强，偏离中心频率越远，耦合越弱电子科技大学电子工程学院《微波集成电路》讲义3.4耦合微带线定向耦合器耦合微带线定向耦合器的耦合与奇模和偶模归一化阻抗的关系耦合度C（dB）电压耦合系数kZce/Z0Zco/Z0耦合度C（dB）电压耦合系数kZce/Z0Zco/Z010.89130.23984.170160.15850.85231.17320.79430.33862.954170.14130.89741.15330.70790.41352.418180.12590.88111.13540.63100.47572.102190.11220.89341.11950.56230.52931.889200.10000.90451.10660.50120.57641.735210.089130.91451.09370.44670.61841.620220.079430.92351.08380.39810.65611.542230.070790.93151.07390.35480.69011.449240.063100.93881.065100.31620.72081.387250.056230.94531.058110.28180.74851.336260.050120.95111.051120.25120.77361.293270.044670.95631.046130.00390.79631.234280.039810.96101.041140.19950.81691.224290.035480.96511.036150.17780.83551.197300.031620.96891.032电子科技大学电子工程学院《微波集成电路》讲义3.4耦合微带线定向耦合器耦合微带定向耦合器设计：已知端口阻抗Z0、耦合度C/耦合系数K，求解奇偶模参数和电长度P1P2P4P30CeCoCZZZZ（1）令：（2）耦合系数K：CeCoCeCoZZKZZ（3）得：1111CeCCoCKKZZZZKK，耦合微带物理参数：基片厚度/线宽，基片材料，间距等；耦合段长度取奇偶模四分之一波长平均值电子科技大学电子工程学院《微波集成电路》讲义3.4耦合微带线定向耦合器实际耦合微带定向耦合器具体问题oeppvvc理想隔离、理想匹配——理想方向性耦合器是建立在均匀介质填充条件下的。20CC0CC;eoeoZZZZZZ，或Z0=ZC2.CeCoCZZZ2(1)oeLCKCLKKK实现耦合端和输入端同相的相位条件非均匀介质填充耦合微带线的影响电子科技大学电子工程学院《微波集成电路》讲义3.4耦合微带线定向耦合器222202211.11LLCeCoCCCCKKLZZZZZCKK实际微带线由非均匀介质填充耦合微带线，不满足理想隔离、理想匹配条件——理想方向性0oreo0o0eree0e11CCCC00porperporper(()(()))eoeeccvvvv，；e11(1)(1)(1)(1)oppLCCLvvLCKKLCKK；oe电子科技大学电子工程学院《微波集成电路》讲义3.4耦合微