定向耦合器-(2)

RF&MW成都信息工程学院电子工程学院RF&mw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RF&MW成都信息工程学院电子工程学院RF&mw6.1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、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,RF&MW成都信息工程学院电子工程学院RF&mw6.1.2定向耦合器的原理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定向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：)()(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(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RF&MW成都信息工程学院电子工程学院RF&mw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：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耦合微带定向耦合器6.3.1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6-5平行线型耦合器14ic4Cmi1iL23ic3图6-6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&mw6.3.2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。)(111100000000oeoeoeZZZZCCCZZCCZZRF&MW成都信息工程学院电子工程学院RF&mw6.3.3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：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6-7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图6-8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6-9耦合线的变形（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图6-9耦合线的变形（增大耦合度，紧耦合）RF&MW成都信息工程学院电子工程学院RF&mwSW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（高方向性）(c)RF&MW成都信息工程学院电子工程学院RF&mwZ0Z013zlZ0)()(0oe00zZzZZ24Z0Z0Z0图6-9耦合线的变形（拓展带宽）RF&MW成都信息工程学院电子工程学院RF&mw问题：图示定向耦合器结构完全对称，若从三端口输入信号，插入衰减、耦合度、方向性和隔离度怎么表示？RF&MW成都信息工程学院电子工程学院RF&mw平行耦合有窄边耦合和宽边耦合形式，其特性可由偶模和奇模的适当线性组合实现。带状线耦合为TEM波，微带线为准TEM波。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&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。这样容易达到3dB耦合，并有一个倍频程或更宽的带宽。RF&MW成都信息工程学院电子工程学院RF&mw6.4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11a41/2a11/2a41/2a11/2aRF&MW成都信息工程学院电子工程学院RF&mw考虑对称性和互易性，其S矩阵为111121314212111413313141112414131211SSSS1/2SSSS0SSSS01/2SSSSeeeebbbb偶模激励时，有11121314121114131314111214131211SSSSSSSSSSSSSSSSSRF&MW成都信息工程学院电子工程学院RF&mw121311141212131114342222eeeeSSSSbbSSSSbb展开，得eT引入偶模反射系数和传输系数e和1411141423121314eeeeeeeeeebbSSaabbTSSaa由于对称，1—2和3—4可看作两根独立且完全相同RF&MW成都信息工程学院电子工程学院RF&mw的波导，eT是其中之一的反射系数和传输系数e和奇模激励时，有111121314212111413313141112414131211SSSS1/2SSSS0SSSS01/2SSSSoooobbbb121311141213121411342222ooooSSSSbbSSSSbb展开，得RF&MW成都信息工程学院电子工程学院RF&mw111213142222eoeoeoeoTTSSTTSS由各反射系数和传输系数的表示式求得S参量为oT引入奇模反射系数和传输系数o和1411141423121314oooooooooobbSSaabbTSSaaRF&MW成都信息工程学院电子工程学院RF&mw6.5分支线型定向耦合器6.5.1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6-10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。6.5.2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。6.5.3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