大学物理大学-射频电路第14讲定向耦合器

SouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniques引言理想定向耦合器的特性平行耦合线定向耦合器分支线定向耦合器波导定向耦合器混合环第14讲内容SouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniques14.1引言定向耦合器是一种功率有方向性耦合的器件，在射频系统中有着广泛的应用，如功率监控系统、测试系统、功率分配系统等。定向耦合器的种类繁多。SouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniques定向耦合器是一个四端口网络，它有输入端（端口1）、直通端（端口2）、耦合端（端口3）和隔离端（端口4)。当信号从输入端输入时，一部分功率直接从直通端输出，还有一部分功率耦合到耦合端输出，但不会从隔离端输出。如果耦合端与直通端同方向，则称为“同向定向耦合器”。反之，称为“反向定向耦合器”。SouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniques(a)(b)(1)(4)(2)(3)(4)(2)(3)(1)同向定向耦合器反向定向耦合器SouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniques除了所有器件都有的一些指标外，如电压驻波比、工作带宽等，定向耦合器的主要技术指标有耦合度、方向性和隔离度。设输入功率为P1，直通端、耦合端和隔离端匹配时的输出功率分别为P2,P3,P4.耦合度C定义方向性D定义理想情况下2113123331110lg10lg10lg20lgPaCSPbS33144110lg20lgPSDPS40,PDSouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniques隔离度I定义理想情况下显然实际上，方向性和隔离度同属表征定向耦合器定向性的指标，故而取其一就够了。141410lg20lgPISP40,PI313431411110lg10lg20lg20lgPPICDPPSSSouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniques14.2理想定向耦合器特性【定理】互易、无耗、对称、完全匹配的四端口网络可以构成一个理想的90定向耦合器。证明：根据互易、对称、完全匹配，有利用无耗网路S矩阵的幺正性122134431331244214412323112233440SSSSSSSSSSSSSSSS12131412141313141214131200[]00SSSSSSSSSSSSS[][][1]SSSouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniques可得可见，S12、S13和S14中必然有一个为零，由于端口2为直通端口，故S12不为零。设S14＝0（正向定向耦合器），则222121314**13141413**12141412**12131312||||||1000SSSSSSSSSSSSSSS221213**12131312||||10SSSSSS12131213()()12132cos()0jjee0121390SouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniques设S13＝0（反向定向耦合器），则得证。理想定向耦合器耦合端与直通端输出功率之和等于输入功率（能量守恒）。理想定向耦合器直通端与耦合端相差90度。221214**12141412||||10SSSSSS12141214()()12142cos()0jjee0121490SouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniques(1)(4)(3)(2)I1I2IlIC1IC2带状线结构等效电路对称面14.3平行耦合线定向耦合器SouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniques当信号从端口1输入时，一部分信号沿着主传输线1-2传输，一部分通过缝隙耦合到副传输线3-4上。耦合包括电场耦合（等效为电容耦合）和磁场耦合（等效为电感耦合）。通过电容耦合到副线上的电流分别向端口3和端口4传输（Ic3和Ic4），而通过电感耦合到副线的电流只向端口3传输（Il）。两种电流在端口3同向相加，在端口4反向相减。在适当的耦合条件下两部分信号在端口4相互抵消，使端口4无输出，只有端口2和3有输出，从而构成反向定向耦合器。工作原理（定性解释）SouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniques严格分析第一步：求平行耦合线的散射矩阵平行耦合线具有互易、对称特性，所以采用奇偶模激励法分析。当偶模激励时:平行线等效为单根偶模传输线。32234114422431134334211244332211SSSSSSSSSSSSSSSS131131242242eeeeaaabbbaaabbb，，111131212141eeSSSSSS[]bSa[]eeebSaSouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesPMC偶模激励O.CSouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniques单根偶模传输线的A矩阵为由于传输线两端接匹配负载，所以cossin1sincos][00eeeZjjZA012112102200111201121022002112011212200sin()2cossin()222cossin()oeoeeoeoeeoeoeZZAjAAZAZZZSAZZAAZAjZZZSAZZAAZAjZZZSouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniques当奇模激励时平行耦合线等效为单根奇模传输线，同理，可得奇模传输线的散射参数，只须在偶模传输线的散射参数公式中将下标e变为o即可。111131212141ooSSSSSS131131242242ooooaaabbbaaabbb，，SouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesS.CPEC奇模激励SouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniques于是，任意激励时平行耦合线的散射参数1111113100000000000000001()2sin()sin()4cos2sin()4cos2sin()eoeoeoeoeoSSSZZZZjjZZZZZZZZjjZZZZ21212141000000001()2112cossin()2cossin()eoeoeoSSSZZZZjjZZZZSouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniques第二步，求平行耦合线定向耦合器实现条件为使平行耦合线构成完全匹配的反向定向耦合器，必须有应有和对应为在此条件下，有式中11410SS00000000eoeoZZZZZZZZ2000eoZZZ00000eoeoZZkZZ00000000eoeoZZZZZZZZ112012200312041011cossinsin1cossin0SkSkjjkSkjSSouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesS13和S12相位相差90度，故平行耦合线定向耦合器是一全波段90度反向定向耦合器。耦合系数公式对于/4平行耦合线定向耦合器，在中心频率则2220022200101011jksinksinClglgkcoskcosjsin/222103101,SjkSk020ClgkSouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniques故直通端口2的输出波滞后输入端口1的入射波90度耦合端口3的输出波与输入端口1的入射波同相在中心频率上耦合最强，偏离中心频率越远，耦合越弱。SouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniques221S231S201k20k单节平行耦合线耦合器的频带特性在，耦合端输出最大，直通端最小。在，全部功率都传输到了直通端口，耦合端无输出。若，，则耦合端与直通端输出相同，构成3dB耦合器。(21)/2nn(21)/2n201/2kSouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniques设计过程设计/4平行耦合线定向耦合器时，首先根据中心频率上耦合系数确定出k0然后确定奇偶模特性阻抗:由奇偶模特性阻抗便可确定出平行耦合线尺寸和中心频率奇偶模传输线的波导波长。最后确定耦合线段的长度020010Ck0000001111,oeookkZZZZkk008gegolSouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniques【例14-1】设计一平行耦合线定向耦合器，中心频率f0=3GHz,耦合度C=15dB，输入输出线特性阻抗Zc=50Ω,介质基片εr=9.6,h=1mm。解:I、设计参数确定耦合系数ZCe与ZCo0200100.178Ck(1)(4)(2)(3)lsSouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesII、物理尺寸确定根据Zc=50Ω，应用MWO中的TXLINE，可得输入输出微带线宽度W1=0.98mmSouthChinaUniversityofTechnologyR