耦合器基礎(chǔ)知識課件

1、耦合器基礎(chǔ)知識耦合器616028282耦合器基礎(chǔ)知識目錄 1 定向耦合器。 2 定向耦合器的性能指標(biāo)。 3 波導(dǎo)雙孔定向耦合器。波導(dǎo)雙孔定向耦合器。 4 4 雙分支定向耦合器雙分支定向耦合器 。 5 耦合器對RF電路的影響。耦合器基礎(chǔ)知識定向耦合器 在微波系統(tǒng)中在微波系統(tǒng)中, , 往往需將一路微波功率按往往需將一路微波功率按比例分成幾路比例分成幾路, , 這就是功率分配問題。實這就是功率分配問題。實現(xiàn)這一功能的元件稱為功率分配元器件現(xiàn)這一功能的元件稱為功率分配元器件, , 主要包括主要包括: : 定向耦合器、定向耦合器、 功率分配器以功率分配器以及各種微波分支器件。及各種微波分支器件。 這些元

2、器件一般這些元器件一般都是線性多端口互易網(wǎng)絡(luò)都是線性多端口互易網(wǎng)絡(luò), , 因此可用微波因此可用微波網(wǎng)絡(luò)理論進行分析。網(wǎng)絡(luò)理論進行分析。 耦合器基礎(chǔ)知識 定向耦合器是一種具有定向傳輸特性的定向耦合器是一種具有定向傳輸特性的四端口元件四端口元件, , 它是由耦合裝置聯(lián)系在一起它是由耦合裝置聯(lián)系在一起的兩對傳輸系統(tǒng)構(gòu)成的。的兩對傳輸系統(tǒng)構(gòu)成的。 如圖下頁圖所示。如圖下頁圖所示。 圖中圖中“、 ” ”是一是一條傳輸系統(tǒng)條傳輸系統(tǒng), , 稱為主線；稱為主線；“、” ”為另為另一條傳輸系統(tǒng)一條傳輸系統(tǒng), , 稱為副線。耦合裝置的耦稱為副線。耦合裝置的耦合方式有許多種合方式有許多種, , 一般有孔、分支線、

3、耦一般有孔、分支線、耦合線等合線等, , 形成不同的定向耦合器。形成不同的定向耦合器。 耦合器基礎(chǔ)知識 定向耦合器的原理圖定向耦合器的原理圖 耦合器基礎(chǔ)知識 定向耦合器的性能指標(biāo)定向耦合器的性能指標(biāo) 定向耦合器是四端口網(wǎng)絡(luò)定向耦合器是四端口網(wǎng)絡(luò), ,如上圖端口如上圖端口“” ”為輸入端為輸入端, , 端口端口“” ”為直通輸出端為直通輸出端, , 端口端口“” ”為耦合輸出端為耦合輸出端, , 端口端口“” ”為隔為隔離端離端, , 并設(shè)其散射矩陣為并設(shè)其散射矩陣為S S。描述定。描述定向耦合器的性能指標(biāo)有向耦合器的性能指標(biāo)有: : 耦合度、隔離度、耦合度、隔離度、 定向度、輸入駐波比和工作帶

4、寬。下面定向度、輸入駐波比和工作帶寬。下面分別加以介紹。分別加以介紹。 耦合器基礎(chǔ)知識1耦合度輸入端輸入端“” ”的輸入功率的輸入功率P1P1 ，與耦合端的輸出功率之比定義為耦合度c，如下公式：耦合器基礎(chǔ)知識(2)(2)隔離度隔離度 輸入端輸入端“” ”的輸入功率的輸入功率P1P1和隔和隔離端離端“” ”的輸出功率的輸出功率P4P4之比定之比定義為隔離度，記作義為隔離度，記作I I。 耦合器基礎(chǔ)知識 (3) (3)定向度定向度耦合端耦合端“” ”的輸出功率的輸出功率P3P3與隔離與隔離端端“” ”的輸出功率的輸出功率P4P4之比定義為定之比定義為定向度，記作向度，記作D D。 耦合器基礎(chǔ)知識(

5、4) (4) 輸入駐波比輸入駐波比 端口端口“、 、 ” ”都接匹配都接匹配負載時的輸入端口負載時的輸入端口“” ”的駐波比的駐波比定義為輸入駐波比，記作定義為輸入駐波比，記作 。 耦合器基礎(chǔ)知識(5)(5)工作帶寬工作帶寬 工作帶寬是指定向耦合器的上述工作帶寬是指定向耦合器的上述C C、 I I、 D D、 等參數(shù)均滿足要求時的工作頻率等參數(shù)均滿足要求時的工作頻率范圍。范圍。 耦合器基礎(chǔ)知識B B 波導(dǎo)雙孔定向耦合器波導(dǎo)雙孔定向耦合器 波導(dǎo)雙孔定向耦合器是最簡單的波導(dǎo)定波導(dǎo)雙孔定向耦合器是最簡單的波導(dǎo)定向耦合器向耦合器, , 主、副波導(dǎo)通過其公共窄壁上主、副波導(dǎo)通過其公共窄壁上兩個相距兩個相

6、距d=(2n+1)g0/4 d=(2n+1)g0/4 的小孔實現(xiàn)的小孔實現(xiàn)耦合其中，耦合其中，g0g0是中心頻率所對應(yīng)的波是中心頻率所對應(yīng)的波導(dǎo)波長導(dǎo)波長, n, n為正整數(shù)為正整數(shù), , 一般取一般取n=0n=0。耦合。耦合孔一般是圓形孔一般是圓形, , 也可以是其它形狀。定向也可以是其它形狀。定向耦合器的結(jié)構(gòu)如下頁圖耦合器的結(jié)構(gòu)如下頁圖 耦合器基礎(chǔ)知識 根據(jù)耦合器的耦合機理根據(jù)耦合器的耦合機理, , 畫出如上圖畫出如上圖 b b所示的所示的原理圖。原理圖。 設(shè)端口設(shè)端口“” ”入射入射TE10TE10波波(u+1=1), (u+1=1), 第一個小孔耦合到副波導(dǎo)中的歸一化出射波為第一個小孔

7、耦合到副波導(dǎo)中的歸一化出射波為 和和, q, q為小孔耦合系數(shù)。假設(shè)小孔很小為小孔耦合系數(shù)。假設(shè)小孔很小, , 到達第到達第二個小孔的電磁波能量不變二個小孔的電磁波能量不變, , 只是引起相位差只是引起相位差(d), (d), 第二個小孔處耦合到副波導(dǎo)處的歸一化第二個小孔處耦合到副波導(dǎo)處的歸一化出射波分別為和在副波導(dǎo)輸出端口出射波分別為和在副波導(dǎo)輸出端口“” ”合成合成的歸一化出射波為的歸一化出射波為 耦合器基礎(chǔ)知識 副波導(dǎo)輸出端口副波導(dǎo)輸出端口“” ”合成的歸一化出射合成的歸一化出射波為波為 由此可得波導(dǎo)雙孔定向耦合器的耦合度由此可得波導(dǎo)雙孔定向耦合器的耦合度為為 耦合器基礎(chǔ)知識小圓孔耦合的

8、耦合系數(shù)為小圓孔耦合的耦合系數(shù)為 式中式中, a, a、b b分別為矩形波導(dǎo)的寬邊和窄分別為矩形波導(dǎo)的寬邊和窄邊；邊；r r為小孔的半徑；為小孔的半徑； 是是TE10TE10模的相模的相移常數(shù)。而波導(dǎo)雙孔定向耦合器的定向移常數(shù)。而波導(dǎo)雙孔定向耦合器的定向度為當(dāng)工作在中心頻率時度為當(dāng)工作在中心頻率時, d=/2, , d=/2, 此此時時D; D; 當(dāng)偏離中心頻率時當(dāng)偏離中心頻率時, secd, secd具具有一定的數(shù)值有一定的數(shù)值, , 此時此時D D不再為無窮大。實不再為無窮大。實際上雙孔耦合器即使在中心頻率上際上雙孔耦合器即使在中心頻率上, , 其定其定向性也不是無窮大向性也不是無窮大,

9、, 而只能在而只能在30dB30dB左右。左右。 耦合器基礎(chǔ)知識 總之，波導(dǎo)雙孔定向耦合器是依靠波的總之，波導(dǎo)雙孔定向耦合器是依靠波的相互干涉而實現(xiàn)主波導(dǎo)的定向輸出相互干涉而實現(xiàn)主波導(dǎo)的定向輸出, , 在耦在耦合口上同相疊加合口上同相疊加, , 在隔離口上反相抵消。在隔離口上反相抵消。 為了增加定向耦合器的耦合度，拓寬工為了增加定向耦合器的耦合度，拓寬工作頻帶作頻帶, , 可采用多孔定向耦合器可采用多孔定向耦合器, , 耦合器基礎(chǔ)知識二二 ，雙分支定向耦合器，雙分支定向耦合器 雙分支定向耦合器由主線、副線和兩條分支線雙分支定向耦合器由主線、副線和兩條分支線組成組成, , 其中分支線的長度和間距

10、均為中心波長其中分支線的長度和間距均為中心波長的的1/4, 1/4, 如圖如圖 5 - 15 5 - 15 所示。所示。 設(shè)主線入口線設(shè)主線入口線“” ”的特性阻抗為的特性阻抗為, , 主線出口線主線出口線“” ”的特性的特性阻抗為阻抗為(k(k為阻抗變換比為阻抗變換比), ), 副線隔離端副線隔離端“” ”的的特性阻抗為特性阻抗為, , 副線耦合端副線耦合端“” ”的特性阻抗為的特性阻抗為, , 平行連接線的特性阻抗為平行連接線的特性阻抗為Z0p, Z0p, 兩個分支線特兩個分支線特性阻抗分別為和。下面來討論雙分支定向耦合性阻抗分別為和。下面來討論雙分支定向耦合器的工作原理。器的工作原理。

11、耦合器基礎(chǔ)知識 假設(shè)輸入電壓信號從端口假設(shè)輸入電壓信號從端口“” ”經(jīng)經(jīng)A A點輸點輸入入, , 則到達則到達D D點的信號有兩路點的信號有兩路, , 一路是由一路是由分支線直達分支線直達, , 其波行程為其波行程為g/4, g/4, 另一路由另一路由ABCD, ABCD, 波行程為波行程為3g/43g/4；故兩條；故兩條路徑到達的波行程差為路徑到達的波行程差為g/2, g/2, 相應(yīng)的相相應(yīng)的相位差為位差為, , 即相位相反。即相位相反。 耦合器基礎(chǔ)知識因此若選擇合適的特性阻抗因此若選擇合適的特性阻抗, , 使到達的兩路信號的振幅相使到達的兩路信號的振幅相等等, , 則端口則端口“” ”處的

12、兩路信號相互抵消處的兩路信號相互抵消, , 從而實現(xiàn)隔離從而實現(xiàn)隔離 同樣由同樣由ACAC的兩路信號為同相信號的兩路信號為同相信號, , 故故在端口在端口“” ”有耦合輸出信號有耦合輸出信號, , 即端口即端口“” ”為耦合端。耦合端輸出信號的大小為耦合端。耦合端輸出信號的大小同樣取決于各線的特性阻抗。同樣取決于各線的特性阻抗。 下面給出微帶雙分支定向耦合器的設(shè)計下面給出微帶雙分支定向耦合器的設(shè)計公式公式 。 設(shè)耦合端設(shè)耦合端“” ”的反射波電壓為的反射波電壓為|U3r|, |U3r|, 則該耦合器的耦合度為則該耦合器的耦合度為 耦合器基礎(chǔ)知識各線的特性阻抗與各線的特性阻抗與| | |關(guān)系式為

13、關(guān)系式為 分支線定向耦合器的帶寬受分支線定向耦合器的帶寬受g/4g/4的限制的限制, , 一般可做到一般可做到, , 若要求頻帶若要求頻帶更寬更寬, , 可采用多節(jié)分支耦合器。可采用多節(jié)分支耦合器。 耦合器基礎(chǔ)知識 定向耦合器的原理圖耦合器基礎(chǔ)知識 如圖是定向耦合器的原理圖，其中A、B是主饋電纜的內(nèi)導(dǎo)體，在接近內(nèi)導(dǎo)體里放入一個線圈L3，其中C是L3和內(nèi)導(dǎo)體之間的分布電容。當(dāng)有射頻信號送入時，A、B有電流I 流過，其中E是內(nèi)外導(dǎo)體間的射頻電壓，由于分布電容C的存在，那么內(nèi)導(dǎo)體中就有一電流通過C、R1流到外導(dǎo)體，這個電流在R1上將產(chǎn)生一個互感電壓EL3，很明顯，a-b兩端的輸出電壓E=ER1+EL

14、3，在制造中我們適當(dāng)?shù)剡x擇L3和R1并在調(diào)試中改變C和互感系數(shù)M，使得在一個方向上輸出電壓E為最大值（即使得ER1和EL3在相位上是相加的），而在另一個方向上E輸出極小極?。词沟肊R1和EL3在相位上是相減的），這樣我們就實現(xiàn)了定向耦合的作用，輸出電壓E通過BG1檢波后送至指示系統(tǒng)，這樣我們就可以在指示系統(tǒng)上讀出機器發(fā)向天線的實際功率。耦合器基礎(chǔ)知識 5 耦合器得用途功率控制的在各個功率下都要求嚴(yán)格，只是在接近最大功率處更為苛刻，此時PA的功率較大，對線性度的挑戰(zhàn)也不叫苛刻，稍微冒大一點可能會連帶處調(diào)變參數(shù)，如ACP，Spectrum，EVM等大幅度惡化，像有的兄弟遇到的指標(biāo)跳來跳去，有時會跳fail。另外一方面就是校準(zhǔn)之后，小功率會比較準(zhǔn)確而大功率會有相對較大的誤差，主要有兩方面的原因，其一是功率校準(zhǔn)時通過取點內(nèi)插法實現(xiàn)，在小功率模式下，PA的線性度較高，其差值得到的直線（曲線）很接近實際的特性直線（曲線），而在大功率下，其功率可能會接近壓縮，曲線會有所失真，這樣通過差值得到的曲線，除非取點很多，否則很難精準(zhǔn)模擬實際特性曲線，所以在PA輸出加一功率檢測反饋回路保證功率的精確性耦合器基礎(chǔ)知識 功率控制的在各個功率下都要求嚴(yán)格，只是在接近最大功率處更為苛刻，此時PA的功率較大，對線性度的挑戰(zhàn)也不叫苛刻，稍微冒大一點可能會連帶處調(diào)變參數(shù)，如ACP