耦合器基礎(chǔ)知識(shí)課件

1、耦合器基礎(chǔ)知識(shí)耦合器616028282耦合器基礎(chǔ)知識(shí)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(duì)RF電路的影響。耦合器基礎(chǔ)知識(shí)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(wèn)題。實(shí)這就是功率分配問(wèn)題。實(shí)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(jìn)行分析。網(wǎng)絡(luò)理論進(jìn)行分析。 耦合器基礎(chǔ)知識(shí) 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(duì)傳輸系統(tǒng)構(gòu)成的。的兩對(duì)傳輸系統(tǒng)構(gòu)成的。 如圖下頁(yè)圖所示。如圖下頁(yè)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(shí) 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(shí) 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(shí)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(shí)(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(shí) (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(shí)(

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(fù)載時(shí)的輸入端口負(fù)載時(shí)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(shí)(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(shí)的工作頻率等參數(shù)均滿足要求時(shí)的工作頻率范圍。范圍。 耦合器基礎(chǔ)知識(shí)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(jiǎn)單的波導(dǎo)定波導(dǎo)雙孔定向耦合器是最簡(jiǎn)單的波導(dǎo)定向耦合器向耦合器, , 主、副波導(dǎo)通過(guò)其公共窄壁上主、副波導(dǎo)通過(guò)其公共窄壁上兩個(gè)相距兩個(gè)相

6、距d=(2n+1)g0/4 d=(2n+1)g0/4 的小孔實(shí)現(xiàn)的小孔實(shí)現(xiàn)耦合其中，耦合其中，g0g0是中心頻率所對(duì)應(yīng)的波是中心頻率所對(duì)應(yīng)的波導(dǎo)波長(zhǎng)導(dǎo)波長(zhǎng), 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(yè)圖耦合器的結(jié)構(gòu)如下頁(yè)圖 耦合器基礎(chǔ)知識(shí) 根據(jù)耦合器的耦合機(jī)理根據(jù)耦合器的耦合機(jī)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(gè)小孔耦合到副波導(dǎo)中的歸一化出射波為第一個(gè)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(dá)第到達(dá)第二個(gè)小孔的電磁波能量不變二個(gè)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(gè)小孔處耦合到副波導(dǎo)處的歸一化第二個(gè)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(shí) 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(shí)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(shí)度為當(dāng)工作在中心頻率時(shí), d=/2, , d=/2, 此此時(shí)時(shí)D; D; 當(dāng)偏離中心頻率時(shí)當(dāng)偏離中心頻率時(shí), secd, secd具具有一定的數(shù)值有一定的數(shù)值, , 此時(shí)此時(shí)D D不再為無(wú)窮大。實(shí)不再為無(wú)窮大。實(shí)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(wú)窮大向性也不是無(wú)窮大,

9、, 而只能在而只能在30dB30dB左右。左右。 耦合器基礎(chǔ)知識(shí) 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(shí)現(xiàn)主波導(dǎo)的定向輸出相互干涉而實(shí)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(shí)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(zhǎng)度和間距

10、均為中心波長(zhǎng)其中分支線的長(zhǎng)度和間距均為中心波長(zhǎng)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(gè)分支線特兩個(gè)分支線特性阻抗分別為和。下面來(lái)討論雙分支定向耦合性阻抗分別為和。下面來(lái)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(shí) 假設(shè)輸入電壓信號(hào)從端口假設(shè)輸入電壓信號(hào)從端口“” ”經(jīng)經(jīng)A A點(diǎn)輸點(diǎn)輸入入, , 則到達(dá)則到達(dá)D D點(diǎn)的信號(hào)有兩路點(diǎn)的信號(hào)有兩路, , 一路是由一路是由分支線直達(dá)分支線直達(dá), , 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(dá)的波行程差為路徑到達(dá)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(shí)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(dá)的兩路信號(hào)的振幅相使到達(dá)的兩路信號(hào)的振幅相等等, , 則端口則端口“” ”處的

12、兩路信號(hào)相互抵消處的兩路信號(hào)相互抵消, , 從而實(shí)現(xiàn)隔離從而實(shí)現(xiàn)隔離 同樣由同樣由ACAC的兩路信號(hào)為同相信號(hào)的兩路信號(hào)為同相信號(hào), , 故故在端口在端口“” ”有耦合輸出信號(hào)有耦合輸出信號(hào), , 即端口即端口“” ”為耦合端。耦合端輸出信號(hào)的大小為耦合端。耦合端輸出信號(hào)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(jì)下面給出微帶雙分支定向耦合器的設(shè)計(jì)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(shí)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(shí) 定向耦合器的原理圖耦合器基礎(chǔ)知識(shí) 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(gè)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(hào)送入時(shí)，A、B有電流I 流過(guò)，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(guò)C、R1流到外導(dǎo)體，這個(gè)電流在R1上將產(chǎn)生一個(gè)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(gè)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(gè)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(shí)現(xiàn)了定向耦合的作用，輸出電壓E通過(guò)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(jī)器發(fā)向天線的實(shí)際功率。耦合器基礎(chǔ)知識(shí) 5 耦合器得用途功率控制的在各個(gè)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(shí)PA的功率較大，對(duì)線性度的挑戰(zhàn)也不叫苛刻，稍微冒大一點(diǎn)可能會(huì)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(lái)跳去，有時(shí)會(huì)跳fail。另外一方面就是校準(zhǔn)之后，小功率會(huì)比較準(zhǔn)確而大功率會(huì)有相對(duì)較大的誤差，主要有兩方面的原因，其一是功率校準(zhǔn)時(shí)通過(guò)取點(diǎn)內(nèi)插法實(shí)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(shí)際的特性直線（曲線），而在大功率下，其功率可能會(huì)接近壓縮，曲線會(huì)有所失真，這樣通過(guò)差值得到的曲線，除非取點(diǎn)很多，否則很難精準(zhǔn)模擬實(shí)際特性曲線，所以在PA輸出加一功率檢測(cè)反饋回路保證功率的精確性耦合器基礎(chǔ)知識(shí) 功率控制的在各個(gè)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(shí)PA的功率較大，對(duì)線性度的挑戰(zhàn)也不叫苛刻，稍微冒大一點(diǎn)可能會(huì)連帶處調(diào)變參數(shù)，如ACP