微波報(bào)告之定向耦合器

1、目錄二、發(fā)展背景 .02三、組成及分類 .03四、原理簡(jiǎn)介 .03五、定向耦合器的基本功能和參數(shù)指標(biāo) .041、耦合度 .052、隔離性 .055、工作頻帶寬度 . 06六、定向耦合器的應(yīng)用. .08七、總結(jié). 113、定向性D.4、輸出駐波比 .05.06、前言.0八、參考文獻(xiàn) . 12定向耦合器的原理及介紹一、前言定向耦合器在微波波段有著廣泛的應(yīng)用， 其主要用途有用來監(jiān)視功 率、頻率和頻譜，把功率進(jìn)行分配和合成，構(gòu)成平衡混頻器和測(cè)量電橋, 利用定向耦合器來測(cè)量反射功率系數(shù)和功率。 它的本質(zhì)是將微波信號(hào)按 一定的定向耦合器比例進(jìn)行功率分配C、發(fā)展背景在20世紀(jì)50年代初以前，幾乎所有的微波設(shè)

2、備都采用金屬波導(dǎo)和 同軸線電路，那個(gè)時(shí)候的定向耦合器也多為波導(dǎo)小孔耦合定向耦合器， 其理論依據(jù)是Bethe小孔耦合理論，Cohn和Levy等人也做了很多貢獻(xiàn)。 隨著航空和航天技術(shù)的發(fā)展，要求微波電路和系統(tǒng)做到小型化、輕量化 和性能可靠，于是出現(xiàn)了帶狀線和微帶線。隨后由于微波電路與系統(tǒng)的 需要有相繼出現(xiàn)了鰭線、槽線、共面波導(dǎo)和共面帶狀線等微波集成傳輸 線。這樣就出現(xiàn)了各種傳輸線定向耦合器。第一個(gè)真正意義上的定向耦 合器由H. A. Wheeler在1944年設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，Wheeler使用了一對(duì)長(zhǎng)為四 分之一中心頻率波長(zhǎng)的圓柱來實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)與磁場(chǎng)的能量相互耦合，遺憾的是這種方法只能實(shí)現(xiàn)一個(gè)倍頻程的帶寬。

3、三、組成及分類定向耦合器由傳輸線構(gòu)成，同軸線、矩形波導(dǎo)、圓波導(dǎo)、帶狀線和 微帶線都可構(gòu)成定向耦合器，所以從結(jié)構(gòu)來看定向耦合器種類繁多，差 異很大。但從它的耦合機(jī)理來看主要分為四種， 即小孔耦合、平行耦合、 分支耦合以及匹配雙T。定向耦合器四、原理簡(jiǎn)介主線中傳輸?shù)墓β释ㄟ^多種途徑耦合到副線，并互相干涉而在副線 中只沿一個(gè)方向傳輸。圖1為矩形波導(dǎo)定向耦合器的三種典型耦合結(jié)構(gòu)。a是相距1/4導(dǎo)波長(zhǎng)的雙孔耦合;b是間距和長(zhǎng)度都等于1/4導(dǎo)波長(zhǎng)的雙串聯(lián)分支線耦 合；c是在裂縫區(qū)域內(nèi)TE和TE兩種傳播模式的連續(xù)耦合。以a和b兩 種結(jié)構(gòu)為例，從端口輸入的信號(hào)分兩路耦合到副線后，朝端口方向 因行程相等而同相疊

4、加，有輸出；朝方向則行程相差1/2導(dǎo)波長(zhǎng)而反相抵消，被隔離而無輸出。圖2為微帶定向耦合器的兩種典型的耦合結(jié)構(gòu)。A是間距和長(zhǎng)度都等于1/4導(dǎo)波長(zhǎng)的雙并聯(lián)的分支線耦合,b是在平行區(qū)域內(nèi)電場(chǎng)和磁場(chǎng)兩種結(jié)構(gòu)連續(xù)耦合。以b的結(jié)構(gòu)為例，從端口輸入的信號(hào)由電場(chǎng)耦合在副線的兩個(gè)端口上產(chǎn)生同相感應(yīng)電壓，磁場(chǎng)耦合則產(chǎn)生反相感應(yīng)電壓。結(jié)果在端口處相加而有輸出，處則抵消而呈隔離無輸出圖(1)圖(2)五、定向耦合器的基本功能和參數(shù)指標(biāo)定向耦合器是一個(gè)4端口網(wǎng)絡(luò)，它有輸入端口、直通端口、耦合端口和隔離端口，分別對(duì)應(yīng)圖中的1、2、3、4端口 * 邛 W広&Is- tut定向耦合器定向耦合器的主要技術(shù)指標(biāo)有耦合度、隔

5、離度、定向性、輸入駐波比及工作帶寬等，下面介紹上述各指標(biāo)1、 耦合度 耦合度C定義為輸入端口的輸入功率P1和耦合端口P3之比的分貝數(shù),耦合度C表示為：C 10lg衛(wèi)(dB)P2引入網(wǎng)絡(luò)散射參量，耦合度又可以表示為:耦合度的分貝數(shù)越大耦合越弱，通常把耦合度為0dB10dB的定向耦合器稱為強(qiáng)耦合定向耦合器，把耦合度為10dB20dB的定向耦合器稱為向耦合器2、隔離性隔離度I定義為輸入端口的輸入功率P1和隔離窗口的輸出功率P4之比的分貝數(shù)，隔離度I表示為:10lg L(dB)理想狀態(tài)下，隔離度為無窮大。3、定向性D1/2S13U_il2/2120-S31(dB)中等耦合定向耦合器，把耦合度大于20d

6、B的定向耦合器稱為弱耦合定C 10lg旦10lgP3在理想情況下，隔離端口應(yīng)沒有輸出功率，但由于設(shè)計(jì)公式及制作精度的限制，使隔離端口有一些功率輸出。通常采用耦合端口與隔離端口輸出功率之比的分貝數(shù)來表示定向耦合器的定向性，定向性D表示為：2D1噸10心20lg S3:(dB)隔離端口輸出越小，定向性越好，在理想情況下，P40,定向性D無窮大，實(shí)際使用中常對(duì)定向性提出一個(gè)最小值。4、輸出駐波比 定向耦合器除輸入端口外，其余各端口均接上匹配負(fù)載時(shí)，輸入端的駐波比為定向耦合器的駛?cè)腭v波比。輸入駐波比為：=1+Si1|S1i|5、工作頻帶寬度 滿足定向耦合器技術(shù)指標(biāo)的頻率范圍，為工作頻帶寬度，簡(jiǎn)稱為工作

7、帶微帶分支定向耦合器如下圖所示輸入口12直通口隔離口4耦合口3理想微帶分支定向耦合器的散射參量為:0j101j001S100j01j0由上式可以得出如下結(jié)論：因?yàn)镾ilS22S33S440,所以理想情況下在中心頻率他的4個(gè)端口是完全匹配的。1因?yàn)镾21j , S31寺,所以在端口1有輸入而其他端口匹配時(shí)，端口2和端口3有等幅不同相輸出，端口2輸出比端口1輸人信號(hào)滯 后90，端口3輸出比端口1輸入信號(hào)滯后180。端口2輸出和端口3輸出相位相差90，這是一個(gè)90正交3dB耦合器。因?yàn)镾440，所以在端口1有輸入而其他端口匹配時(shí)，端口4無輸出。分支線耦合器具有很好的對(duì)稱性，4端口中任何一端口均可作為

8、輸入耦合度耦合損耗2 0 0 dB通常所說的從端口1到端口2的插入損耗是傳輸損耗和耦合損耗 之和。在定向耦合器的產(chǎn)品說明中通常會(huì)對(duì)此加以特別說明。當(dāng)定向耦合器用于測(cè)試和測(cè)量時(shí)，選取的耦合度比較小，如2OdB或30dE甚至更??；而作為功率合成系統(tǒng)或者信號(hào)分配系統(tǒng)應(yīng) 用時(shí)，則會(huì)采用比較大的耦合度，如3dB,5dB和7dB等端口。因?yàn)橛?4段，所以分支線耦合器不是寬帶器件。需要特別說明的是耦合度，隔離度和方向性之間的關(guān)系為：隔離度（1）=耦合度（C） +方向性（D）耦合度是一項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)，是根據(jù)使用要求而選定的，通常為6, 1O,2O和3OdB，這樣隔離度指標(biāo)也隨之而變化；而方向性則是 一個(gè)常數(shù)。在大

9、部分定向耦合器的指標(biāo)中,通常只標(biāo)出方向性指標(biāo),隔離 度指標(biāo)可以根據(jù)耦合度計(jì)算出來。如：耦合度（C）=3OdB,方向性（D）=25dB,則隔離度（I ）=3O + 25 = 55 （d B）六、定向耦合器的應(yīng)用無論是測(cè)試和測(cè)量應(yīng)用還是系統(tǒng)內(nèi)部應(yīng)用, 定向耦合器都是一種應(yīng) 用極為廣泛的微波器件,以下舉例說明。（1）定向耦合器用于功率合成系統(tǒng)：在多載頻合成系統(tǒng)中， 通常會(huì)用到3dB的定向耦合器 （俗稱3dB電橋）方向性可達(dá)3OdB的3dB定向耦合器典型的功率合成系統(tǒng)電路常見于互調(diào)測(cè)量系統(tǒng)和多載頻的室內(nèi)分布系統(tǒng)中。在這些應(yīng)用 中，要求定向耦合器有很高的方向性(隔離度)以避免信號(hào)源之間產(chǎn)生 額外的互調(diào)分

10、量，為了提高隔離度，也可以外加一些器件如濾波器或鐵 氧體隔離器來改善。圖示3dB定向耦合器(PN 7 5 3 3 4 5)的頻率范圍為800-2 1 70 MHZ，方向性高達(dá)3 0dB，換算成 隔離度為3 3dB。(2) 用定向耦合器進(jìn)行發(fā)射機(jī)信號(hào)的取樣和監(jiān)測(cè)發(fā)射機(jī)的在線測(cè)量和監(jiān)測(cè)可能是定向耦合器最為廣泛的應(yīng)用之。蜂窩基站的典型測(cè)量應(yīng)用，如果發(fā)射機(jī)的輸出功率為43dBm (2 0W),定向耦合器的耦合度為3 0dB，插入損耗(線路損耗加耦合 損耗)為0 .15dB，則耦合端有13dBm(20mW)的信號(hào)送 到基站測(cè)試儀，定向耦合器的直通輸出為42.85dBm(19.3 W),而泄漏到隔離端的功

11、率則被一個(gè)負(fù)載吸收掉了。(3) 定向耦合器作為反射功率計(jì)用于功率和VSWR測(cè)量(反射功率計(jì))：作為通過式功率計(jì)的核心器件，定向耦合器可用于正向和反射 功率的取樣，見其中端口3用于檢測(cè)正向功率，端口4用于檢測(cè)反射功率。請(qǐng) 注意在這種應(yīng)用場(chǎng)合，定向耦合器的方向性(隔離度)指標(biāo)對(duì)測(cè)試精度 至關(guān)重要，尤其是反射功率的測(cè)試精度。假設(shè)發(fā)射機(jī)的輸出功率為50dBm（100W），被測(cè)負(fù)載的駐波比為1 .5（反射功率為4W），定向耦合器的耦合度為30dB假如隔離度為無窮大，貝 S 在端口4測(cè)到的功率即為反射功率（4mW）但由于隔離度不可能為無窮大， 出現(xiàn)在端口4的除了真正的反射功率以 外，還有一部分從端口1泄漏

12、過來的功率，這二部分功率疊加后，功率 計(jì)認(rèn)為這些都是反射功率，從而導(dǎo)致了測(cè)試誤差。產(chǎn)品具有傳輸信號(hào)帶內(nèi)平坦度好、低損耗及回波損耗小，隔離度好，體 積小等特點(diǎn)；可承受大功率沖擊，具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。 技術(shù)參數(shù) 型 號(hào)SC050825CSC060825CSC070825CSC100825C0.8dB頻率800-2500MHz范圍損 耗w 1.95dB1.7dB , w 1.25dB0.75dB駐 波w 1.25，w 1.25w 1.25， w1.25耦合度平坦度50.5dB60.5dB70.5dB10方向性20dB200W阻 抗50 Q 5N-KN環(huán)境溫度-30 C -+55 C型號(hào)SC150825

13、CSC200825CSC300825ASC400825A頻率范圍800-2500MHz功率接口型式N-KN環(huán)境溫度-30 C -+55 C參數(shù)說明通帶工作頻段：即濾波器允許通過電磁波的頻率范圍。在施 工過程中，由于室內(nèi)線路過長(zhǎng)，信號(hào)在傳導(dǎo)時(shí)損失太大，導(dǎo)至【蘑菇天 線 吸頂天線】天線端的信號(hào)覆蓋面積減小，甚至就沒信號(hào)。耦合器 就解決了這個(gè)問題，耦合器能把信號(hào)傳的更遠(yuǎn)，信號(hào)損失也很小，是線 路連接件的最佳選擇。七、總結(jié)通過本次的調(diào)查和研究 ，讓我們了解了定向耦合器的圖形結(jié)構(gòu)， 工作原理，以及定向耦合器的應(yīng)用。其基本功能為用來監(jiān)視功率、頻率 和頻譜，把功率進(jìn)行分配和合成，構(gòu)成平衡混頻器和測(cè)量電橋，利

14、用定 向耦合器來測(cè)量反射功率系數(shù)和功率。 本質(zhì)上是將微波信號(hào)按一定的定 向耦合器比例進(jìn)行功率分配。 衡量耦合器好壞的主要技術(shù)指標(biāo)有，耦合 度、隔離性、定向性D輸出駐波比、工作損0.2dB耗0.35dB0.2dB0.2dB駐1.25波1.251.251.25耦合1dB度平坦度150.9dB201dB251dB30方向性20 dB阻抗50 Q頻帶寬度。在查閱資料 的過程中我們發(fā)現(xiàn)，定向耦合器在微波元器件中最常用的器件之 一，例如在上述材料中， 定向耦合器應(yīng)用于定向耦合器用于功率合 成系統(tǒng)、 用定向耦合器進(jìn)行發(fā)射機(jī)信號(hào)的取樣和監(jiān)測(cè)、 定向耦合器 作為反射功率計(jì)， 可見定向耦合器使用極為廣泛。 我們生活中無處 不在的微波元器件，只是我們未曾發(fā)現(xiàn)，也不知道它的作用。在劉 老師的知道下， 不僅拓寬了我們的視野， 最主要的是使我們的思維方式有了一個(gè)極大的改變， 使理論與實(shí)際的結(jié)合， 方法與思想的融 匯。讓我們?cè)谏险n的過程中，學(xué)