微波電子技術(shù)-定向耦合器

1、第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 6.1 定向耦合器的基本原理定向耦合器的基本原理 6.2 集總參數(shù)定向耦合器集總參數(shù)定向耦合器6.3 耦合微帶定向耦合器耦合微帶定向耦合器6.4 分支線型定向耦合器分支線型定向耦合器6.5 環(huán)形橋定向耦合器環(huán)形橋定向耦合器第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 6.1 定向耦合器的基本原理定向耦合器的基本原理6.1.1 定向耦合器的技術(shù)指標(biāo)定向耦合器的技術(shù)指標(biāo)包括頻率范圍、 插入損耗、 耦合度、 方向性、 隔離度等。(1) 工作頻帶: 定向耦合器的功能實現(xiàn)主要依靠波程相位的關(guān)系,也就是說與頻率有關(guān)。工作頻帶確定后才能設(shè)計

2、滿足指標(biāo)的定向耦合器。(2) 插入損耗： 主路輸出端和主路輸入端的功率比值,包括耦合損耗和導(dǎo)體介質(zhì)的熱損耗。 第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 (3) 耦合度: 描述耦合輸出端口與主路輸入端口的比例關(guān)系,通常用分貝表示,dB值越大,耦合端口輸出功率越小。耦合度的大小由定向耦合器的用途決定。(4) 方向性: 描述耦合輸出端口與耦合支路隔離端口的比例關(guān)系。理想情況下,方向性為無限大。(5) 隔離度: 描述主路輸入端口與耦合支路隔離端口的比例關(guān)系。理想情況下,隔離度為無限大。描述定向耦合器特性的三個指標(biāo)間有嚴(yán)格的關(guān)系,即方向性耦合度-隔離度。第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 6.1.2 定向

3、耦合器的原理定向耦合器是個四端口網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),如圖6-1所示。第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 圖 6-1 定向耦合器方框圖定 向 耦 合 器2P23P31P14P4第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 信號輸入端1的功率為P1,信號傳輸端2的功率為P2,信號耦合端3的功率為P3,信號隔離端4的功率為P4。若P1、P2、 P3、P4皆用毫瓦（mW）來表示,定向耦合器的四大參數(shù)則可定義為：插入損耗 )()(1lg101lg10lg10)(1lg10lg10)(1lg10lg10)(1lg10lg10)(23124143241142311322112dBCdBISSPPdBDSPPdBISPPdB

4、CSPPdBT第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 6.2 6.2 集總參數(shù)定向耦合器集總參數(shù)定向耦合器 6.2.1 集總參數(shù)定向耦合器設(shè)計方法常用的集總參數(shù)定向耦合器是電感和電容組成的分支線耦合器。其基本結(jié)構(gòu)有兩種： 低通L-C式和高通L-C式,如圖6-2所示。 第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 圖 6-2 L-C分支線型耦合器(a) 低通式； (b) 高通式 CpLsP1P4LsCpP2P3(a)LpCsP1P4CsLpP2P3(b)Z0Z014231423第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 集總參數(shù)定向耦合器的設(shè)計步驟如下：步驟一: 確定耦合器的指標(biāo),包括耦合系數(shù)C(dB)、 端口

5、的等效阻抗Z0（）、電路的工作頻率fc。步驟二： 利用下列公式計算出k、Z0s及Z0p:kkZZkZZkpsc1110000010/第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 步驟三: 利用下列公式計算出元件值: （1） 低通L-C式:（2） 高通L-C式: pcpcssZfCfZL00212cppscsfZLZfC22100第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 步驟四: 利用模擬軟件檢驗,再經(jīng)過微調(diào)以滿足設(shè)計要求。 6.2.2 集總參數(shù)定向耦合器設(shè)計實例設(shè)計一個工作頻率為400 MHz的10 dB低通L-C支路型耦合器。Z0=50 ,要求S11-13dB, S21-2 dB, S31-13 dB,

6、S41-10dB。步驟一: 確定耦合器的指標(biāo),C=-10dB,fc=400MHz, Z0=50 。步驟二: 利用下列公式計算K、Z0s、 Z0p：第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 步驟三: 利用下列公式計算元件值：步驟四: 進(jìn)行仿真計算,如圖 6-3 所示。 nHfZLpFZfCcpsc68.56259. 8210201第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 圖 6-3低通L-C支路型耦合器等效電路第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 仿真結(jié)果如圖6-4所示。圖 6-4 低通L-C支路型耦合器仿真結(jié)果0.200.400.600.801.000.005.0010.0015.0020.0025.

7、0030.000.00FREQGHz第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 6.3 6.3 耦合微帶定向耦合器耦合微帶定向耦合器6.3.1 平行耦合線耦合器基本原理通常,平行耦合線定向耦合器由主線和輔線構(gòu)成,兩條平行微帶的長度為四分之一波長,如圖6-5所示。信號由1口輸入,2口輸出,4口是耦合口,3口是隔離端口。 因為在輔線上耦合輸出的方向與主線上波傳播的方向相反,故這種形式的定向耦合器也稱為“反向定向耦合器”。 當(dāng)導(dǎo)線12中有交變電流i1流過的時候,由于43線和12線相互靠近,故43線中便耦合有能量,能量既通過電場（以耦合電容表示）又通過磁場（以耦合電感表示）耦合。通過耦合電容m的耦合,在傳輸

8、線43中引起的電流為ic4和ic3。 第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 圖 6-5平行線型耦合器ZZ0oZZZ0eZP1P4P3P241243第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 同時由于i1的交變磁場的作用,在線43上感應(yīng)有電流iL。根據(jù)電磁感應(yīng)定律,感應(yīng)電流iL的方向與i1的方向相反, 如圖6-6所示。所以能量從1口輸入,則耦合口是4口。而在3口因為電耦合電流的ic3與磁耦合電流iL的作用相反而能量互相抵消,故3口是隔離口。6.3.2 平行耦合線耦合器設(shè)計方法平行線耦合定向耦合器的設(shè)計步驟如下:步驟一: 確定耦合器指標(biāo), 包括耦合系數(shù)C(dB)、 各端口的特性阻抗Z0（）、中心頻率fc

9、、基板參數(shù)（r,h）。步驟二：利用下列公式計算奇模阻抗和偶模阻抗Z0e和Z0o。 第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 14ic4Cmi1iL23ic314ic4Cmi1iL23ic314ic4Cmi1iL23ic314ic4Cmi1iL23ic3圖6-6 耦合線方向性的解釋第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 步驟三: 依據(jù)設(shè)計使用的基板參數(shù)（r, h）,利用軟件Mathcad11計算出Z0e、Z0o的微帶耦合線的寬度及間距（W, S）和四分之一波長的長度（P）。步驟四: 利用模擬MicrowaveOffice軟件檢驗,再經(jīng)過微調(diào)以滿足設(shè)計要求。 20/20/0020/20/00101101

10、101101CCoCCeZZZZ第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 6.3.3 平行耦合線耦合器設(shè)計實例設(shè)計一個工作頻率為750 MHz的10dB平行線型耦合器(Z0=50 )。步驟一: 確定耦合器指標(biāo),包括C=-10dB,fc=750MHz, FR4基板參數(shù)r=4.5, h=1.6 mm，tan=0.015,材料為銅(1 mil)。步驟二: 計算奇偶模阻抗：04.3610110137.6910110120/20/0020/20/00CCoCCeZZZZ第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 步驟三: 電路拓?fù)淙鐖D6-7 所示,利用Mathcad11軟件計算,得出耦合線寬度W=2.38mm,間

11、距S=0.31mm,長度P=57.16mm,且50微帶線寬度W50=2.92mm。第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 圖 6-7平行線型耦合器電路圖第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 Microwave Office軟件仿真結(jié)果如圖6-8 所示,圖中自上而下便是S21、 S31、 S41、 S11的dB值,這些值可以在附錄1的實驗中測量作比較。第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 圖 6-8平行線型耦合器仿真結(jié)果0.005.0010.0015.0020.0025.0030.0035.0040.000.500.550.600.650.700.750.800.850.900.951.00FRE

12、QGHzS21S31S41S11dB第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 在上述平行耦合線定向耦合器的基礎(chǔ)上,可以得到各種變形結(jié)構(gòu),如圖6-9 所示。結(jié)構(gòu)越復(fù)雜,計算越困難。在正確概念的指導(dǎo)下,實驗仍然是這類電路設(shè)計的有效方法。 第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 圖 6-9耦合線的變形(a)1423K1234K第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 圖 6-9耦合線的變形(b)(a)輸入端口隔離端口耦合端口直接端口輸入端口直接端口12耦合端口隔離端口341234C第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 SW上 置 導(dǎo) 體hhWWrr耦 合 微 帶接 地 板lW基 片覆 蓋 介 質(zhì)上 置 導(dǎo) 體

13、微 帶圖 6-9耦合線的變形(c)第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 (e)Z0Z013zlZ0)()(0oe00zZzZZ24Z0Z0Z0圖 6-9耦合線的變形第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 6.4 6.4 分支線型定向耦合器分支線型定向耦合器6.4.1 分支線型定向耦合器原理如圖6-10 所示分支線耦合器結(jié)構(gòu),各個支線在中心頻率上是四分之一波導(dǎo)波長,由于微帶的波導(dǎo)波長還與阻抗有關(guān),故圖中支線與主線的長度不等,阻抗越大, 尺寸越長。第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 圖 6-10分支線耦合器Zs2Z0Zp3串聯(lián)臂并聯(lián)臂144pg4sg第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 如果分支線

14、耦合器的各個端口接匹配負(fù)載,信號從1口輸入,4口沒有輸出,為隔離端,2口和3口的相位差為90,功率大小由主線和支線的阻抗決定。6.4.2 分支線型定向耦合器設(shè)計分支線型定向耦合器的設(shè)計步驟如下:步驟一: 確定耦合器指標(biāo),包括耦合系數(shù)C(dB)、 各端口的特性阻抗Z0（）、中心頻率fc、基板參數(shù)（r,h）。步驟二: 利用下列公式計算出支線和主線的歸一化導(dǎo)納a和b: 第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 步驟三: 計算特性阻抗Za和Zb, 以及相應(yīng)的波導(dǎo)波長。步驟四: 用軟件計算微帶實際尺寸。6.4.3 分支線型定向耦合器設(shè)計實例設(shè)計3 dB分支線耦合器,負(fù)載為50,中心頻率為 5 GHz,基板參

15、數(shù)為r9.6,h=0.8mm。步驟一: 確定耦合器指標(biāo)(略)。步驟二: 計算歸一化導(dǎo)納:b= , a=1 22211lg20babbC2第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 步驟三: 計算特性阻抗： 步驟四: 計算微帶實際尺寸: 支線 50 W=0.83 mm, L=6.02mm 主線 35.3W=1.36 mm, L=5.84 mm 3 .351150110aYYZaYYZbbaaa第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 6.5 6.5 環(huán)形橋定向耦合器環(huán)形橋定向耦合器混合環(huán)又稱環(huán)形橋,結(jié)構(gòu)如圖 6-11(a)所示。它的功能與分支線耦合器相似,不同的是兩個輸出端口的相位差為180。當(dāng)信號從端口

16、1輸入時,端口4是隔離端,端口2和端口3功率按一定比例反相輸出,也就是相位差為180。當(dāng)信號從端口4輸入時,端口1是隔離端,端口3和端口2功率按一定比例反相輸出。同樣地,端口2和端口3也是隔離的,無論從哪個口輸入信號,僅在端口1和端口4比例反相輸出。 第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 圖 6-11 微帶環(huán)形橋與波導(dǎo)魔T2143ZR2143(a)(b)4g4g4g第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 用波程相移理解這個原理比較簡單： 當(dāng)信號從端口1輸入時,到端口2為90,到端口3為270,故端口3比端口2滯后180。端口1的信號經(jīng)端口2到達(dá)端口4為180,經(jīng)端口3到達(dá)端口4為360,兩路信號性質(zhì)相反,在端口4抵消形成隔離端。理論上,環(huán)形橋的兩個輸出