第三章 微波集成無源電路電子科大-3.4耦合微帶定向耦合器.

1、電子科技大學電子工程學院微波集成電路講義3.4 耦合微帶線帶線定向耦合器p概述概述u由電長度為由電長度為/2的耦合微的耦合微帶線構成，帶線構成，為輸入端、為輸入端、 為輸出端、為輸出端、 為耦合為耦合端、端、 為隔離端。為隔離端。u-為為主線主線， -為為副線。副線。主線主線和副線上信號傳輸和副線上信號傳輸方向相反，又稱為方向相反，又稱為“反向定向耦合器反向定向耦合器”u一般為弱耦合情況（一般為弱耦合情況（-20dB-20dB），主線上傳輸大功率信號，），主線上傳輸大功率信號，副線耦合輸出弱的取樣信號，用于高功率信號檢測副線耦合輸出弱的取樣信號，用于高功率信號檢測等等電子科技大學電子工程學院微

2、波集成電路講義3.4 耦合微帶線帶線定向耦合器u主要技術指標主要技術指標 耦合度耦合度C：P P1 1P P2 2P P4 4P P3 3212212111()10lg10lg20lgPC dBPss 方向性方向性D：22212133131()10lg10lg20lgPssD dBPss 隔離度隔離度I：213313111()10lg10lg20lgPI dBPss 三者之三者之間間的的關關系系為為: I=C+D 理想情理想情況況下，高隔離度，高下，高隔離度，高方向性：方向性： P30，D，I電子科技大學電子工程學院微波集成電路講義3.4 耦合微帶線帶線定向耦合器p奇偶模法分析均勻介質(zhì)填充耦合

3、微帶線定向耦合器奇偶模法分析均勻介質(zhì)填充耦合微帶線定向耦合器u奇偶模特性參數(shù)：奇偶模特性參數(shù)： a1b2b4Z0Z0Z0 奇偶模激勵時的反射系數(shù)和傳輸系數(shù)奇偶模激勵時的反射系數(shù)和傳輸系數(shù)： 0o0o、 T T0o0o ; ; 0e0e、 T T0e0eu奇偶奇偶模分析法要點：模分析法要點：求解奇偶模特性求解奇偶模特性參數(shù)和參數(shù)和四端口四端口網(wǎng)絡的端口電壓、傳輸功率的網(wǎng)絡的端口電壓、傳輸功率的關系關系（耦合、隔離關系）（耦合、隔離關系） 奇偶模阻抗為：奇偶模阻抗為：Z Zcoco ， Z Zcece 均勻介質(zhì)奇偶模電長度相等均勻介質(zhì)奇偶模電長度相等:eoppvvcoel221(1)(1)CLoe

4、oeppKKKvvcLCKLCK，電子科技大學電子工程學院微波集成電路講義3.4 耦合微帶線帶線定向耦合器p奇偶模法分析均勻介質(zhì)填充耦合微帶線定向耦合器奇偶模法分析均勻介質(zhì)填充耦合微帶線定向耦合器u偶偶模激勵時，單根線對端口匹模激勵時，單根線對端口匹配負載配負載Z0歸一化轉(zhuǎn)移矩陣：歸一化轉(zhuǎn)移矩陣： 00cossinsincosCeeCeZjZaZjZ 00000000sin2cossin222cossinCeCeeCeCeeCeCeZZjZZabcdabcdZZjZZabcdZZjZZ UeUe電子科技大學電子工程學院微波集成電路講義3.4 耦合微帶線帶線定向耦合器p奇偶模法分析均勻介質(zhì)填充耦

5、合微帶線定向耦合器奇偶模法分析均勻介質(zhì)填充耦合微帶線定向耦合器u奇模激勵時，單根線對端口匹奇模激勵時，單根線對端口匹配負載配負載Z0歸一化轉(zhuǎn)移矩陣：歸一化轉(zhuǎn)移矩陣： 00cossinsincosCooCoZjZaZjZ-UoUo00000000sin2 cossin22 cossinC oC ooC oC ooC oC oZZjZZZZjZZZZjZZ耦合微耦合微帶線帶線定向耦合器定向耦合器網(wǎng)網(wǎng)絡參數(shù)絡參數(shù)可由：可由：Z0Z0、ZcOZcO、ZceZce、 確確定定電子科技大學電子工程學院微波集成電路講義3.4 耦合微帶線帶線定向耦合器p奇偶模法分析均勻介質(zhì)填充耦合微帶線定向耦合器奇偶模法分析

6、均勻介質(zhì)填充耦合微帶線定向耦合器123410aaaa，；1234bbbb、 、 、112233441VbVbVbVb a1b2b4Z0Z0Z0 各端口入射波電壓各端口入射波電壓： 各端口出各端口出射波電壓射波電壓：u設口接電壓源設口接電壓源1V，口均接匹配口均接匹配負載負載Z0。 各端口電壓：各端口電壓：電子科技大學電子工程學院微波集成電路講義3.4 耦合微帶線帶線定向耦合器p奇偶模法分析均勻介質(zhì)填充耦合微帶線定向耦合器奇偶模法分析均勻介質(zhì)填充耦合微帶線定向耦合器1212eeeaaUae2ae11211110222eUaau偶模激勵偶模激勵電壓電壓： 102403112212eeeeeeVVV

7、Vu偶偶模激勵時端口電壓模激勵時端口電壓電子科技大學電子工程學院微波集成電路講義3.4 耦合微帶線帶線定向耦合器p奇偶模法分析均勻介質(zhì)填充耦合微帶線定向耦合器奇偶模法分析均勻介質(zhì)填充耦合微帶線定向耦合器ao2ao1121111 0222oUaau奇模激勵奇模激勵電壓電壓： u奇模奇模激勵時端口電壓激勵時端口電壓121122ooooaUaU ，102403112212ooooooVVVV 電子科技大學電子工程學院微波集成電路講義3.4 耦合微帶線帶線定向耦合器p奇偶模法分析均勻介質(zhì)填充耦合微帶線定向耦合器奇偶模法分析均勻介質(zhì)填充耦合微帶線定向耦合器u利用線性疊加原理，各端口利用線性疊加原理，各端

8、口的的電壓電壓1110012220023330034440041112121212eoeoeoeoeoeoeoeoVVVbVVVbVVVbVVVb a2a11001120021300314004112121212eoeoeoeobSbSbSbS電子科技大學電子工程學院微波集成電路講義3.4 耦合微帶線帶線定向耦合器p奇偶模法分析均勻介質(zhì)填充耦合微帶線定向耦合器奇偶模法分析均勻介質(zhì)填充耦合微帶線定向耦合器u利用線性疊加原理，各端口利用線性疊加原理，各端口的的電壓電壓1110012220023330034440041112121212eoeoeoeoeoeoeoeoVVVbVVVbVVVbVVVb

9、 a2a11001120021300314004112121212eoeoeoeobSbSbSbS電子科技大學電子工程學院微波集成電路講義3.4 耦合微帶線帶線定向耦合器p奇偶模法分析均勻介質(zhì)填充耦合微帶線定向耦合器奇偶模法分析均勻介質(zhì)填充耦合微帶線定向耦合器u理想定向耦合器要求：理想定向耦合器要求：P P1 1P P2 2P P4 4P P3 3（1）理想端口匹配）理想端口匹配10011102eobS（2）理想隔）理想隔離離30031102eobS000020CC0CCCeCoCeCoeoeoZZZZZZZZZZ ZZZ Z，即：，或完全完全匹配和完全隔離匹配和完全隔離條條件件: Z0=ZC

10、電子科技大學電子工程學院微波集成電路講義3.4 耦合微帶線帶線定向耦合器0000111000000002120000sinsin11222cossin2cossinsin11222cossCeCoCeCoeoCeCoCeCoCeCeeoCeCeZZZZjjZZZZsbZZZZjjZZZZZZjZZsbZZjZZ00003130000004140000sinin2cossin11122cossin2cossin1122cosCoCoCoCoeoCeCoCeCoeoCeCeZZjZZZZjZZsbZZZZjjZZZZsbZZjZZ001sin2cossinCoCoZZjZZ電子科技大學電子工程學院

11、微波集成電路講義3.4 耦合微帶線帶線定向耦合器p奇偶模法分析均勻介質(zhì)填充耦合微帶線定向耦合器奇偶模法分析均勻介質(zhì)填充耦合微帶線定向耦合器u理想定向耦合器各端口電壓：理想定向耦合器各端口電壓：P P1 1P P2 2P P4 4P P3 311CC2220CC33204420CC1sinsin2cossin1cossin0212cossin1cossineoeoeoVaj ZZjkVbZj ZZkjVbZkVbZj ZZkj0000eoeoZZkZZ為均勻介質(zhì)填充耦合微帶線耦合系數(shù)電子科技大學電子工程學院微波集成電路講義3.4 耦合微帶線帶線定向耦合器u理想定向耦合器理想定向耦合器P P1 1

12、P P2 2P P4 4P P3 3 電壓電壓耦合系耦合系數(shù)數(shù)22121sin1cossinVjksVkj 耦合度耦合度/ /（功率）（功率）耦合系耦合系數(shù)數(shù)2221222sinsin()20lg20lg10lg1cos1cossinjkkC dBskkj 傳輸傳輸系系數(shù)數(shù) 24412111cossinVksVkj電子科技大學電子工程學院微波集成電路講義3.4 耦合微帶線帶線定向耦合器u理想定向耦合器理想定向耦合器P P1 1P P2 2P P4 4P P3 3 能量守恒：能量守恒： 耦合微耦合微帶線帶線定向耦合器是定向耦合器是全全頻頻段段9090 定向耦合器定向耦合器22221243+VVV

13、VS21和和S41相差相差90 在中心在中心頻頻率率處處， =90=90 ，耦合端，耦合端與輸與輸入端同相，入端同相，輸輸出端出端滯滯后后9090 200242141=90=901001SS1eoeoZZVVkjkVZZV ， 電子科技大學電子工程學院微波集成電路講義3.4 耦合微帶線帶線定向耦合器u理想定向耦合器理想定向耦合器P P1 1P P2 2P P4 4P P3 3 弱耦合弱耦合時時，k1k1211sinsincossinjkjksjkej224111-1-cossinjkksk ej此此時時，在在中心中心頻頻率上耦合最強，率上耦合最強，偏離中心偏離中心頻頻率越率越遠遠，耦合越弱，耦

14、合越弱電子科技大學電子工程學院微波集成電路講義3.4 耦合微帶線帶線定向耦合器u 耦合微帶線定向耦合器的耦合與奇模和偶模歸一化阻抗的耦合微帶線定向耦合器的耦合與奇模和偶模歸一化阻抗的關系關系耦合度C（dB）電壓耦合系數(shù)kZce/Z0Zco/Z0耦合度C（dB）電壓耦合系數(shù)kZce/Z0Zco/Z010.89130.23984.170160.15850.85231.17320.79430.33862.954170.14130.89741.15330.70790.41352.418180.12590.88111.13540.63100.47572.102190.11220.89341.11950.

15、56230.52931.889200.10000.90451.10660.50120.57641.735210.089130.91451.09370.44670.61841.620220.079430.92351.08380.39810.65611.542230.070790.93151.07390.35480.69011.449240.063100.93881.065100.31620.72081.387250.056230.94531.058110.28180.74851.336260.050120.95111.051120.25120.77361.293270.044670.95631.

16、046130.00390.79631.234280.039810.96101.041140.19950.81691.224290.035480.96511.036150.17780.83551.197300.031620.96891.032電子科技大學電子工程學院微波集成電路講義3.4 耦合微帶線帶線定向耦合器u耦合微帶定向耦合器設計：耦合微帶定向耦合器設計：已知端口阻抗已知端口阻抗Z0、耦合度、耦合度C/耦合系數(shù)耦合系數(shù)K，求解奇偶模參數(shù)和電長度求解奇偶模參數(shù)和電長度P P1 1P P2 2P P4 4P P3 30CeCoCZZZZ（1）令：）令：（2）耦合系數(shù)）耦合系數(shù)K：CeCoCeC

17、oZZKZZ（3）得：）得：1111CeCCoCKKZZZZKK，耦合微帶物理參數(shù)：基片厚度耦合微帶物理參數(shù)：基片厚度/線寬，基片材料，線寬，基片材料，間距等；間距等；耦合段長度取奇偶模四分之一波長平均值耦合段長度取奇偶模四分之一波長平均值電子科技大學電子工程學院微波集成電路講義3.4 耦合微帶線帶線定向耦合器p 實際耦合微帶定向耦合器具體問題實際耦合微帶定向耦合器具體問題oeppvvc 理想隔離、理想匹配理想隔離、理想匹配理想方向性耦合器是建立在均理想方向性耦合器是建立在均勻介質(zhì)填充條件下的。勻介質(zhì)填充條件下的。20CC0CC;eoeoZZ ZZZ Z，或Z0=ZC2.CeCoCZZZ2(1

18、)oeLCKCLKKK實現(xiàn)耦合端和輸入端實現(xiàn)耦合端和輸入端同相的相位條件同相的相位條件u非均勻介質(zhì)填充耦合微帶線的影響非均勻介質(zhì)填充耦合微帶線的影響電子科技大學電子工程學院微波集成電路講義3.4 耦合微帶線帶線定向耦合器222202211.11LLCeCoCCCCKKLZZZZZCKK 實際微帶線由非均勻介質(zhì)填充耦實際微帶線由非均勻介質(zhì)填充耦合微帶線，不滿足理想隔離、理合微帶線，不滿足理想隔離、理想匹配條件想匹配條件理想方向性理想方向性 0oreo0o0eree0e11CCCC00porperporper( )( )eoeeccvvvv，；e11(1)(1)(1)(1)oppLCCLvvLCK

19、KLCKK；oe電子科技大學電子工程學院微波集成電路講義3.4 耦合微帶線帶線定向耦合器P P1 1P P2 2P P4 4P P3 3 實際微帶線由非均勻介質(zhì)填實際微帶線由非均勻介質(zhì)填充耦合微帶線，不滿足理想充耦合微帶線，不滿足理想隔離理想匹配條件隔離理想匹配條件理想理想方向性方向性10011102eobS30031102eobS20CC0CCeoeoZZ ZZZ Z，或pepovv電子科技大學電子工程學院微波集成電路講義3.4 耦合微帶線帶線定向耦合器u消除非均勻介質(zhì)填充對消除非均勻介質(zhì)填充對定向耦合器定向耦合器方方向向性性影響的方法影響的方法（2 2）采取介質(zhì)加載的方法，使采取介質(zhì)加載的

20、方法，使電磁場完全在同一種介質(zhì)中分電磁場完全在同一種介質(zhì)中分布。布。（1 1）采取耦合帶狀線實現(xiàn)定向耦采取耦合帶狀線實現(xiàn)定向耦合器合器加載介質(zhì)與基片材料相同，厚度為35h電子科技大學電子工程學院微波集成電路講義3.4 耦合微帶線帶線定向耦合器u消除非均勻介質(zhì)填充對消除非均勻介質(zhì)填充對定向耦合器定向耦合器方性影響的方法方性影響的方法（3 3）采用折線邊界耦合微帶，增）采用折線邊界耦合微帶，增加奇模耦合電容，滿足匹配和隔加奇模耦合電容，滿足匹配和隔離條件以及相位條件離條件以及相位條件C0o=C1+C2C1C1C2C2 奇模奇模電場分布比偶摸電場分布在電場分布比偶摸電場分布在空氣中更多，故空氣中更多，故 eoeo eeee veo vee 增加奇模電容中增加奇模電容中C2C2