實驗05：方向耦合器(Directional Coupler)

1、實驗五：方向耦合器(DirectionalCoupler)*一實驗?zāi)康模毫私夥较蝰詈掀鞯脑砑盎驹O(shè)計方法。利用實驗?zāi)＝M實際測量以了解方向耦合器的特性。學(xué)會使用微波軟件對方向耦合器進(jìn)行設(shè)計和仿真，并分析結(jié)果二預(yù)習(xí)內(nèi)容：1、熟悉耦合原理的理論知識。2、熟悉方向耦合器的原理的理論知識。三實驗設(shè)備：項次設(shè)備名稱數(shù)量備注1MOTECHRF2000測量儀1套亦可用網(wǎng)絡(luò)分析儀2方向耦合器模組2組RF2KM5TA、RF2KM5-2A350QBNC接頭2個THRU450Q負(fù)載端子2個LOAD-1、LOAD-2550QBNC連接線2條CA-1、CA-261MQBNC連接線2條CA-3、CA-47MICROWAV

2、E軟件1套微波軟件四、理論分析：(一)方向耦合器的原理：方向耦合器是個四端口網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(4portnetwork),如圖51所示。Port-1P1cnq1Port-2Port-4-LJLJLwvzLJLvJLlcLXCouplerP2Port-2P4P3圖5-1方向耦合器方框圖其信號輸入端(Port-1,InputPort)的功率為Pl,信號傳輸端(Port-2.TransmissionPort)的功率為P2，信號耦合端(Port-3.CouplingPort)的功率為P3，而信號隔離端(Port-4,IsolationPort)的功率為P4。若Pl、P2、P3、P4皆用毫瓦(mW)來表示，定向

3、耦合器的四大參數(shù)，則可定義為：傳輸系數(shù)：rrtTransmission=T(dB)=10-logP2Pl耦合系數(shù)：Coupling=C(dB)=10-logP3P1隔離度：Isolation=I(dB)=10-log方向性：Directivity=D(dB)=I(dB)C(dB)常見的定向耦合器可分成支路型和平行線型兩種。其設(shè)計方法如下：1、支路型(Branch-lineCoupler)其電路根據(jù)組成元件可再分為低通L-G式、高通L-G式和傳輸線式，如圖5-2(a)(b)(c)所示。Port-1ZoP40Port-4CpLssP2P1Port-2P3Port-3(a)low-passtype圖

4、5-2(a)低通L-C式支線型耦合器;(b)高通L-C式支線型耦合器Port-1Port-2P4P1Zo卜入/4TZoZopP2入/4P3Port-3Port-4Port-4Port-3圖5-2(d)平行線型耦合器圖5-2(c)傳輸線式支線型耦合器其設(shè)計步驟如下：步驟一:決定耦合器的規(guī)格。包括耦合系數(shù)C(dB)、端口的等效阻抗Zo(ohm)、電路使用的中心頻率，fc(Hz)。步驟二：利用下列公式計算出K、Z及Z:0S0P1-KK=10c/ioZ=Zgl-KZ=Zo一Os0p步驟三：利用下列公式計算出所需的值：a)低通L-C式Z1L=_0C=S2吋p2吋Zcc0pb)高通L-G式1ZC=L=2-

5、s2nfZP2吋c0scc)傳輸線式若選用微帶線來設(shè)計，則依據(jù)使用基板參數(shù)(Er、h等)利用軟件計算出Zos及Zop的微帶線寬度(Wl、W2)和四分之一波長的長度(Pl、P2)。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。2、平行線型(Parallel-lineCoupler)此電路結(jié)構(gòu)如圖5-2(d)所示，常用微帶線(Microstripline)來設(shè)計。其設(shè)計步驟如下：步驟一:決定耦合器規(guī)格。包括耦合系數(shù)C(dB)、各端口的特性阻抗Zo(ohm)、電路使用的中心頻率，fc(Hz)、基板參數(shù)(Er，h)。步驟二：利用下列公式計算出Z及Z。oeooZoe1+10C/20=Zo1一10c

6、/20ZooI11-10C/20=1+10C/20步驟三：依據(jù)設(shè)計使用的基板參數(shù)(Er,h)，利用軟件計算出符合步驟二所算出(Zoe、Zoo)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：利用模擬軟件檢驗，再經(jīng)過微調(diào)以滿足設(shè)計要求。五、硬件測量:對支路型方向耦合器的S11及S21測量以了解支路型方向耦合器的特性。對平行線型方向耦合器的S11及S21測量以了解平行線型方向耦合電路的特性。準(zhǔn)備電腦，測量軟件，RF2000,相關(guān)模組，若干小器件等。3測量步驟：(1)M0D-5A的P1端子的S11測量：設(shè)定頻段：BAND-3；將L0AD-1及LA0D-2分別接在模組P2及P4端

7、子上；將于RF2000RF-IN端子連接的CA-1接在模組P3端子上；對模組P1端子做S11測量，并將測量結(jié)果記錄于表(6-1)中。MOD-5A的P1及P2端子的S21測量：設(shè)定頻段：BAND-3；將LOAD-1及LOAD-2分別接在模組P3及P4端子上；對模組P1及P2端子做S21測量，并將測量結(jié)果記錄于表(6-2)中。MOD-51的Pl及P3端子的S21測量：設(shè)定頻段：BAND-3；將L0AD-1及L0AD-2分別接在模組P2及P4端子上；對模組P1及P3端子做S21測量，并將測量結(jié)果記錄于表（6-3）中。（4）MOD-5A的P1及P4端子的S21測量:設(shè)定頻段:BAND-3將LAOD-1

8、及LOAD-2分別接在模組P2及P3端子上；對模組P1及P4端子做S21測量，并將測量結(jié)果記錄于表（6-4）中。M0D-5B的P1端子的S11測量：設(shè)定頻段：BAND-4；將LOAD-1及L0AD-2分別接在模組P2及P4端子上；將于RF-2000RF-IN端子連接的CA-1接在模組P3端子上；對模組P1端子做S11測量，并將測量結(jié)果記錄于表（7-1）中。MOD-5B的P1及P2端子的S21測量：設(shè)定頻段：BAND-4；將LOAD-1及LOAD-2分別接在模組P3及P4端子上；對模組P1及P2端子做S21測量，并將測量結(jié)果記錄于表（7-2）中。（7）MOD-5B的P1及P3端子的S21測量：設(shè)

9、定頻段：BAND-4；將LOAD-1及LOAD-2分別接在模組P2及P4端子上；對模組P1及P3端子做S21測量，并將測量結(jié)果記錄于表（7-3）中。MOD-5B的P1及P3端子的S21測量：設(shè)定頻段：BAND-4；將LOAD-1及LOAD-2分別接在模組P2及P3端子上；對模組P1及P4端子做S21測量，并將測量結(jié)果記錄于表（7-4）中。4實驗紀(jì)錄：表6-1、6-2、6-3、6-4均為以下此表：OdB5硬件測量的結(jié)果建議如下為合格：RF2KM5-1AM0D-5A(40050MHZ)S11W-13dBS21-2dBS31W-13dBS41-10dBRF2KM5-2AMOD-5B(75050MHZ

10、)S11-12dBS21-10dBS31-1.5dBS41W-14dB6待測模組方框圖:PlP2P3P450H0D-5kriF3支路型方向耦合器H0D-5B平行線型方向耦合器六、軟件仿真：1、按公式計算出相應(yīng)的元件值。2、在原理圖上設(shè)計好相應(yīng)的電路，設(shè)置好端口，完成頻率設(shè)置、尺寸規(guī)范、器件的加載、仿真圖形等等的設(shè)置。3、最后進(jìn)行仿真，結(jié)果應(yīng)接近實際測量所得到的仿真圖形。4、電路圖如圖5-2(b)高通L-C式支路型耦合器。七、實例分析：(一)設(shè)計一個工作頻率為400MHz的10dB的高通L-C支路型耦合器。(Zo=50ohm)解：C=-10dB，fc=400MHzK=10c/io=0.1Z0s=叫K=4743。Z0p=忙=1500cSLP二8.39pF12fc0sZ=59.68nH2吋c（二）設(shè)計一個工作頻率為750MHz的10dB的平行線型耦合器。（Zo=50ohm）解：C=-10dB,fc=750MHz,Zoe二69.37O二Zo:j+10C”|1-10C/20I1-10C/20Z二Zo二36.04Ooo1+10c/20選用FR4基板，其參數(shù)為Er=4.5、h=1.6mm、TAND=0.015、Metal=Cu，1mil、HU=10mm。經(jīng)軟件計算出其耦合線寬度W=2.38mm，間距S=0.31mm及長度P=57.16mm，