微波電子技術-定向耦合器課件

第6章

定向耦合器

6.1定向耦合器的基本原理

6.2集總參數(shù)定向耦合器6.3耦合微帶定向耦合器6.4分支線型定向耦合器6.5環(huán)形橋定向耦合器6.1定向耦合器的基本原理 6.1.1定向耦合器的技術指標 定向耦合器的技術指標包括頻率范圍、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系,也就是說與頻率有關。工作頻帶確定后才能設計滿足指標的定向耦合器。 (2)插入損耗：

主路輸出端和主路輸入端的功率比值,包括耦合損耗和導體介質(zhì)的熱損耗。

(3)耦合度: 描述耦合輸出端口與主路輸入端口的比例關系,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間有嚴格的關系,即方向性＝耦合度-隔離度。圖6-1定向耦合器方框圖

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

6.2集總參數(shù)定向耦合器 6.2.1集總參數(shù)定向耦合器設計方法 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。其基本結構有兩種：低通L-C式和高通L-C式,如圖6-2所示。

圖6-2L-C分支線型耦合器(a)低通式；(b)高通式

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: 步驟三:利用下列公式計算元件值： 步驟四:進行仿真計算,如圖6-3所示。仿真結果如圖6-4所示。圖6-4低通L-C支路型耦合器仿真結果6.3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”。當導線1—2中有交變電流i1流過的時候,由于4—3線和1—2線相互靠近,故4—3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Ｃm的耦合,在傳輸線4—3中引起的電流為ic4和ic3。圖6-5平行線型耦合器

同時由于i1的交變磁場的作用,在線4—3上感應有電流iL。 根據(jù)電磁感應定律,感應電流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計方法 平行線耦合定向耦合器的設計步驟如下: 步驟一:確定耦合器指標,包括耦合系數(shù)C(dB)、各端口的特性阻抗Z0（Ω）、中心頻率fc、基板參數(shù)（εr,h）。 步驟二：利用下列公式計算奇模阻抗和偶模阻抗Z0e和Z0o。圖6-6耦合線方向性的解釋

6.3.3平行耦合線耦合器設計實例 設計一個工作頻率為750MHz的10dB平行線型耦合器(Z0=50Ω)。 步驟一:確定耦合器指標,包括C=-10dB,fc=750MHz,FR4基板參數(shù)εr=4.5,h=1.6mm，tanδ=0.015,材料為銅(1mil)。 步驟二:計算奇偶模阻抗： 步驟三: 電路拓撲如圖6-7所示,利用Mathcad11軟件計算,得出耦合線寬度W=2.38mm,間距S=0.31mm,長度P=57.16mm,且50Ω微帶線寬度W50=2.92mm。 MicrowaveOffice軟件仿真結果如圖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。圖6-8平行線型耦合器仿真結果圖6-9耦合線的變形圖6-9耦合線的變形圖6-9耦合線的變形6.4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構,各個支線在中心頻率上是四分之一波導波長,由于微帶的波導波長還與阻抗有關,故圖中支線與主線的長度不等,阻抗越大,尺寸越長。圖6-10分支線耦合器

如果分支線耦合器的各個端口接匹配負載,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計 分支線型定向耦合器的設計步驟如下: 步驟一:確定耦合器指標,包括耦合系數(shù)C(dB)、各端口的特性阻抗Z0（Ω）、中心頻率fc、基板參數(shù)（εr,h）。 步驟二:利用下列公式計算出支線和主線的歸一化導納a和b:

步驟三:計算特性阻抗Za和Zb,以及相應的波導波長。 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計實例 設計3dB分支線耦合器,負載為50Ω,中心頻率為5GHz,基板參數(shù)為εr＝9.6,h=0.8mm。 步驟一:確定耦合器指標(略)。 步驟二:計算歸一化導納: b=,a=1

步驟三:計算特性阻抗： 步驟四:計算微帶實際尺寸: 支線50ΩW=0.83mm,L=6.02mm

主線35.3ΩW=1.36mm,L=5.84mm

6.5環(huán)形橋定向耦合器 混合環(huán)又稱環(huán)形橋,結構如圖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°。當信號從端口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。

圖6-11微帶環(huán)形橋與波導魔T 用波程相移理解這個原理比較簡單：當信號從端口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到達端口4為180°,經(jīng)端口3到達端口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)形橋的兩個輸出口的功率比值可以是任意的,實際中,各個環(huán)段上的阻抗不宜相差太大,阻抗差別過大難于實現(xiàn)。工程中,常用的環(huán)形橋兩個輸出口是等功率的。

等功率輸出環(huán)形橋與波導魔T如圖6-11(b)所示,兩者有相同的性質(zhì),故環(huán)形