實(shí)驗05：方向耦合器(Directional-Coupler)

實(shí)驗五：方向耦合器〔DirectionalCoupler〕*實(shí)驗?zāi)康模?.了解方向耦合器的原理及根本設(shè)計方法。2.利用實(shí)驗?zāi)＝M實(shí)際測量以了解方向耦合器的特性。3.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。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。實(shí)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RF2KM5-1A、RF2KM5-2A350ΩBNC接頭2個THRU4[50Ω]負(fù)載端子2個LOAD-1、LOAD-2550ΩBNC連接線2條CA-1、CA-261MΩBNC連接線2條CA-3、CA-47MICROWAVE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)〔4－portnetwork〕，如圖5－1所示。DirectionalCouplerPort-1P1Port-2P2Port-2P3Port-4P4圖5-1方向耦合器方框圖其信號輸入端〔Port-1，InputPort〕的功率為P1，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。假設(shè)P1、P2、P3、P4皆用毫瓦〔mW〕來表示，定向耦合器的四大參數(shù)，那么可定義為：傳輸系數(shù)：耦合系數(shù)：隔離度：方向性：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-1Port-1P1P3Port-3Port-2P2LsLsCpCpZo(a)low-passtypeP4Port-4Port-1Port-1P1Port-2P2P3Port-3CsCsLpLpZo(b)high-passtypeP4Port-4圖5-2(a)低通L-C式支線型耦合器;(b)高通L-C式支線型耦合器圖5-2(d)平行線型耦合器λ/4ZoeZooPort-1圖5-2(d)平行線型耦合器λ/4ZoeZooPort-1P1Port-2P2P3Port-3P4Port-4ZoZoZoZoPort-2P2ZoZoPort-1P1ZoP3Port-3圖5-2(c)傳輸線式支線型耦合器λ/4ZosZoP4Port-4ZopZoP3Port-3圖5-2(c)傳輸線式支線型耦合器λ/4ZosZoP4Port-4Zopλ/4ZopZos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：利用以下公式計算出K、Z0S及Z0P:步驟三：利用以下公式計算出所需的值:低通L-C式高通L-G式傳輸線式假設(shè)選用微帶線來設(shè)計，那么依據(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〔W1、W2〕和四分之一波長的長度〔P1、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：利用以下公式計算出Zoe及Zoo。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，假設(shè)干小器件等。測量步驟：=1\*GB2⑴MOD-5A的P1端子的S11測量：設(shè)定頻段：BAND-3；將LOAD-1及LAOD-2分別接在模組P2及P4端子上；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。=2\*GB2⑵MOD-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。=3\*GB2⑶MOD-51的P1及P3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\*GB2⑷MOD-5A的P1及P4端子的S21測量：設(shè)定頻段：BAND-3將LAOD-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〔6-4〕中。=5\*GB2⑸MOD-5B的P1端子的S11測量：設(shè)定頻段：BAND-4；將LOAD-1及LOAD-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。=6\*GB2⑹MOD-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\*GB2⑺MOD-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。=8\*GB2⑻MOD-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。實(shí)驗紀(jì)錄：表6-1、6-2、6-3、6-4均為以下此表：硬件測量的結(jié)果建議如下為合格：RF2KM5-1AMOD-5A(400±50MHZ)S11≤-13dBS21≥-2dBS31≤-13dBS41≥-10dBRF2KM5-2AMOD-5B(750±50MHZ)S11≤-12dBS21≥-10dBS31≥-1.5dBS41≤-14dB待測模組方框圖：支路型方向耦合器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、尺寸標(biāo)準(zhǔn)、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(shí)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(shí)例分析：設(shè)計一個工作頻率為400MHz的10dB的高通L-C支路型耦合器?！瞆o=50ohm〕解:C=-10dB，fc=400MHz設(shè)計一個工作頻率為750MHz的10dB的平行線型耦合器?！瞆o=50ohm〕解：C=-10dB,fc=750MHz,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=57.1