【2017年整理】微波电子技术-定向耦合器.ppt

第6章 定向耦合器 ;6.1 定向耦合器的基本原理; (3) 耦合度: 描述耦合输出端口与主路输入端口的比例关系,通常用分贝表示,dB值越大,耦合端口输出功率越小。耦合度的大小由定向耦合器的用途决定。 (4) 方向性: 描述耦合输出端口与耦合支路隔离端口的比例关系。理想情况下,方向性为无限大。 (5) 隔离度: 描述主路输入端口与耦合支路隔离端口的比例关系。理想情况下,隔离度为无限大。 ? 描述定向耦合器特性的三个指标间有严格的关系,即方向性＝耦合度-隔离度。; 6.1.2 定向耦合器的原理 ? 定向耦合器是个四端口网络结构,如图6-1所示。 ;图 6-1 定向耦合器方框图; 信号输入端1的功率为P1,信号传输端2的功率为P2,信号耦合端3的功率为P3,信号隔离端4的功率为P4。若P1、P2、 P3、P4皆用毫瓦（mW）来表示,定向耦合器的四大参数则可定义为： 插入损耗  ;6.2 集总参数定向耦合器;图 6-2 L-C分支线型耦合器 (a) 低通式； (b) 高通式 ; 集总参数定向耦合器的设计步骤如下： 步骤一: 确定耦合器的指标,包括耦合系数C(dB)、 端口的等效阻抗Z0（Ω）、电路的工作频率fc。 步骤二： 利用下列公式计算出k、Z0s及Z0p: ; 步骤三: 利用下列公式计算出元件值: （1） 低通L-C式: （2） 高通L-C式: ; 步骤四: 利用模拟软件检验,再经过微调以满足设计要求。 6.2.2 集总参数定向耦合器设计实例 设计一个工作频率为400 MHz的10 dB低通L-C支路型耦合器。Z0=50 Ω,要求S11≤-13dB, S21≥-2 dB, S31≤-13 dB,S41≥-10dB。 步骤一: 确定耦合器的指标,C=-10dB,fc=400MHz, Z0=50 Ω。 步骤二: 利用下列公式计算K、Z0s、 Z0p：; 步骤三: 利用下列公式计算元件值： 步骤四: 进行仿真计算,如图 6-3 所示。 ;图 6-3低通L-C支路型耦合器等效电路;仿真结果如图6-4所示。;6.3 耦合微带定向耦合器;图 6-5平行线型耦合器; 同时由于i1的交变磁场的作用,在线4—3上感应有电流iL。 根据电磁感应定律,感应电流iL的方向与i1的方向相反, 如图6-6所示。所以能量从1口输入,则耦合口是4口。 而在3口因为电耦合电流的ic3与磁耦合电流iL的作用相反而能量互相抵消,故3口是隔离口。 6.3.2 平行耦合线耦合器设计方法 平行线耦合定向耦合器的设计步骤如下: 步骤一: 确定耦合器指标, 包括耦合系数C(dB)、 各端口的特性阻抗Z0（Ω）、中心频率fc、基板参数（εr,h）。 步骤二：利用下列公式计算奇模阻抗和偶模阻抗Z0e和Z0o。 ;; 步骤三: 依据设计使用的基板参数（εr, h）,利用软件Mathcad11计算出Z0e、Z0o的微带耦合线的宽度及间距（W, S）和四分之一波长的长度（P）。 步骤四: 利用模拟Microwave　Office软件检验,再经过微调以满足设计要求。 ; 6.3.3 平行耦合线耦合器设计实例 设计一个工作频率为750 MHz的10dB平行线型耦合器(Z0=50 Ω)。 步骤一: 确定耦合器指标,包括C=-10dB,fc=750MHz, FR4基板参数εr=4.5, h=1.6 mm，tanδ=0.015,材料为铜(1 mil)。 步骤二: 计算奇偶模阻抗：; 步骤三: 电路拓扑如图6-7 所示,利用Mathcad11软件计算,得出耦合线宽度W=2.38mm,间距S=0.31mm,长度P=57.16mm,且50Ω微带线宽度W50=2.92mm。 ;图 6-7平行线型耦合器电路图; Microwave Office软件仿真结果如图6-8 所示,图中自上而下便是S21、 S31、 S41、 S11的dB值,这些值可以在附录1的实验中测量作比较。 ;图 6-8平行线型耦合器仿真结果; 在上述平行耦合线定向耦合器的基础上,可以得到各种变形结构,如图6-9 所示。结构越复杂,计算越困难。在正确概念的指导下,实验仍然是这类电路设计的有效方法。 ;图 6-9耦合线的变形;图 6-9耦合线的变形;图 6-9耦合线的变形;图 6-9耦合线的变形;6.4 分支线型定向耦合器;图 6-10分支线耦合器; 如果分支线耦合器的各个端口接匹配负载,信号从1口输入,4口没有输出,为隔离端,2口和3口的相位差为90°,功率大小由主线和支线的阻抗决定