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第六章 定向耦合器 在射频/微波领域按一定相位和功率关系分配功率的器件称为定向耦合器，通常具有无耗、互易、匹配的特性 在混频器、倍频器、衰减器、移相器、功率放大器等微波电路中应用较多。 定向耦合器的基本指标 1 工作频带 定向耦合器的功能实现主要依靠波程相位的关系，也就跟频率有关系 插入损耗 主路输出端和主路输入端的功率比值，包括耦合损耗以及导体介质的热损耗 耦合度 描述耦合输出端口与主路输入端的比例关系 4 方向性 描述耦合输出端与耦合支路隔离端的比例关系。理想情况下为无穷大 5 隔离度 描述主路输入端口和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 6.1 集总参数定向耦合器 集总参数定向耦合器设计公式 6.2 耦合微带定向耦合器 耦合线方向性解释 平行耦合线耦合器设计方法 6.3 Lange耦合器 6.4 3dB分之线定向耦合器 6.5 环形桥定向耦合器 6.6 波导魔T 端口的特征阻抗为Z0，环的特征阻抗为 环形桥定向耦合器特性 当信号从端口1输入时，端口4隔离无信号输出，端口2和端口3等功率反相输出 当信号从端口4输入时，从端口2和端口3等功率同相输出，端口1成为隔离端，无信号输出，端口1和端口4是隔离的 由对称性也可知，端口2和端口3也是隔离的， 从波程差角度来理解环形桥定向耦合器 1 当信号从端口1输入时，端口2的相位为90°，到端口3为270 ° ，故端口3比端口2滞后180 ° ；而端口1信号经过端口2到达端口4的相位为180 ° ，经端口3到达端口4的为360 ° ，两路信号相位相反，在端口4抵消无信号输出，而在端口2和端口3反相等功率输出 2 当信号从端口4输入时，在端口2和端口3的相位为90 ° ，端口2和端口3 相位相等；而端口4的信号经过端口2到达端口1的相位为180 ° ，经端口3到达端口1的相位为360 ° ，在端口1抵消无信号输出，而在端口2和端口3同相等功率输出 * * 插入损耗 耦合度 隔离度 方向性 低通式L-C 高通式L-C 定向耦合器参数：耦合系数C（dB）、端口等效阻抗Z0（Ω），电路的工作频率fc 低通L-C式 高通L-C式 考虑C＝-3dB时所得的定向耦合器与功率分配器的关系？ 在辅线上耦合输出的方向与主线上传播的方向相反，也称为反定向耦合器 两平行微带线的长度为四分之一波长 主传输线和辅传输线相互靠近，相互间有能量耦合，有电耦合(以耦合电容表示)，也有磁耦合(以耦合电感表示) 磁耦合：电流i1的交变磁场会在辅传输线激励起相反方向传输的电流IL 电耦合：通过耦合电容Cm的耦合，在辅传输线上激励起相反传输方向的电流ic3和ic4，与iL在端口4叠加从耦合口4输出，而在端口3相互抵消，端口3为隔离端口 1 确定耦合器指标：耦合系数C（dB），各端口的 特征阻抗Z0(Ω)，中心频率?c，基片参数(εr，h) 2 利用奇偶模阻抗计算式计算奇偶模特征阻抗 3 利用所得奇偶模特征阻抗在奇偶模特征阻抗设计数据中查得S/b,W/b(其中S为耦合线间距，W耦合线宽度，b为基片厚度) 4 用微波设计软件验证优化 例如：设计一个耦合度为15dB的微带线定向耦合器，中心频率为7.5GHz，基片厚度为0.508mm,介电常数是10 由计算公式可得奇偶模阻抗： 通过查找耦合线奇偶模特征阻抗设计数据图可得： S/d=0.85 S=0.85*0.508 =0.43mm W/d=0.9 W=0.9*0.85 =0.46mm λ/4@7.5GHz=3.9mm ADS仿真原理图 微带定向耦合器ADS仿真结果，可以在ADS中对定向耦合器优化得到更好的结果 主传输线上输入端和输出端相位相差90°，主传输线长度等于中心频率7.5GHz的四分之一个波长 多节耦合线定向耦合器 单节耦合线定向耦合器器由于需要四分之一波长长度，所以带宽上是受限制的，可以采用多节结构增加其带宽。一般做成奇数个节，在中心频率处每节的长度为四分之一波长。 单节微带定向耦合器实物图 普通的耦合线耦合器属于松耦合，耦合度一般较小。提高边缘耦合的方法是几根彼此平行的线，以便线两边缘的散射场对耦合都有贡献。Lange 耦合器就是这种耦合器的一个典型应用。 微带电路设计的Lange耦合器 优点： Lange耦合器属于紧耦合方式，很容易达到3dB耦合度 这种设计有组于补偿偶模和奇模相速不相等，提高带宽，带宽可以达到1个倍频程或者更宽 输出线之间有90°相位差，属于正交混合网络 缺点： 耦合线很窄，相互紧靠，还要横跨在耦合线的金丝跳线加工比较困难 展开型Lange