射频微波电路导论课件(西电版)第6章.ppt
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,插入损耗,耦合度,隔离度,方向性,6.1 集总参数定向耦合器,低通式L-C,高通式L-C,集总参数定向耦合器设计公式,定向耦合器参数：耦合系数C（dB）、端口等效阻抗Z0（），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？,6.2 耦合微带定向耦合器,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,耦合线方向性解释,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,平行耦合线耦合器设计方法,1 确定耦合器指标：耦合系数C（dB），各端口的 特征阻抗Z0()，中心频率c，基片参数(r，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=0.85S=0.85*0.508=0.43mm,W/d=0.9W=0.9*0.85=0.46mm,/47.5GHz=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,6.3 Lange耦合器,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耦合器,所有耦合线都有相同的宽度和间距,6.4 3dB分之线定向耦合器,串联臂的特征阻抗为,并联臂的特征阻抗为Z0,奇偶模分析,对线上所有阻抗用Z0归一化，在端口1输入单位幅值1的波，采用偶模激励和奇模激励相叠加的方式来分析分支线耦合器，奇模激励为1/2,偶模激励为1/2,偶模激励,在两个端口的输入波振幅是1/2,由对称性可知，在中心线处无电流通过，相当于开路,奇模激励,在两个端口的输入波振幅是1/2,由对称性可知，在中心线处电压为零，相当于短路,各个端口的反射波的振幅可表示为,通过ABCD传输矩阵可以分别得到奇偶模的反射系数和传输系数,叠加奇偶模的到的结果可得,端口1是匹配的,端口2输出半功率，从端口1到端口2移相-90,端口3输出半功率，从端口1到端口2移相-180,端口4是隔离端，无功率输出,分之线耦合器所有端口都是匹配的，从端口1输入的功率对等的分配给端口2和端口3，这两个输出端口之间有90相移，没有功率从耦合到端口4（隔离端）,由于分支线混合网络有高度的对称性，任何端口都可以作为输入端口，输出端口总在输入端口相反的一侧，而隔离端是输入端口同侧的余下端口,由于需要由四分之一波长，分之线混合网路带宽限制在1020，可以使用多节机联的方式使带宽提高10倍或者更高,在分之线耦合器结点处的不连续性效应需要并联臂延长1020,6.5 环形桥定向耦合器,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,6.6 波导魔T,和端口1入射一个TE10模,电力线在波导4中显示出对称性，因此在端口1和端口4之间没有耦合，但对端口2和端口3有相同的耦合，结果是同相，等功率分配,差端口4入射一个TE10模,由互易性，端口1和端口4之间还是没有耦合。端口2和端口3受输入波等激励，相位相差180，等功率分配，相位反相,
