射频微波电路导论（第二版）第6章定向耦合器.ppt

第6章 定向耦合器 6.1 定向耦合器的基本原理 6.2 集总参数定向耦合器 6.3 耦合微带定向耦合器 6.4 分支线型定向耦合器 6.5 环形桥定向耦合器 6.1 定向耦合器的基本原理 6.1.1 定向耦合器的技术指标 定向耦合器的技术指标包括频率范围、 插入损耗、 耦合度、 方向性、 隔离度等。 (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,也就是说与频率有关。工作频带确定后才能设计满足指标的定向耦合器。 (2) 插入损耗： 主路输出端和主路输入端的功率比值,包括耦合损耗和导体介质的热损耗。 (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。 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 6.2.1 集总参数定向耦合器设计方法 常用的集总参数定向耦合器是电感和电容组成的分支线耦合器。其基本结构有两种： 低通L-C式和高通L-C式,如图6-2所示。 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。 6.3 耦合微带定向耦合器 6.3.1 平行耦合线耦合器基本原理 通常,平行耦合线定向耦合器由主线和辅线构成,两条平行微带的长度为四分之一波长,如图6-5所示。信号由1口输入,2口输出,4口是耦合口,3口是隔离端口。 因为在辅线上耦合输出的方向与主线上波传播的方向相反,故这种形式的定向耦合器也称为“反向定向耦合器”。 当导线1—2中有交变电流i1流过的时候,由于4—3线和1—2线相互靠近,故4—3线中便耦合有能量,能量既通过电场（以耦合电容表示）又通过磁场（以耦合电感表示）耦合。通过耦合电容Ｃm的耦合,在传输线4—3中引起的电流为ic4和ic3。 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=-10d