第5讲定向耦合器.ppt

1、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,1,6.1 定向耦合器的基本原理,定向耦合器是个四端口网络结构,如图所示。,图 6-1 定向耦合器方框图,信号输入端,信号传输端,信号隔离端,信号耦合端,2,定向耦合器的技术指标(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,(3)耦合度:描述耦合输出端口与主路输入端口的比例关系,

2、dB值越大,耦合端口输出功率越小。(4)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。(5)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。,4,6.2 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。,图 6-2 L-C分支线型耦合器(a)低通式；(b)高通式,5,6.2.2 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,要求S11-13

3、dB,S21-2 dB,S41-13 dB,S31-10dB。步骤一:确定耦合器的指标,C=-10dB,fc=400MHz,Z0=50。步骤二:利用公式计算K、Z0S、Z0p。步骤三:利用公式计算元件值：,步骤四:进行仿真计算,如图 6-3 所示。,6,图 6-3低通L-C支路型耦合器等效电路,7,图 6-4 低通L-C支路型耦合器仿真结果,S11-13dB,S21-2 dB,S41-13 dB,S31-10dB,S41,S31,S11,S21,6.3 耦合微带定向耦合器,6.3.1 平行耦合线耦合器基本原理,1-2线中有交变电流i14-3线中耦合有能量在i1的交变磁场作用下,4-3线上感应有

4、电流iL通过耦合电容m的耦合,在4-3线上引起的电流为ic4和ic3。,图 6-5平行线型耦合器,在辅线上耦合输出的方向与主线上波传播的方向相反,也称为“反向定向耦合器”,图6-6 耦合线方向性的解释,8,9,10,6.3.3 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)。步骤一:确定耦合器指标,包括C=-10dB,fc=750MHz,FR4基板参数r=4.5,h=1.6 mm，tan=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,利用软件计算,得出耦合线宽度W=2.38mm,间距S=0.31m

5、m,长度P=57.16mm,且50微带线宽度W50=2.92mm。,11,图 6-7平行线型耦合器电路图,12,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,13,图 6-9耦合线的变形,14,图 6-9耦合线的变形,15,传输线定向耦合器的设计*,*闫龙.传输线定向耦合器的设计与实现.计算机与网络.2012,6,1/4波长,分析方法：若在2、3、4端口都接以标准引出线的特性阻抗Z0作为负载阻抗，而在1口接一个内向波电压U1，则

6、根据奇、偶模分析的原理，可将其分解为一对偶模和一对奇模同时加在1、2口。则定向耦合器的四口网络问题即可简化为奇、偶模的两端口问题。可以先求出奇、偶模两网络的解，再将其叠加。,16,该文设计的定向耦合器主要指标如下：中心频率：5500 MHz；带宽：800 MHz；通带内各端口反射系数：-15 dB；定向耦合度：-25 dB；输出插损：1 dB。根据以上指标，结合设计公式，选用单节的定向耦合器。所设计的定向耦合器两边终端的引出线均是特性阻抗为50的微带线。由于耦合器在中心频率上的耦合为25 dB，由公式计算出偶模或奇模阻抗。由表查得s/h=1.6。微带线的尺寸可由印制板的具体参数决定。该定向耦合

7、器所选的印制板为Rogers R04350板材。其主要参数：介电常数：3.48；基底厚度：0.508 mm；微带线厚度：0.35m；微带线的加工精度：10mil。,17,定向耦合器的输入信号微带线的长度为波长的1/4为8mm，宽度w可由微带线计算工具得出，为1.1mm。输出阻抗与输入阻抗都是50，所以输出微带线宽度也是1.1mm。查表来确定耦合微带线的结构尺寸求出s的宽度为0.8mm。,18,定向耦合器S参数仿真,定向耦合器优化仿真图,频带内频率偏离较大，须对电路进行优化。对于微带定向耦合器，影响电路指标的主要因素为印制线的宽度与间隙。将s、L设为优化变量进行优化。设置优化目标：S11-16

8、dB，S21-25 dB。优化仿真后的曲线如图所示。,按照优化后的仿真结果尺寸进行加工，为了提高导磁率及及光洁度进而减小定向耦合器的插入损耗，印制板表面镀金。,定向耦合器测试曲线图,测试结果表明，实验结果与仿真设计结果符合性较好。定向耦合器性能指标满足了设计要求。但是插入损耗比设计的略大了些。造成该误差的主要原因是加工精度不够，接插件焊接、安装对指标的影响。,19,6.4 分支线型定向耦合器,6.4.1 分支线型定向耦合器原理各个支线在中心频率上是四分之一波导波长,由于微带的波导波长还与阻抗有关,故图中支线与主线的长度不等,阻抗越大,尺寸越长。,图 6-10 分支线耦合器,如果分支线耦合器的各

9、个端口接匹配负载。1口输入；4口隔离；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。,20,21,22,6.4.3 分支线型定向耦合器设计实例设计3dB分支线耦合器,负载为50,中心频率为5GHz,基板参数为r9.6,h=0.8mm。步骤一:确定耦合器指标(略)。步骤二:计算归一化导纳:b=,a=1 步骤三:计算特性阻抗：步骤四:计算微带实际尺寸:支线 50 W=0.83 mm,L=6.02mm 主线 35.3 W=1.36 mm,L=5.84 mm,23,6.5 环形桥定向耦合器,功能与分支线耦合器相似,不同的是两个输出端口的相位差为180。,24,当信号从端口1输入时,端口4是

10、隔离端,端口2和端口3功率按一定比例反相输出。当信号从端口4输入时,端口1是隔离端,端口3和端口2功率按一定比例反相输出。,用波程相移理解：当信号从端口1输入时,到端口2为90,到端口3为270,故端口3比端口2滞后180。端口1的信号经端口2到达端口4为180,经端口3到达端口4为360,两路信号性质相反,在端口4抵消形成隔离端。,波导耦合器的设计*,*李军.E面波导3dB耦合器的设计.真空电子技术.2011,2,图1E面缝隙波导定向耦合器,图2E面缝隙波导定向耦合器三维仿真图,25,图3S11特性,图4两输出端隔离特性,26,端口1反射在-20 dB以下,端口3和端口4的隔离度在20 dB

11、以上,图5功率分配特性,图6输入端与隔离端口的隔离特性,1端口和2端口的隔离度在16 dB以上,功率从端口1输入,经端口3和端口4等分输出,经过大量的计算,发现对传输特性曲线S31,S41影响比较大的因素有:探针的插入深度影响最大,最敏感;倒角的大小影响也比较敏感;短路面的位置影响波导与探针的耦合;可以通过改变耦合窗口的位置和宽度来调节主次波导之间的耦合系数;耦合窗的数目和宽度对带宽的影响比较显著。,图7加工的实物图,由于对腔体的重量有所限制,该文采用硬铝材料加工腔体。,27,图8测试结果,大多数指标均达到或超过设计要求。遗憾的是S41特性有点差,原因是由于采用硬铝作为腔体,损耗较大,如果改用铜材料制作腔体,并在内部镀银,此项指标一定可以得到很大改善。,28,