第六章定向耦合器_精品文档PPT课件下载推荐.ppt

第六章定向耦合器_精品文档PPT课件下载推荐.ppt

《第六章定向耦合器_精品文档PPT课件下载推荐.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第六章定向耦合器_精品文档PPT课件下载推荐.ppt（80页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

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。

6.1.2混合接头与耦合器的原理以四端口网络结构为例,描述定向耦合器特性的三个指标间有严格的关系,即方向性隔离度-耦合度。

图6-1耦合器方框图,定向耦合器的参数则可定义为：

插入损耗,方向性,耦合度,隔离度,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。

图6-2L-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：

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（）、电路的工作频率fc。

步骤二：

利用公式计算出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,再微调。

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400MHz的10dB低通L-C支路型耦合器。

Z0=50,要求S11-13dB,S21-2dB,S31-13dB,S41-10dB。

确定耦合器的指标,C=-10dB,fc=400MHz,Z0=50。

步骤二:

计算K、Z0s、Z0p：

利用下列公式计算元件值：

图6-3低通L-C支路型耦合器等效电路,步骤四:

仿真计算。

图6-4低通L-C支路型耦合器仿真结果,6.3分支线型定向耦合器,6.3.1分支线型定向耦合器原理如图示,各条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6-5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。

6.3.2分支线型定向耦合器设计设计步骤:

确定耦合系数C（dB）、各端口的特性阻抗Z0（）、中心频率fc、基板参数（r,h）。

计算支线和主线的归一化导纳a和b:

计算特性阻抗Za和Zb和相应的波导波长。

步骤四:

用软件计算微带实际尺寸。

6.3.3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。

确定耦合器指标。

计算归一化导纳:

b=,a=1,步骤三:

计算特性阻抗：

计算微带实际尺寸:

支线50W=0.83mm,L=6.02mm主线35.3W=1.36mm,L=5.84mm,6.3.4如何直接写出其S矩阵（3dB）？

6.3.5如何由奇偶模分析法验证其S矩阵？

对于偶模，,对于奇模，,奇偶模叠加，得,当频率在中心频率附近变化10%时，相差也改变50，由于超出带宽10%外的隔离度不能接受，其有用带宽限制在10%，理论上能设计成39dB的耦合度。

a2,a1,b,接上页,分支线定向耦合器,分支线耦合器可增加节数以拓展带宽,尺寸压缩的准集中式分支线耦合器,取的结果,可提供更宽的带宽，但需接地点,分支线耦合器的另一类型：

圆形分支线耦合器,6.4耦合线定向耦合器,6.4.1平行耦合线耦合器基本原理通常,它由主线和辅线构成,两条平行微带的长度为四分之一波长。

信号由1口输入,2口输出,4口是耦合口,3口是隔离端口。

因在辅线上耦合输出的方向与主线上波传播的方向相反,它也被称为“反向定向耦合器”。

当导线12中有交变电流i1流过的时候,由于43线和12线相互靠近,43线中耦合有能量,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m的耦合,在传输线43中引起的电流为ic4和ic3。

图6-6平行线型耦合器,图6-7耦合线方向性的解释,同时由于i1的交变磁场的作用,在线43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,所以能量从1口输入,耦合口就是4口。

而在3口因为电耦合电流的ic3与磁耦合电流iL的相位相反而叠加抵消,故3口是隔离口。

6.4.2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:

计算奇模阻抗和偶模阻抗Z0e和Z0o。

依据基板参数（r,h）,利用软件ADS计算微带耦合线的宽度及间距（W,S）和四分之一波长的长度（P）。

6.4.3平行耦合线耦合器设计实例设计一个工作频率为750MHz的10dB平行线型耦合器（Z0=50）。

确定,包括C=-10dB,fc=750MHz,FR4基板参数r=4.5,h=1.6mm，tan=0.015，材料为铜（1mil）。

计算奇偶模阻抗：

建立图示电路拓扑,计算得W=2.38mm,S=0.31mm,P=57.16mm,且50微带线宽度W50=2.92mm。

图6-8平行线型耦合器电路图,仿真结果如图示。

图6-9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。

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6-10耦合线的变形（多节，改善频率特性）,宽频带的多节耦合器，可以制作成关于中央节对称的，也可制作成不对称的。

宽频带的多节耦合器，当节数足够多，可变形成锯齿型,Lange耦合器，也称交指耦合器，左为四指耦合，右为其展开型，使线两边的杂散场对耦合也有贡献，实现紧耦合。

这样容易达到3dB耦合，并有一个倍频程或更宽的带宽。

图6-10耦合线的变形（增大耦合度，紧耦合）,平行耦合有窄边耦合和宽边耦合形式，其特性可由偶模和奇模的适当线性组合实现。

一般带状线耦合为TEM波，微带线为准TEM波。

图6-10耦合线的变形（微带线的宽边耦合与窄边耦合）,图6-10耦合线的变形（高方向性）,图6-10耦合线的变形（拓展带宽）,6.5环形桥定向耦合器,混合环又称环形桥,两个输出端口相差180。

也称为鼠笼式混合接头，匹配T型混合接头（魔T）,用波程相移解释：

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360,两路信号相位相反,在端口4抵消形成隔离端。

理论上,环形桥的两个输出口的功率比值可以是任意的,实际中,各个环段上的阻抗不宜相差太大,差别过大难于实现。

工程中,两个输出口多是等功率的。

等功率输出环形桥的用途与分支线相同,频带和隔离特性比分支线更好。

由于隔离口夹在两个输出口之间,输出信号要跨过隔离端,实现起来不如分支线方便。

混合环的设计关键是按照分配比计算阻抗值和长度。

对于等分环形桥,有Z1=Z2=Z0每个端口之间的距离为g/4或3g/4。

带宽约为20%。

6.5.1如何直接写出其S矩阵（3dB）？

6.5.2如何由奇偶模分析法验证其S矩阵？

和端口与差端口：

当信号从端口3和端口2输入时，在端口1将形成输入信号的和，在端口4将形成输入信号的差，因此称端口1为和端口，端口4为差端口。

让单位振幅波信号从和端口

（1）输入,对于偶模，,对于奇模，,按转移矩阵的定义和它与反射系数、传输系数的关系，可得,让单位振幅波信号从差端口（4）输入,对于偶模，,对于奇模，,按转移矩阵的定义，可得,改进的鼠笼式混合接头,比常规鼠笼式混合接头可提供宽得多的带宽，且尺寸更小,改进的鼠笼式混合接头,改进的鼠笼式混合接头,尺寸压缩的准集总式环形桥（鼠笼式混合接头）,集中参数环形桥（鼠笼式混合接头）,设计还需考虑：

1、导体损耗和介质损耗2、对于不连续性和杂散的补偿设计3、介质结构的异向性，造成奇、偶模的不同相速，使定向性变差，有以下方法作适当改进利用屏蔽,利用集中电容利用介质重叠,6.6孔耦合定向耦合器,4端口隔离端口,2端口直通端口,1端口输入端口,3端口耦合端口,波导定向耦合器,6.6.1倍兹孔定向耦合器,小孔能用电和磁偶极矩组成的等效源替代，法向的电偶极矩和轴向的磁偶极矩向两边辐射时是偶对称的，而横向磁偶极矩的辐射是奇对称的，调整两源的相对振幅能抵消在隔离端口上的辐射，加强耦合端口上的辐射，对于平行波导，耦合是通过小孔离波导窄壁的距离s控制，而对于斜交波导，耦合是通过两波导之间的角度控制的。

6.6.2多孔耦合器及其工作原理,两孔有四分之一波长，在耦合口波同相叠加，在隔离口反向相消，耦合度有较低的频率依赖性，方向性对频率有较高的依赖。

6.6.3波导双T和魔T,魔T与混合环有相似的性质,

（1）双T及其性质,将具有共同对称面的ET接头和HT接头组合起来、平分臂，、隔离臂,性质

（1）口输入，、等幅反相输出，口输出为0

（2）口输入，、等幅同相输出，口输出为0（3）、等幅同相输入，口无输出，口有输出（4）、等幅反相输入，口有输出，口无输出（5）口输入，、等副同相输出，口无输出,由上述性质，有,魔T的S参数为,由S矩阵，端口1和4互相隔离，端口2和3也互相隔离,附：

应用奇偶模理论分析定向耦合器,设有幅度为1的波从端口1输入，分解为奇偶模激励,考虑对称性和互易性，其S矩阵为,偶模激励时，有,展开，得,引入偶模反射系数和传输系数,和,由于对称，12和34可看作两根独立且完全相同,的波导，,是其中之一的反射系数和传输系数,和,奇模激励时，有,展开，得,由各反射系数和传输系数的表示式求得S参量为,引入奇模反射系数和传输系数,和,式中的传输矩阵为,根据相应的有效介电常数和特性阻抗，可求得偶模和奇模的反射系数和传输系数,应用物理参数计算奇、偶模特性阻抗和相速，参考第二章,推导可得,特例：

纯TEM线耦合，奇偶模相速相等,对无耗互易网络，设=pi/2，可得S矩阵,由（5.55）和（5.56）式，推导可得耦合系数C和奇、偶模特性阻抗的的表达式,1、设计一个工作频率为20.05GHz的9dB高通L-C支路型耦合器。

（要求给出计算过程和ADS仿真结果）2、设计一个工作频率为20.05GHz的9dB平行线型耦合器（Z0=50）。

（要求给出计算过程和ADS仿真结果，基板选用FR4，基板参数r=4.5,h=0.8mm，tan=0.015，材料为铜（0.035mm））,第四周第二次课作业,1、微波固态电路设计第五章习题5.4

（1）p175提示：

见公式5.6、5.7p1302、设计一个工作频率为40.05GHz的3dB环形桥耦合器（Z0=50）。

（要求给出计算过程和ADS仿真结果）,第五周第一次课作业,