第六章定向耦合器_精品文档PPT课件下载推荐.ppt

1、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 6-2 L-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

2、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400 MHz的10 dB低通L-C支路型耦合器。Z0=50,要求S11-13dB,S21-2 dB,S31-13 dB,S41-10 dB。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

3、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

4、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 50 W=0.83 mm,L=6.02mm 主线 35.3 W=1.36 mm,L=5.84 mm,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

5、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

6、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

7、（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750 MHz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=1.6 mm，tan=0.015，材料为铜（1 mil）。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

8、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）,

9、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

10、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）

11、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

12、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

13、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

14、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20.05 GHz的9 dB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20.05 GHz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=0.8 mm，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、5.7 p1302、设计一个工作频率为40.05 GHz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,