射频微波电路导论(第二版) 第6章 定向耦合器

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:
k 10c/10
Z0s Z0 1 k 1 k
Z0p Z0 k
步骤三: 利用下列公式计算出元件值: （1） 低通L-C式:
Ls
Z0s
源自文库2fc
Cp
1
ic 3Cm
ic 4
ic 3
4
4
3
3
iL
iL
图6-6 耦合线方向性的解释
Z0e Z0
110C / 20 110C / 20
110C / 20 Z0o Z0 110C / 20
步骤三: 依据设计使用的基板参数（εr, h）,利 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）。
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,
仿真结果如图6-4
0.00
－ 5.00
－ 10. 00
－ 15. 00
－ 20. 00
－ 25. 00
－ 30. 00
0.00
0.20
0.40
0.60
FREQ[GHz]
0.80
1.00
图 6-4 低通L-C支路型耦合器仿真结果
6.3
6.3.1
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。
插入损耗
T (dB) 10lg P2 10lg 1
P1
S21 2
C(dB) 10lg P3 10lg 1
P1
S31 2
I (dB) 10lg P4 10lg 1
P1
S41 2
D(dB) 10lg P3 10lg 1 10lg 1 I (dB) C(dB)
P4
S41 2
S31 2
6.2
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。
6.2.1 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。
1 Z0
Ls
P1
Cp
4
Ls
P4
(a)
2 P2
Cp
3 P3
1 Z0
Cs
P1
Lp
4
Cs
P4
2 P2
Lp
3 P3
(b)
图 6-2 L-C (a) 低通式； (b) 高通式
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。
2
1 P1
P2 定向 耦合 器
4
3
P4
P3
图 6-1 定向耦合器方框图
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：
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
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=-10dB,fc=750MHz, FR4基板参数εr=4.5, h=1.6 mm，tanδ=0.015,材料为铜(1 mil)。
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：
C1
1
2f c Z 0 s
8.59 pF
L2
Z0 p
2fc
56.68nH
步骤四: 进行仿真计算,如图 6-3 所示。
图 6-3低通L-C支路型耦合器等效电路
6.3.2
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。
i1
1
2
C i1
1
m
2
ic 4
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。
1
2
P1
P2
Z
Z
Z0e
Z0o
Z
Z
P4
4
P3
4
3
图 6-5平行线型耦合器
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。
2fcZ0 p
（2） 高通L-C式:
Cs
1
2f c Z 0 s
Lp
Z0 p
2fc
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
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。
步骤二: 计算奇偶模阻抗：
Z0e Z0
110C /20 69.37 110C / 20
110C / 20
Z0o Z0
36.04 110C / 20