微波技术_第6章

－30.00
－35.00
－40.00 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00 FREQ[GHz]
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。
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: 利用下列公式计算出支线和主线的归一化导
纳a和b:
•
•
⎧ ⎪C = 20 lg
b2 −1
⎨
b
⎪⎩1+ a2 = b2
• 步骤三: 计算特性阻抗Za和Zb, 以及相应的波导波长。
4
1
θ
41
θθθ
4
2
3
2
3
K
K
θ
θ
(a)
图 6-9耦合线的变形
输入端口 1
3 耦合端口
隔离端口 2
(a) 输入端口
1
4 直接端口 C
3 耦合端口 (b)
图 6-9耦合线的变形
直接端口 2
4 隔离端口
W′
上置导体
l
h W W εr
基片 W
微带
h
S
εr
耦合微带
接地板 (c)
覆盖介质
上置导体
图 6-9耦合线的变形
的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°。当信号从端口1输入时,端口4是隔离端,端 口2和端口3功率按一定比例反相输出,也就是相位差为 180°。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。同样地,端口2和端口3也是 隔离的,无论从哪个口输入信号,仅在端口1和端口4比例反 相输出。
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。
i1
1
2
Cm
ic4
ic3
4
3
iL
图6-6 耦合线方向性的解释
• 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）。
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。
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
• 步骤三: 计算特性阻抗：
Za
=
1 Ya
=
1 aYa
= 50Ω
Zb
=
1 Yb
=
1 aY0
= 35.3Ω
• 步骤四: 计算微带实际尺寸:
• 支线 50 ΩW=0.83 mm, L=6.02mm • 主线 35.3ΩW=1.36 mm, L=5.84 mm
6.5 环形桥定向耦合器
• 混合环又称环形桥,结构如图 6-11 (a) 所示。它
λg
2
4
4
λg
λg
4
4
1 3
2
1
3
ZR 4
(a)
(b)
图 6-11 微带环形桥与波导魔T
• 用波程相移理解这个原理比较简单： 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。
Z0s = Z0 1− k
Z0p = Z0
1− k k
• 步骤三: 利用下列公式计算出元件值:
• （1） 低通L-C式:
Ls
=
Z0s 2πfc
Cp
=
1 2πfc Z0 p
• （2） 高通L-C式:
Cs
=
1 2πf c Z 0 s
Lp

=
Z0 p 2πfc
• 步骤四: 利用模拟软件检验,再经过微调以满足设计要求。
可定义为：
• 插入损耗
• •
T (dB ) = −10 lg P2 = 10 lg 1
耦合度
P1
S21 2
C(dB) = −10 lg P3 = 10 lg 1
• 方向性
P1
S31 2
I (dB) = −10 lg P4 = 10 lg 1
• 隔离度
P1
S41 2
D(dB) = −10 lg P3 = 10 lg 1 −10 lg 1 = I (dB) − C(dB)
•
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
Zs
1
2
串联臂
Z0
λgp
4
并联臂
Zp
4
3
λgs
4
图 6-10分支线耦合器
5
• 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。
• 6.4.2 分支线型定向耦合器设计
•
分支线型定向耦合器的设计步骤如下:
•
• 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。
• 合环的设计关键就是按照分配比计算阻抗值和长 度。对于等分环形桥,有
•
Z1=Z2= 2 Z0
•
• 每个端口之间的距离为λg/4或3λg/4。
谢谢！
图 6-7平行线型耦合器电路图
• Microwave Office 软件仿真结果如图
6-8 所示,图中自上而下便是S21、 S31、 S41、 S11的dB值,这些值可以在附录1的实 验中测量作比较。
dB
0.00
S21 －5.00
－10.00 S31
－15.00
－20.00
S41
－25.00 S11
P4
S41 2
S31 2
1
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。
1 Z0
Ls
P1
Cp
4
Ls
P4
2 P2
Cp
3 P3
1 Z0
Cs
P1
Lp
4
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
Z
0o
Z
Z
λ
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 6-3低通L-C支路型耦合器等效电路
2
仿真结果如图6-4所示。
0.00
－5.00
－10.00
－15.00
－20.00
－25.00
－30.00
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
FREQ[GHz]
图 6-4 低通L-C支路型耦合器仿真结果
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
• 步骤四: 用软件计算微带实际尺寸。
• 6.4.3 分支线型定向耦合器设计实例
•
设计3 dB 分支线耦合器,负载为50Ω ,中心频率为 5
GHz ,基板参数为εr＝9.6, 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= 2 , a=1
• 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,阻抗差别过大难于实现。工程中,常用 的环形桥两个输出口是等功率的。
•
6
• 等功率输出环形桥与波导魔T如图6-11 (b) 所
示,两者有相同的性质,故环形桥又称魔T。其用途与分 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,实现微 波电子线路不如分支线方便。