第八章 功分器耦合器设计PPT课件
功分器、耦合器、电桥_原理与分析
功分器、耦合器、电桥_原理与分析功分器、耦合器、电桥原理与分析本文主要介绍通信链路上的部分无源器件，介绍器件的外观、作用、种类、主要技术指标定义和范围等。
1功分器1）功分器的作用：是将功率信号平均地分成几份，给不同的覆盖区使用。
2）种类：功分器一般有二功分、三功分和四功分3种。
功分器从结构上分一般分为：微带和腔体2种。
腔体功分器内部是一条直径由粗到细程多个阶梯递减的铜杆构成,从而实现阻抗的变换,二微带的则是几条微带线和几个电阻组成,从而实现阻抗变换.主要指标：包括分配损耗、插入损耗、隔离度、输入输出驻波比、功率容限、频率范围和带内平坦度。
以下对各项指标进行说明:l 分配损耗：指的是信号功率经过理想功率分配后和原输入信号相比所减小的量。
此值是理论值，比如二功分3dB，三功分是4.8dB,四功分是6dB。
（因功分器输出端阻抗不同，应使用端口阻抗匹配的网络分析仪能够测得与理论值接近的分配损耗）耦合器和三功分器图示分配损耗的理论计算方法:如上图所示。
比如有一个30dBm的信号，转换成毫瓦是1000毫瓦，将此信号通过理想3功分器分成3份的话，每份功率＝1000÷3＝333.33毫瓦，将333.33毫瓦转换成dBm＝10lg333.33=25.2dBm, 那么理想分配损耗＝输入信号－输出功率＝30－25.2=4.8dB,同样可以算出2功分是3dB，4功分是6dBl 插入损耗：指的是信号功率通过实际功分器后输出的功率和原输入信号相比所减小的量再减去分配损耗的实际值，（也有的地方指的是信号功率通过实际功分器后输出的功率和原输入信号相比所减小的量）。
插入损耗的取值范围一般腔体是：0.1dB以下；微带的则根据二、三、四功分器不同而不同约为：0.4~0.2dB、0.5~0.3dB、0.7~0.4dB。
插损的计算方法：通过网络分析仪可以测出输入端A到输出端B、C、D的损耗，假设3功分是5.3dB,那么，插损＝实际损耗－理论分配损耗＝5.3dB-4.8dB=0.5dB.微带功分器的插损略大于腔体功分器,一般为0.5dB左右,腔体的一般为0.1dB左右。
耦合器原理演示幻灯片
应用范围
采矿及运输
- 传送带 - 管路泵 - 风机 - 管线压缩机
应用范围
应用范围
传送带
应用范围
磨煤机
应用范围
风机
应用范围
泵驱动
优点
调速耦合器优点 ▪ 高可靠性
▪ 快速响应 ▪ 精确的流量控制
▪ 节能 ▪ 减少泵阀磨损
调速耦合器优点 ▪ 广泛的适应性 ▪ 紧凑的设计
▪ 无载启动 ▪ 重载缓慢加速
T涡u轮rbineмашина
费丁格尔原理
液h动yd系ro统-dynamic system
驱Dr动iv机er (electric motoчая машина
W工o作rk机ing machine
工作原理
偶合器液力传动基于泵轮和涡轮的相 互作用。偶合器的泵轮和壳体组成工 作腔，涡轮被包含在工作腔内，由于 泵轮和涡轮并不接触，所以没有任何 磨损。 电机的机械能由泵轮变成液体的动能， 涡轮再将液体的动能转变成机械能
耦合器原理
基本原理
▪ 费丁格尔原理 ▪ 耦合器设计原理 ▪ 应用范围 ▪ 优点
调速意味什么 ?
工作机调速原理
福伊特调速驱动
电机
定速
工作机 定速
变速
调速范围最高可达20000转
功率 可达150 000 kW
费丁格尔原理：
由驱动机产生的机械能转换成泵轮内工作油的动能，驱动经涡轮转换为 机械能
费丁格尔原理
泵轮和涡轮上的力矩相等。 • 在能量传递过程中，涡轮的转速比泵轮的转速要低，这个转速差叫做滑差。
由于滑差的存在，使得损失的能量把工作油加热，所以增加冷油器来避免油 温持续升高。
调速设计的原理及特点
▪ 在部分负荷运行时，偶合器调速比节流控制调速效率更高； ▪ 电机无载启动，重载加速平稳； ▪ 通过液力传动，没有摩擦，运行中，使驱动机和被驱动机分离； ▪ 智能设计，操作维护简单，应用领域广，使用寿命长可靠性高； ▪ 投资少，维护成本低； ▪ 集成的快速起动装置控制精度高，反映速度快；
功分器、耦合器
功分器基本工作原理：威尔金森功率分配器的功能是将输入信号等分或不等分的分配到各个输出端口，并保持相同输出相位。
环形器虽然有类似功能，但威尔金森功率分配器在应用上具有更宽的带宽，微带型功分器的电路如图9-1所示。
其中，输入端口特性阻抗为Z0；两端分支微带线电长度为1/4波长，特性阻抗分别为Z02和Z O3，终端分别接Z O2端口1Z O3功分器各个端口的特性如下：1、端口1无反射2、端口2和端口3输出电压相等且同相3、端口2、端口3输出功率比值为任意指定值1/K2因此，1/Z IN2 +1/Z IN3 =1/Z0;K2=P3 /P2 , P3 =1/2*U32/R3, P2=1/2*U22 /R2U3= U2在四分之一波长传输线阻抗变换理论的：Z IN2 *R2= Z O22Z IN3*R3= Z O32设R2=K* Z0，则Z O2，Z O3，R3 为：Z O2= Z0 exp（K(1+ K2 )）Z O3= Z0 exp（K(1+ K2 )/K3）R3= Z0 /K为了增加隔离度在端口2和端口3之间加一贴片电阻R，隔离电阻R的电阻值为R=Z0 (K+1/K)当K=1时，上面的结果化简为功率相等情况，还可以看出，输出线是与R2=KZ0和R3=Z0/K 匹配的，而不与阻抗Z0匹配。
定向耦合器工作原理LANGE耦合器结构如图9-26所示。
端口1的输入功率一部分直接传递给直通端口2，另外一部分耦合到耦合端口3.在理想的定向耦合器中，没有功率传递到隔离端口4，LANGE耦合器的直递端口2与耦合端口3之间有90度的相位差，可见LANGE耦合器是正交耦合器。
图中。
Z0为输入微带线的特性阻抗；W为微带线的宽带，S为微带线之间的间距；λ/4为工作带宽中心频点处的四分之一波长。
LANGE耦合器的耦合系数常用C表示，耦合系数C的参数有线宽比率W/H、缝隙宽度比率S/H、基板介电常数εr；导体厚度比率T/H和频率，这5个参数的微小偏差会导致耦合器奇偶模阻抗发生相应变化，从而在耦合线数目N固定的情况下使耦合系数C和特性阻抗Z0发生变化，缝隙宽带比率S/H、导体厚度比率T/H的偏差对耦合系数C又较大影响，而其余三个参数的偏差对于耦合的影响比较小，但对于特性阻抗Z0的影响是不可忽略的。
功分器工作原理(图文)
功分器工作原理(图文)功分器是一种常见的电子器件，广泛应用于无线通信、雷达、卫星通信等领域。
它能够将输入信号分成多个不同频率的输出信号，具有重要的信号处理功能。
本文将详细介绍功分器的工作原理，并通过图文的方式进行解析。
一、功分器的基本概念功分器，全称为功率分配器，是一种被动器件，用于将输入信号按照一定的比例分配到多个输出端口上。
它通常由微带线、耦合器、隔离器等组成，具有低损耗、高隔离度等特点。
1.1 微带线功分器中的微带线是一种常用的传输线，由导体和绝缘层组成。
它的特点是结构简单、成本低廉，能够在高频率范围内传输信号。
微带线的宽度、长度和介质常数等参数会影响功分器的性能。
1.2 耦合器功分器中的耦合器用于将输入信号分配到不同的输出端口上。
常见的耦合器有平面耦合器、同轴耦合器等。
耦合器的设计需要考虑耦合度、带宽和插入损耗等因素。
1.3 隔离器功分器中的隔离器用于隔离不同的输出端口，防止信号之间的相互干扰。
隔离器通常由衰减器、隔离阻抗等组成。
隔离器的设计需要考虑隔离度、带宽和插入损耗等因素。
二、功分器的工作原理功分器的工作原理基于电磁场的相互作用和传输线的特性。
当输入信号进入功分器时，经过微带线、耦合器和隔离器等组件的作用，信号被分配到不同的输出端口上。
2.1 输入信号的传输输入信号首先通过微带线传输，微带线的特性阻抗和传输损耗会对信号产生影响。
通过合理设计微带线的宽度、长度和介质常数等参数，可以实现对输入信号的传输。
2.2 信号的分配经过微带线后，输入信号进入耦合器，耦合器将信号按照一定的比例分配到不同的输出端口上。
耦合器的设计需要考虑耦合度和插入损耗等因素，以实现对信号的精确分配。
2.3 信号的隔离分配到不同输出端口上的信号经过隔离器的作用，实现信号之间的隔离。
隔离器的设计需要考虑隔离度和插入损耗等因素，以实现对信号的有效隔离。
三、功分器的应用领域功分器作为一种重要的信号处理器件，广泛应用于无线通信、雷达、卫星通信等领域。
第八章功分器耦合器设计
第八章功分器耦合器设计第八章内容概述：本章将介绍功分器和耦合器的设计原理和方法。
功分器是一种被广泛应用于微波和射频电路中的被动器件，用于将一个输入信号分为若干等幅的输出信号。
耦合器是一种用于耦合电路中的能量转移的器件，常用于功率放大器、混频器等电路中。
一、功分器设计1.功分器的原理：功分器是一种能将输入信号分为两个或多个等幅输出信号的器件。
常见的功分器有二分器、三分器、四分器等。
功分器的设计原理是基于电路中电压的分配和功率的守恒定律。
2.功分器的设计方法：功分器的设计方法有两种：电压比法和负载匹配法。
电压比法是通过确定每个输出端口上的电压比例来设计功分器，而负载匹配法是通过调整输出端口的负载阻抗来设计功分器。
3.功分器的实现：功分器可以通过多种方式来实现，如线型功分器、平面功分器和耦合线功分器等。
线型功分器通常由三个或多个等长的传输线组成，而平面功分器则由微带线、槽线或共面波导等结构组成。
1.耦合器的原理：耦合器是一种用于将电路中的能量从一个传输线传递到另一个传输线的器件。
耦合器可以实现能量的单向或双向传输。
常见的耦合器有耦合线耦合器、互感耦合器和反射耦合器等。
2.耦合器的设计方法：耦合器的设计方法主要有四种：频率平衡法、功率平衡法、阻抗平衡法和阶梯阻抗法。
频率平衡法是通过控制耦合线的长度和耦合间隔来实现耦合的平衡，而功率平衡法则是通过调整端口的负载阻抗来实现平衡。
3.耦合器的实现：耦合器可以通过多种方式来实现，如耦合线耦合器、微带耦合器、槽线耦合器和同轴耦合器等。
耦合线耦合器是最简单的一种耦合器，由两条等长的传输线组成，而微带耦合器则是通过把一条微带线与另一条微带线的一段连接起来来实现耦合。
三、总结：功分器和耦合器是微波和射频电路中常见的被动器件，其设计涉及到电压的分配、功率的守恒和能量的转移等原理。
功分器的设计方法有电压比法和负载匹配法，而耦合器的设计方法则主要有频率平衡法、功率平衡法、阻抗平衡法和阶梯阻抗法。
功分器、定向耦合器课件
S 12 S 23 S 31 1
1 0 0 0 1 0
2
0 0 1
1 0 0
1
3
1
3
环形器
三端口网络——两个端口匹配，无耗，互易
j
S 21 e
0 j S e 0
e
j
0 0
0 0 j e
1
S12 e
无耗网络的散射矩阵满足么正性
2 S kj 1, k 1 4 S * S kj 0, k 1 ki 4
j 1, 2, 3, 4 i j, i , j 1, 2, 3, 4
四端口网络的基本特性（续2）
S12 S12 S13 S14
λg/4 ZC1 ZC ①
③
ZC
R
ZC1 λg/4
ZC
②
0 S 0 j 2
0
0 j 2
j 2 j 2 0
微带功分器（Wilkison 功分器）（续3）
功率不等分：
Z c2 Z c
2
1 K
2
/K
证明：采用反证法，假设三端口网络的所有端口匹配、互易，网络无耗。
S11 S S 21 S 31 S12 S 22 S 32 S13 S 23 S 33
匹配： S 11 S 22 S 33 0
互易： S ij S ji
无耗： S S 1
2
S13 S 23 S 23 S 24
2
S14 S 24 S 34 S 34
2
1 1 1 1
四功分器和定向耦合器的设计
谢谢！
输出端口2
输入端口1
输出端口3
功分器的设计、仿真、优化
版图的S参数仿真
功分器的设计、仿真、优化
版图的S参数仿真结果
功分器的设计、仿真、优化
小结
• 功分器的基本工作原理及主要指标 • 威尔金森功分器的仿真设计优化 • 威尔金森功分器版图的仿真设计
定向耦合器的基本原理
定向耦合器基本工作原理
隔离端口
/4;f012GHz W/H=0.107
S/H=0.071 直通端口与耦合端口相位差
定向耦合器的仿真设计
经验初值的仿真结果
定向耦合器的仿真设计
耦合器的参数优化
优化微带线线宽w(0.02-0.0508mm)；和缝间距s(0.02-0.038mm)
插入损耗
耦合度
隔离度
定向耦合器的仿真设计
• 耦合度： 耦合端口3输出功率P3和输入端口1输入功率P1之比：
C10logP P1320logS31
dB[S(3,1)]
• 隔离度： 隔离端口4的输出功率P4和输入端口1的输入功率P1之比：
I10logP P1 420logS41 dB[S(4,1)]
定向耦合器的基本原理
• 常用定向耦合器： Lange耦合器（交指耦合器） 应用于耦合较强的情况，通常设计为3dB耦合； 具有一个倍频程或更宽的带宽； 在平衡放大器、功率分配器和平衡混频器中有广泛应用。
定向耦合器的基本原理
Lange耦合器基本工作原理
金丝焊接
① ② ③ ④ ⑤
90度相位差
定向耦合器的基本原理
定向耦合器的基本原理
定向耦合器基本指标
• 输入驻波比： 端口2、3、4都接匹配负载时，输入端口1的驻波比：
功分器-定向耦合器和混合环
⎡0 ⎢S [S] = ⎢ 12 ⎢ S13 ⎢ ⎣ S14
S12 0 S 23 S 24
S13 S 23 0 S 34
S14 ⎤ S 24 ⎥ ⎥ S 34 ⎥ ⎥ 0 ⎦
S12 + S13 = 1
将S12 = S12 e jθ
12
2
2
* S * S13 + S12 S13 =0
12
S13 = S13 e jθ 代入上式可得
⎡ S11e [S]e = ⎢ ⎣S12e ⎡ S11o [S]o = ⎢ ⎣ S12 o
S12e ⎤ ⎡ S 33e =⎢ ⎥ S11e ⎦ ⎣ S 34e S12o ⎤ ⎡ S 33o =⎢ ⎥ S11o ⎦ ⎣S 34o
S 34e ⎤ S 33e ⎥ ⎦ S 34o ⎤ S 33o ⎥ ⎦
∵ [a ]e
二、平行耦合线定向耦合器： 是TEM 波传输线定向耦合器的一种主要形式，主要有耦 合带状线和耦合微带线构成，具有反向耦合器的特点。 输出 （3） （1） 输入
θ （4） （2） 输出
图3-4 单节1/4平行耦合线定向耦合器
Hale Waihona Puke 1、平行耦合线定向耦合器的基本工作原理： 平行耦合线定向耦合器通常采用“偶奇模法”分析。 结构对称，散射矩阵为：
S12 0 0 S13
S13 0 0 S12
0⎤ S13 ⎥ ⎥ S12 ⎥ ⎥ 0⎦
♣设S13=0，则构成反向定向耦合器，有
S12 + S14 e j (θ
14 −θ 12 )
2
2
=1
12 14 −θ12 )
* S * S14 + S12 S14 =0
12
将S12 = S12 e jθ + e − j (θ
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Zin 2 /21
而S11 = 0。注意：当功分器在端口1激励，且负载匹配时，电阻上没有功率损 耗。因此，当输出匹配时，功分器是无损耗的；只有从端口2和3来的反射功 率有一半消耗在那电阻上。
图5-39 用于导出S11的微带功分器分析
微带功分器（Wilkinson功分器）设计 8
设计一个频率为f0、用于50系统阻抗的等分微带功分器，并且绘出回波损耗 S11、插入损耗（S21 = S31）和隔离度（S23 = S32）与频率（0.5f0~1.5f0）的关 系曲线。 解：由图5-36和上述的推导，功分器中的/4传输线应具有的特性阻抗为
微带功分器（Wilkinson功分器）设计 7
最后，我们还必须导出S11，用来确定当端口2和3为匹配负载时，微带功分器 在端口1的输入阻抗。最后结果如图5-39（a）所示，从图上可见它与偶模激 励V2 = V3时情况类似。因此，没有电流流过归一化值为2的电阻，它可以取 走，剩下的电路如图5-39（b）所示。现在，有两个端接负载1的/4波长变换 器的并联，故输入阻抗为
V 1 V / 4 j V 1 j 2 V 1 / 1
可以求出，在端口1处看向归一化值为2的电阻的反射系数为
和2 2 2 2
V1 jV2
1 2
因此，S12=V1V2j/ 2j0.707 由对称性，我们亦有
S33 = 0和S13 = –j0.707
微带功分器（Wilkinson功分器）设计 6
1端口
2端口
3端口 图5-36 Wilkinson功分器
微带功分器（Wilkinson功分器）设计 4
奇--偶模分析
为简化起见，将所有阻抗对特性阻抗Z0归一化，且重新绘出图5-36（b） 的电路，输出端具有的信号源如图5-37。该网络相当于中间平面是对
称的，两个归一化值为2的源电阻并联组合，以归一化值为1的电阻代
S22 = S33 = 0（因对两种模式激励时，端口2和3都是匹配的）；
S12 = S21 = –j0.707（因互易网络的对称性得S21）；
S13 = S31 = –j0.707（因互易网络的对称性得S31 ）；
S23 = S32 = 0（因对称等分面上为短路或开路）。
结果意味着：功分特性、端口2和端口3是匹配的、端口2和3之间是隔离的。
这两种模式。
图5-37 归一化、对称形式的Wilkinson功分器
微带功分器（Wilkinson功分器）设计 5
（1）偶模 对偶模激励，Vg2 = Vg3 = 2V，所以V2 = V3，没有电流流过r/2电阻 和端口1两根传输线入口之间连接处。因此，我们可将图5-37的网络对分，在 这些点具有开路终端，以得出图5-38（a）的电路（/4线的接地边没有示 出）。这时，从端口2看入得到的阻抗为：
1
第八章 功分器、耦合器设计
2 微带功分器（Wilkinson功分器）设计
微带功分器（Wilkinson功分器）设计 3
1、等功分情况
微带功分器可以进行任意比例的功率分配，下面只考虑等功分 （3dB）情况，见下图。我们将它归结为两个简单的电路，在输 出端分别用对称和反对称源激励来进行分析。这就是奇偶模分 析技术。
表匹配源阻抗。/4线具有的归一化特性阻抗为z，并联电阻具有归一
化值为r；可以证明对等分功分器，这些值应为
z 2 和r = 2，
如图5-36所示。 现在对图5-37的电路定义两个
独立的激励模式：偶模Vg2 = Vg3 = 2V，奇模Vg2 = –Vg3 = 2V。然后，将这两种模式相叠
加，其有效激励为Vg2 = 4V， Vg3 = 0，由此，可获得此网络 的S参数。下面我们分别讨论
Zin = Z2 / 2 因而，从传输线看上去，如同一个/4变换器。因此，如果 z 2 ，端口2是 匹配的，全部功率将传输到接在端口1的负载，S22=0。为了求S参量S12，需
要电压V1，它可由传输线方程求得。如设端口2处x = 0，端口1处x = /4处线
上电压可写为 V x V e j x e j xV 0 V 1 V 2
图5-42 N路等分微带功分器
图5-43 微带四节微带功分器
11
波导T形分支 E-T和H-T分支
12
13
14
15
[s]H表示 共轭转置
（2）奇模 奇模激励时，Vg2 = –Vg3 = 2V，所以V2 = –V3，在图5-37电路的中 间有电压零点。因此，我们可以用一个 短路接地平面来切开此电路，给出图538（b）的网络。向端口2看去的阻抗为 r/2，若r/2=1,则匹配S22=0。由于连接传 输线长为/4，而且在端口1处短路，所 以看上去在端口2为开路点，没有功率送 到 端 口 1 ， S12=0 。 由 对 称 性 有 S33=0 ， S13=0。 (3) 奇偶模相加 这样，总结一下，我们已导出下列S参量：
Z 2Z0 70.7 并联电阻为 R = 2Z0 = 100 在频率f0传输线长为/4。采用微波电路分析中的机辅设计程序，可算出S参 量幅度，并且绘在图5-40上。
图5-40 等分微带功分器的频响
微带功分器（Wilkinson功分器）设计 9
2．功率不等分
微带型功分器亦可做成功率不
等分的，微带图形如图5-41所
出线被匹配到阻抗R2 = Z0K和R3 = Z0/K，而不是阻抗Z0， 可用阻抗变换器来变换这些输出阻抗。
微带功分器（Wilkinson功分器）设计 10
3. N路功分器或合成器 如下图5-42所示，这电路可使所有端口匹配，且使所有端口隔离。 但是，缺点是当N3时，功分器要求电阻交迭。这导致较难以用 平面形式制作。 另外，功分器亦可用多级阶梯阻抗变换形式制作，以增加带宽， 如图所示的微带四节功分器的实际结构。
示，如端口3和2之间的功率比
为K2 = P3/P2，则可应用下列设
计方程：RZ0K1/K
图5-41 用微带形式的功率不等分功分器
Z 0 K 2 2 Z 0 Z 3 0 K 1 K 2 Z 0 Z 3 0 1 K 2 / K 3
如K = 1，则上述结果归结为等分情况。另外还见到，输