波导定向耦合器课程

高通L （2） 高通L-C式:
1 Cs = 2πf c Z 0 s Lp = Z0 p 2πf c
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步骤四: 利用模拟软件检验,再微调。 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 dB低通 低通L 设计一个工作频率为400 MHz的10 dB低通L-C支 路型耦合器。 Ω,要求 要求S 路型耦合器。Z0=50 Ω,要求S11≤-13dB, S21≥-2 dB, dB。 S31≥-13 dB,S41≤-10 dB。 步骤一: 确定耦合器的指标,C= ,C=步骤一: 确定耦合器的指标,C=-10dB,fc=400MHz, Ω。 Z0=50 Ω。 步骤二: 计算K 步骤二: 计算K、Z0s、 Z0p：
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耦合度: (3) 耦合度: 描述耦合输出端口与主路输入端口的比例关系, 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。 通常用分贝表示,dB值越大,耦合端口输出功率越小。 ,dB值越大 耦合度的大小由定向耦合器的用途决定。 耦合度的大小由定向耦合器的用途决定。 方向性: (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 理想情况下,方向性为无限大。 系。理想情况下,方向性为无限大。 隔离度: (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 理想情况下,隔离度为无限大。 系。理想情况下,隔离度为无限大。
k = 10
c / 10
Z0s = Z0 1 − k Z0 p = Z0 1− k k
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步骤三: 利用下列公式计算出元件值: 步骤三: 利用下列公式计算出元件值: （1） 低通L-C式: 低通L Z0s Ls = 2πf c
1 Cp = 2πf c Z 0 p
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图 6-7平行线型耦合器电路图
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RF&MW 仿真结果如图示。 仿真结果如图示。
dB(S(4,1)) dB(S(3,1)) dB(S(2,1)) dB(S(1,1))
m1 m1 0 freq=750.0MHz dB(S(2,1))=-0.629 m2 m2 freq=750.0MHz -10 dB(S(4,1))=-10.147
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k = 10C /10 = 0.1 Z 0 s = Z 0 1 − k = 47.43Ω Z0 p = Z0 1− k k = 150Ω
步骤三: 利用下列公式计算元件值： 步骤三: 利用下列公式计算元件值：
1 C1 = = 8.59 pF 2πf c Z 0 s L2 = Z0 p 2πf c = 56.68nH
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P1、P2、 P3、P4皆用毫瓦 mW）来表示, 皆用毫瓦（ 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： 定向耦合器的四大参数则可定义为： 插入损耗 耦合度 隔离度 方向性
T (dB) = −10 lg C (dB ) = −10 lg I (dB ) = −10 lg P2 1 = 10 lg P S 21 2 1 P3 1 = 10 lg P S31 2 1 P4 1 = 10 lg P S 41 2 1 P3 1 1 = 10 lg − 10 lg = I (dB) − C (dB) 2 2 P4 S 41 S31
平行耦合线耦合器基本原理 6.3.1 平行耦合线耦合器基本原理
通常,它由主线和辅线构成, 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 ,2口输出,4口是耦合 为四分之一波长。信号由1口输入,2口输出,4口是耦合 ,3口是隔离端口 口是隔离端口。 口,3口是隔离端口。
3
θ
θ
(a)
耦合线的变形（改善频率特性） 图 6-9耦合线的变形（改善频率特性）
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耦合线的变形（增大耦合度，紧耦合） 图 6-9耦合线的变形（增大耦合度，紧耦合）
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W ′ h h W S W
上上上上
l 基基 W 耦耦
RF&MW 在上述平行耦合线定向耦合器的基础上, 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。 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, 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。 的有效方法。
1
θ
4
1
θ
θ
θ
4
2 K
3
2 K
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第6章 定向耦合器
6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 定向耦合器的基本原理 集总参数定向耦合器 耦合微带定向耦合器 应用奇偶模理论分析定向耦合器 分支线型定向耦合器 环形桥定向耦合器 波导定向耦合器
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RF&MW 6.1 定向耦合器的基本原理
-20
m3
m3 freq=750.0MHz m4 m4 -30 freq=750.0MHz dB(S(3,1))=-24.785 dB(S(1,1))=-34.557
-40 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
freq, GHz
图 6-8平行线型耦合器仿真结果
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D(dB) = −10 lg
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RF&MW 6.2 集总参数定向耦合器
集总参数定向耦合器设计方法 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 的分支线耦合器。其基本结构有两种： 低通L-C式 和高通L 和高通L-C式。
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Z 0e = Z 0
1+ C 1− C
1− C Z 0o = Z 0 1+ C Z 0e − Z 0o (C = ) Z 0e + Z 0o
步骤三: 依据基板参数（ h） 步骤三: 依据基板参数（εr, h）,利用软件 ADS计算微带耦合线的宽度及间距（ S） 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（ ）。 四分之一波长的长度（P）。 步骤四: 利用模拟软件检验,再微调。 步骤四: 利用模拟软件检验,再微调。
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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1 2 相反,它也被称为“反向定向耦合器”。当导线1—2中 有交变电流i 流过的时候,由于4 3线和1 2 有交变电流i1流过的时候,由于4—3线和1—2线相互靠 ,4—3线中耦合有能量,能量既通过电场（ 近,4 3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。 表示）又通过磁场（以耦合电感表示）耦合。通过耦合 电容Ｃ 的耦合,在传输线4 3中引起的电流为i 电容Ｃm的耦合,在传输线4—3中引起的电流为ic4和ic3。
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、 包括频率范围、 插入损耗、 耦合度、 方向性、 隔离度、幅度平衡度、相位一致性等。 隔离度、幅度平衡度、相位一致性等。 (1) 工作频带: 工作频带: 定向耦合器的功能实现主要依靠波程相位的关 也就是说与频率有关。 系,也就是说与频率有关。 插入损耗： (2) 插入损耗： 主路输出端和主路输入端的功率比值, 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。 合损耗和导体介质的热损耗。
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③
图 6-5平行线型耦合器
1
i1 2 Cm ic3 3 iL
ic4 4
图6-6
耦合线方向性的解释
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同时由于i 的交变磁场的作用,在线4 3 同时由于i1的交变磁场的作用,在线4—3上感应有 电流i 电流iL。 根据电磁感应定律,感应电流i 的方向与i 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 相反, 所以能量从1口输入, 耦合口就是4 而在3 因为电耦合电流的i 与磁耦合电流i 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, 口是隔离口。 加抵消,故3口是隔离口。
1 Z0 P1 Cp 4 P4 Ls Ls 2 P2 Cp 3 P3 4 P4 1 Z0 P1 Lp Cs Cs 2 P2 Lp 3 P3
(a)
(b)
L- 分支线型耦合 图 6-2 L-C分支线型耦合 低通式； (a) 低通式； (b) 高通式
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集总参数定向耦合器的设计步骤： 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) C(dB)、 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Z ）、电路的工作频率 电路的工作频率f 端口的等效阻抗Z0（Ω）、电路的工作频率fc。 步骤二：利用公式计算出k 步骤二：利用公式计算出k、Z0s及Z0p:
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RF&MW 6.3.3 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 设计一个工作频率为750 MHz的10dB平行线型耦 合器(Z Ω)。 合器(Z0=50 Ω)。 步骤一: 确定,包括C= C=FR4基 步骤一: 确定,包括C=-10dB,fc=750MHz, FR4基 板参数ε mm，tanδ=0.015,材料为铜 板参数εr=4.5, h=1.6 mm，tanδ=0.015,材料为铜 (1 mil)。 mil)。 步骤二: 计算奇偶模阻抗： 步骤二: 计算奇偶模阻抗：
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描述定向耦合器特性的三个指标间有严格的关 即方向性＝隔离度-耦合度。 系,即方向性＝隔离度-耦合度。
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。 定向耦合器是个四端口网络结构。
1 P1 定定耦耦定 4 P4 3 P3 2 P2
图 6-1 定向耦合器方框图
εr εr
Z 0e = Z 0 1 + 10C / 20 = 69.37Ω C / 20 1 − 10 1 − 10C / 20 1 + 10
C / 20
Z 0o = Z 0
= 36.04Ω
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步骤三: 步骤三: 建立图示电路拓扑, 计算得W=2.38mm,S=0.31mm, 建立图示电路拓扑, 计算得W=2.38mm,S=0.31mm, P=57.16mm,且50Ω微带线宽度 =2.92mm。 微带线宽度W P=57.16mm,且50Ω微带线宽度W50=2.92mm。
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平行耦合线耦合器设计方法 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: 平行线耦合定向耦合器的设计步骤: 步骤一: 确定耦合系数C(dB) C(dB)、 步骤一: 确定耦合系数C(dB)、 各端口的特性阻 ）、中心频率 中心频率f 基板参数（ ,h）。 抗Z0（Ω）、中心频率fc、基板参数（εr,h）。 步骤二：计算奇模阻抗和偶模阻抗Z 步骤二：计算奇模阻抗和偶模阻抗Z0e和Z0o。
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RF&MW 步骤四: 仿真计算。 步骤四: 仿真计算。
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低通L 图 6-3低通L-C支路型耦合器等效电路
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低通L 图 6-4 低通L-C支路型耦合器仿真结果
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6.3 RF&MW 耦合微带定向耦合器