微波电子技术-定向耦合器概述.

1 Cs 2f c Z 0 s Lp Z0 p 2f c
第6章 定向耦合器 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 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。 步骤二: 利用下列公式计算K、Z0s、 Z0p：
步骤二： 利用下列公式计算出k、Z0s及Z0p:
k 10
c / 10
Z0s Z0 1 k Z0 p Z0 1 k k
第6章 定向耦合器 步骤三: 利用下列公式计算出元件值: （1） 低通L-C式:
Z0s Ls 2f c 1 Cp 2f c Z 0 p
（2） 高通L-C式:
2 P2 定向耦合器 3 P3
图 6-1 定向耦合器方框图
第6章 定向耦合器 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： 插入损耗
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。
第6章 定向耦合器
1 P1 2 P2
Z
Z0 e Z0 o
Z百度文库
Z
P4 4

Z
P3 3
4
图 6-5平行线型耦合器
第6章 定向耦合器 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。
P2 1 T (dB ) 10lg 10lg P S 21 2 1 P3 1 C (dB) 10 lg 10 lg P S31 2 1 P4 1 I (dB) 10 lg 10 lg P S 41 2 1 P3 1 1 D(dB) 10 lg 10 lg 10 lg I (dB) C (dB) 2 2 P4 S 41 S31
第6章 定向耦合器
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
第6章 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 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, 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。
0.00 － 5.00 － 10.00 － 15.00 － 20.00 － 25.00 － 30.00 0.00
0.20
0.40 0.60 FR EQ[GHz]
0.80
1.00
图 6-4 低通L-C支路型耦合器仿真结果
第6章 定向耦合器
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
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
第6章 定向耦合器
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。
第6章 定向耦合器
1 Z0 P1 Cp 4 P4
Ls
2 P2 Cp
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（ε r,h）。 步骤二：利用下列公式计算奇模阻抗和偶模阻抗 Z0e
第6章 定向耦合器 步骤三: 利用下列公式计算元件值： 1 C1 8.59 pF 2f c Z 0 s
2f c 步骤四: 进行仿真计算,如图 6-3 所示。
L2
Z0 p
56.68nH
第6章 定向耦合器
图 6-3低通L-C支路型耦合器等效电路
第6章 定向耦合器 仿真结果如图6-4所示。
第6章 定向耦合器 (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:
1 Z0 P1 Lp
Cs
2 P2 Lp
Ls
3 P3
4 P4
Cs
3 P3
(a )
(b )
图 6-2 L-C分支线型耦合器 (a) 低通式； (b) 高通式
第6章 定向耦合器 集总参数定向耦合器的设计步骤如下： 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。
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。
第6章 定向耦合器 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。

第6章 定向耦合器
1 P1 4 P4