集总参数定向耦合器的设计步骤

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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:
1 Cs 2f c Z 0 s Lp Z0 p 2f c
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RF&MW ④
③
图 6-5平行线型耦合器
i1 1 Cm ic3 3 iL 2
ic4 4
图6-6
耦合线方向性的解释
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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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, 所以能量从1口输入, 耦合口就是4口。而在3口 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,故3口是隔离口。
Z 0o Z 0
步骤三: 依据基板参数（εr, h）,利用软件 Mathcad11 计算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 步骤四: 利用模拟软件检验,再微调。
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RF&MW 步骤四 : 仿真计算。
图 6-3低通L-C支路型耦合器等效电路
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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
6.3.1
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口是耦合 口,3口是隔离端口。 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,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。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。
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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＝隔离度-耦合度。
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6.1.2 定向耦合器的原理
2 P2 定向耦合器 3 P3
1 P1 4 P4
图 6-1 定向耦合器方框图
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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：
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,也就是说与频率有关。 (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。
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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
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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
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。
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
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(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,
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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≤-10 dB 步骤一: 确定耦合器的指标,C=-10dB,fc=400MHz, Z0=50 Ω 步骤二: 计算K、Z0s、 Z0p：
(a )
(b )
图 6-2 L-C (a) 低通式； (b) 高通式
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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：利用公式计算出k、Z0s及Z0p:
k 10
c / 10
Z0s Z0 1 k Z0 p Z0 1 k k
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 2 P S 1 21 P3 1 10 lg 2 P S 1 31 P4 1 10 lg 2 P S 1 41 P3 1 1 10 lg 10 lg I (dB) C (dB) 2 2 P4 S 41 S31
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6.3.2
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)、 各端口的特性阻 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Z0e和Z0o。
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Z 0e Z 0
1 10C / 20 1 10C / 20 1 10C / 20 1 10C / 20
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k 10C /10 0.1 Z 0 s Z 0 1 k 47.43 Z0 p Z0 1 k 150 k
步骤三: 利用下列公式计算元件值：
1 C1 8.59 pF 2f c Z 0 s L2 Z0 p 2f c 56.68nH