微波无源微带器件介绍

Z 0o Z 0 e Z 0
2
可得到带状线奇偶模特性阻抗分别为： Z 1 k Z 0e 0 1 k
Z 0o Z 0
1 k 1 k
平行耦合线定向耦合器

平行耦合线定向耦合器的等效四端口具有可逆、无耗、 对称的特性，由此可写出网络的散射参量矩阵[S]为：
0 j 1 k2 [S ] k 0
平行耦合线定向耦合器



电耦合作用。 i1与e1二者同相，当i1增大时，e1也增大。 假定主线和副线同单位长度的耦合电容为Cm，那 么e1增大时，必将通过Cmdz在副线中产生电流dic， 它的大小为dic=Cmdz· 1/dt de 耦合电流流入副线的方向为从副线的上面一根导 线流入，分两路流经Z3和Z4，再汇合由下面一根 导线流出，因此由电耦合产生的电流流经Z3和Z4 的方向相同。
lange
功率合成的几种方式：管级并联
功率合成的几种方式：采用Wilkison功分器
功率合成的几种方式：采用Lange
平衡式放大器的工作原理
S11
1 2 匹配 网络 匹配 网络
IN
S22a
放大器A
50Ω
S11a
4
3
匹配 网络
匹配 网络 放大器B
OUT
50Ω
S22b
S22
平衡式放大器的基本结构
2
~
P1 C 10 log 10 log P3
U i1 / 2
~ 2
S31 U i1 / 2
1 20 log S31
定向耦合器的技术指标

隔离度 定义为输入端输入功率P1与隔离输出端口输出功率P4 之比；也可用散射参量S41表示。以分贝为单位，记为D
~ 2
D 10 log
P 1 10 log P4
即
S11 0.5 S11a S11b S21 0.5 S21a S21b S12 0.5 S12a S12b S22 0.5 S22a S22b
平衡式放大器的工作原理


单路的放大器可以设计获得较平坦的增益和较好的噪声 系数，输入输出驻波不一定要很好。利用3dB耦合器的 特性可以获得很好的输入输出驻波。如果3dB耦合器很 理想，并且两个单路放大器完全相同，则从理论的角度， 我们可以获得输入输出驻波比为1。 平衡式放大器的稳定性较好。 平衡式放大器的输出1dB功率压缩点是单路放大器的输 出1dB功率压缩点的两倍。 如果其中一个单路放大器失效了，平衡式放大器照常工 作，但增益下降6dB。 由于输入输出驻波较好，平衡式放大器容易与其它电路 单元耦接。
混合环
(1) (4)
(2)
(3)
混合环具有四个端口相互隔离，另 外两个端口平分输入功率的特性， 因此可以看作一个3分贝定向耦合 器。例如信号由端口1输入时，端 口3无输出，而端口2和4有等幅同 相的信号电压输出，即端口1和3彼 此隔离，端口2和4有相等的功率输 出。若信号由端口3输入，端口1无 输入，则端口2和4有等幅、反相的 信号输出。
loadpull方法设计放大器最佳功率负载
loadpull方法设计放大器最佳功率负载
平行耦合线定向耦合器



将磁耦合和电耦合作用合起来，可以看到，流经 Z3的两个电流方向相同，而流经Z4的两个电流方 向相反。 如果适当选择传输线的尺寸、间距，有可能使副 线的端口4无功率输出，实现端口4与端口1的理 想隔离 由主线耦合至副线的功率全部由端口3输出。由 于副线输出功率方向与主线上输入功率的传输方 向相反，故这种定向耦合器具有反向耦合的特性
0 e j 2 e j / 2 2 0
(a)微带分支定向耦合器 (b)平行耦合线定向耦合器 (c)微带混合环
3dB定向耦合器的散射参数表达式
平衡式放大器的工作原理

当3dB耦合器用在平衡式放大器中时，端 口4加50Ω负载，则耦合器就变成了一个3 端口的功分器。它的S参数变为：
本次设计所采用的电路结构
直流工作点的选取
直流工作点的选取
ED02AH的工艺要求 VDS不能超过4V，故 限制了管子的功率输 出能力，第一级的工 作电流为30mA，第 二级管子的工作电流 为60mA,第三级管子 的工作电流为 104mA
交流电路设计



第一级、第二级放大器电路以满足增 益为主。 用loadpull方法来设计最后一级放大 器的最佳功率负载匹配。 设计在Ka波段的正交功率耦合器。
0 j / 2 e [S ] 2 e j 2 e j / 2 2 0 0 e j 2 0 0
平衡式放大器的工作原理
e j S11 ( S11a S11b ) 2 e j / 2 S21 ( S21a S21b ) 2 j / 2 e S12 ( S12a S12b ) 2 e j S22 ( S22a S22b ) 2
S11b
平衡式放大器的工作原理
(1) (2) (2) (4) (3) (3)
(a)
(1)
(2) (1) (4)
(3)
(4)
(c)
(b)
0 j / 2 e [S ] 2 e j 2 0
e j / 2 2 0 0 e j 2
e j 2 0 0 e j / 2 2
为了保持良好耦合特性，加了一道掩模工艺将GaAs衬底 上的2μm厚度的SiO2和SiN介质刻蚀掉，这样Lange的金属 线条直接在GaAs衬底上形成

微带交指耦合器lange
Lange耦合器的仿真结果 ： 在22~30GHz相当于一个3dB功分器，信号到端 口2和到端口3的幅度大致相同，并且相位相差 90°，微带线损耗大概为0.3dB
平行耦合线定向耦合器
k称为中心频率的电压耦合系数 P1 1 1 C ( dB) 10 log 10 log log 2 2 P3 max k S13 一旦给定中心频率时的耦合度C，便可由上式得到： 1 k C ( dB) log 1 10 若定向耦合器达到理想隔离，则
k Z 0 e Z 0o Z 0 e Z 0o
U i1 / 2
~ 2
20 log
S41 U i1 / 2
1 S41
有时用定向性D'(dB)来表示隔离性能，它是耦合端输出 功率P3与隔离端输出功率P4之比，也可用散射参量来表示 定向性：
S31 S31 P3 ' D 10 log 10 log 20 log D C 2 P4 S41 S41
微带交指耦合器lange
输入端 (1) 耦合端 (2)
(4) 隔离端
(3) 直通端
Lange结构的定向耦合器区别于其 它定向耦合器的特点就是它的带宽 较宽，有30~40%之多 S越小，耦合越紧，但对输入输出 端口驻波性能的影响就越敏感 L一般取长度略小于中心频率波长 的1/4 如果电压耦合系数为3dB，则 Lange耦合器的端口2和端口3的输 出功率大小相等，相位相差90度
j 1 k2 0 0 k
k 0 0 j 1 k2
k j 1 k2 0 0
平行耦合线定向耦合器
w s w （1）
主线
（2）
副线
（3）
（4）
(a)
(b)

耦合微带线定向耦合器也具有平行耦合定向耦合器的共 性，因此其分析方法与耦合带状线类似。只是微带线定 向耦合器有它自己的特殊性，耦合微带线中奇、偶模传 输的相速不等，导致耦合取对奇、偶模的电场度不相等， 电感耦合系数大于电容耦合系数，其最显著的影响是使 隔离度变差，对主线输入驻波比与耦合度也有影响。因 此欲提高微带定向耦合器的性能，关键在于增强电容耦 合，已补偿其差别
2
定向耦合器的技术指标

输入驻波比 指端口2、3、4均接匹配负载时，输入端口 1的驻波比。此时输入端口1的电压反射系数Γ1，即为网 络的散射系数S11

频带宽度 是指耦合度、隔离度（或定向性）及输入驻波 比都满足指标要求时，定向耦合器的工作频带宽度。
分支定向耦合器的结构和特征
Y 01 1
（1） A
~
P 0
4
D
Y 02
~
1 R
（2）
Y 0 a2
Y 0 a1
Y0 b
~
P 0
4
~
Y0 b
（4） B C （3）
~
Y 04 1
~
~
Y 03
~
1 R
分支定向耦合器的结构和特征

，
分支定向耦合器是由主线、副线及若干耦合分支线所组 成。分支线与主线、副线是并联的，各段线的特征均用 归一化特性导纳表示。其中各个端口的传输线的归一化 特性导纳为：
Y 01 Y 04 1
~ ~
Y 02 Y 03 1 / R
~
~
R称为变阻比，R=Z02/Z01。使用这类定向耦合器可同时起 到两个作用，即定向耦合作用和阻抗变换作用。
分支定向耦合器的结构和特征
现将双分支定向耦合器的基本特性说明如 下：假定信号电压由端口1经A点输入， 那么到达D点的电压是两路电压迭加的结 果，一路从A到D，路径为λ/4，另一路 沿A→B→C→D，路程为3λ/4，两者路 程差λ/2，对应的相位差π。如果适当选 择图中各段传输线的归一化特性导纳值 a1、a2及b，使这两路电压的幅度相等， 则两者相互抵消，使端口4成为隔离端。 再看耦合端口3，为何有输出呢？从A到C 的路径也有两条，一条沿A→B→C，另 一条沿A→D→C，两条路径长度均等于 λ/2，因而到达C点的两路电压等幅同相， 故端口3有信号输出，成为耦合端，耦合 输出的大小取决于各段线的归一化特性导 纳值a1、a2及b。
平行耦合线定向耦合器
dz
（1） 主线
dz
e1
（2）
i1
z
P1
i1
e1
z dz
Z4
（4）
dic Z3
（3）ห้องสมุดไป่ตู้
副线 Z 3
deL
Z4
dz
dz
(a)
(b)
平行耦合线定向耦合器

假定主线上电流瞬时值i1增大，那么通过副线的 两根导线之间的磁通就增加，根据右手法则，增 加的磁通的方向是垂直进入纸面的。假定主线与 副线之间的单位长度的互感为Lm，则由于主线电 流的变化，必将在副线中产生感应电势deL，其 大小为：deL=Lmdz· 1/dt，deL在副线中产生的电 di 流流经Z3和Z4的方向是相反的：流经Z3的电流 方向为自上而下，流经Z4的电流方向为自下而上， 这就是主副线之间的磁耦合作用
微带交指耦合器lange

本工艺的衬底为GaAs，等效介电长度εr=12.3，介质厚度 为100μm，金属为Au，电导率为2.67×107s/m

Lange的物理尺寸：线宽W=10μm，线宽间隔S=10μm，四 个端口的连接线宽为76μm（Z0=50Ω），长度则取1000μm， 略小于所需频带高端处的λ/4
微波无源微带器件介绍
定向功率耦合器的实现形式
(1)
(2)
(2) (4) (3)
(3)
(a)
(1)
(2) (1) (4)
(3)
(4)
(c)
(b)
(a)微带分支定向耦合器；(b)平行耦合线定向耦合器；(c) 微带混合环
定向耦合器的技术指标

耦合度 定义为输入功率P1与耦合端输出功率P3之比。由 于定向耦合器为一多端口可逆网络，故耦合度可用散射 参量S31表示。若以分贝为单位，并记为C。
平行耦合线定向耦合器

改善微带平行耦合器性能的方法有多种，可采用交指型 耦合结构，也能使主线与副线之间的耦合电容Cm增大， 同时这种结构也容易实现紧耦合。这就产生了lange结构 的定向耦合器
平行耦合线定向耦合器
输入端 (1) 耦合端 (2)
Lange有四个端口，1为输入端口，则 端口2、端口3各为耦合端、直接输出 端，端口4为隔离端 由经验可知，当S越小，耦合越紧， 但对输入输出端口的驻波影响就越敏 感。L一般取的长度略小于中心频率 波长的1/4。 如果电压耦合系数为3dB，则Lange的 端口2和端口3的输出功率大小相等， 相位相差90度。利用这个性质，可以 设计平衡式放大器
(4) 隔离端
(3) 直通端
Wilkison功分器
Wilkison功分器
巴伦

Marchand 巴伦

螺旋巴伦
Marchand 巴伦
θ
Z2
Port1 Port2
Z1
Section I
Z1
Section II
θ1
Z1 Z2
Port3
θ
用于功率合成的几种无源器件
Wilkinson 功分器