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第六章 定向耦合器1 1 在射频/微波领域按一定相位和功率关系分配功率的器件称为定向耦合器，通常具有无耗、互易、匹配的特性 在混频器、倍频器、衰减器、移相器、功率放大器等微波电路中应用较多。2 2定向耦合器的基本指标1 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定向耦合器的功能实现主要依靠波程相位的关系，也就跟频率有关系系，也就跟频率有关系2插入损耗插入损耗3 主路输出端和主路输入端的功率比值，包括主路输出端和主路输入端的功率比值，包括耦合损耗以及导体介质的热损耗耦合损耗以及导体介质的热损耗3耦合度耦合度4 描述耦合输出端口与主路输入端的比例关系描述耦合输出端口与主路输入端的比例关系 3 34 4 方向性方向性 描述耦合输出端与耦合支路隔离端的比例关系。描述耦合输出端与耦合支路隔离端的比例关系。理想情况下为无穷大理想情况下为无穷大5 5 隔离度隔离度 描述主路输入端口和耦合支路隔离端口的比例关描述主路输入端口和耦合支路隔离端口的比例关系。理想情况下，隔离度为无限大系。理想情况下，隔离度为无限大4 4插入损耗耦合度隔离度方向性5 56.1 集总参数定向耦合器低通式L-C高通式L-C6 6集总参数定向耦合器设计公式集总参数定向耦合器设计公式定向耦合器参数：耦合系数C（dB）、端口等效阻抗Z0（），电路的工作频率fc低通L-C式高通L-C式考虑C-3dB时所得的定向耦合器与功率分配器的关系？7 76.2 耦合微带定向耦合器在辅线上耦合输出的方向与主线上传播的方向相反，也称为反定向耦合器两平行微带线的长度为四分之一波长8 8耦合线方向性解释耦合线方向性解释主传输线和辅传输线相互靠近，相互间有能量耦合，有电耦合(以耦合电容表示)，也有磁耦合(以耦合电感表示)磁耦合：电流i1的交变磁场会在辅传输线激励起相反方向传输的电流IL电耦合：通过耦合电容Cm的耦合，在辅传输线上激励起相反传输方向的电流ic3和ic4，与iL在端口4叠加从耦合口4输出，而在端口3相互抵消，端口3为隔离端口9 9平行耦合线耦合器设计方法平行耦合线耦合器设计方法平行耦合线耦合器设计方法平行耦合线耦合器设计方法1 确定耦合器指标：耦合系数C（dB），各端口的 特征阻抗Z0()，中心频率c，基片参数(r，h)2 利用奇偶模阻抗计算式计算奇偶模特征阻抗3 利用所得奇偶模特征阻抗在奇偶模特征阻抗设计数据中查得S/b,W/b(其中S为耦合线间距，W耦合线宽度，b为基片厚度)4 用微波设计软件验证优化1010例如：设计一个耦合度为15dB的微带线定向耦合器，中心频率为7.5GHz，基片厚度为0.508mm,介电常数是101111 由计算公式可得奇偶模阻抗：1212通过查找耦合线奇偶模特征阻抗设计数据图可得：S/d=0.85S=0.85*0.508 =0.43mmW/d=0.9W=0.9*0.85 =0.46mm/47.5GHz=3.9mm1313ADS仿真原理图1414微带定向耦合器ADS仿真结果，可以在ADS中对定向耦合器优化得到更好的结果1515主传输线上输入端和输出端相位相差90，主传输线长度等于中心频率7.5GHz的四分之一个波长1616多节耦合线定向耦合器多节耦合线定向耦合器单节耦合线定向耦合器器由于需要四分之一波长长度，所以带宽上是受限制的，可以采用多节结构增加其带宽。一般做成奇数个节，在中心频率处每节的长度为四分之一波长。1717单节微带定向耦合器实物图18186.3 Lange耦合器普通的耦合线耦合器属于松耦合，耦合度一般较小。提高边缘耦合的方法是几根彼此平行的线，以便线两边缘的散射场对耦合都有贡献。Lange 耦合器就是这种耦合器的一个典型应用。1919微带电路设计的Lange耦合器2020优点：Lange耦合器属于紧耦合方式，很容易达到3dB耦合度 这种设计有组于补偿偶模和奇模相速不相等，提高带宽，带宽可以达到1个倍频程或者更宽 输出线之间有90相位差，属于正交混合网络缺点：耦合线很窄，相互紧靠，还要横跨在耦合线的金丝跳线加工比较困难2121展开型展开型Lange耦合器耦合器所有耦合线都有相同的宽度和间距22226.4 3dB分之线定向耦合器串联臂的特征阻抗为 ,并联臂的特征阻抗为Z02323奇偶模分析奇偶模分析对线上所有阻抗用Z0归一化，在端口1输入单位幅值1的波，采用偶模激励和奇模激励相叠加的方式来分析分支线耦合器，奇模激励为1/2,偶模激励为1/22424偶模激励偶模激励在两个端口的输入波振幅是1/2由对称性可知，在中心线处无电流通过，相当于开路2525奇模激励奇模激励在两个端口的输入波振幅是1/2由对称性可知，在中心线处电压为零，相当于短路2626各个端口的反射波的振幅可表示为通过ABCD传输矩阵可以分别得到奇偶模的反射系数和传输系数2727叠加奇偶模的到的结果可得端口1是匹配的端口2输出半功率，从端口1到端口2移相-90端口3输出半功率，从端口1到端口2移相-180端口4是隔离端，无功率输出2828分之线耦合器所有端口都是匹配的，从端口1输入的功率对等的分配给端口2和端口3，这两个输出端口之间有90相移，没有功率从耦合到端口4（隔离端）由于分支线混合网络有高度的对称性，任何端口都可以作为输入端口，输出端口总在输入端口相反的一侧，而隔离端是输入端口同侧的余下端口2929由于需要由四分之一波长，分之线混合网路带宽限制在1020，可以使用多节机联的方式使带宽提高10倍或者更高在分之线耦合器结点处的不连续性效应需要并联臂延长102030306.5 环形桥定向耦合器端口的特征阻抗为Z0，环的特征阻抗为3131环形桥定向耦合器特性环形桥定向耦合器特性 1.当信号从端口1输入时，端口4隔离无信号输出，端口2和端口3等功率反相输出2.当信号从端口4输入时，从端口2和端口3等功率同相输出，端口1成为隔离端，无信号输出，端口1和端口4是隔离的3.由对称性也可知，端口2和端口3也是隔离的，3232从波程差角度来理解环形桥定向耦合器从波程差角度来理解环形桥定向耦合器1 当信号从端口1输入时，端口2的相位为90，到端口3为270 ，故端口3比端口2滞后180 ；而端口1信号经过端口2到达端口4的相位为180 ，经端口3到达端口4的为360 ，两路信号相位相反，在端口4抵消无信号输出，而在端口2和端口3反相等功率输出2 当信号从端口4输入时，在端口2和端口3的相位为90 ，端口2和端口3 相位相等；而端口4的信号经过端口2到达端口1的相位为180 ，经端口3到达端口1的相位为360 ，在端口1抵消无信号输出，而在端口2和端口3同相等功率输出33336.6 波导魔T3434和端口1入射一个TE10模电力线在波导4中显示出对称性，因此在端口1和端口4之间没有耦合，但对端口2和端口3有相同的耦合，结果是同相，等功率分配3535差端口4入射一个TE10模由互易性，端口1和端口4之间还是没有耦合。端口2和端口3受输入波等激励，相位相差180，等功率分配，相位反相3636
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