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单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第六章 定向耦合器,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。,定向耦合器的基本指标,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，也就跟频率有关系,插入损耗,主路输出端和主路输入端的功率比值，包括耦合损耗以及导体介质的热损耗,耦合度,描述耦合输出端口与主路输入端的比例关系,4,方向性,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,5,隔离度,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,插入损耗,耦合度,隔离度,方向性,6.1,集总参数定向耦合器,低通式,L-C,高通式,L-C,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,Z,0,（,），电路的工作频率,f,c,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？,6.2,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,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,i,1,的交变磁场会在辅传输线激励起相反方向传输的电流,I,L,电耦合：通过耦合电容,C,m,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,i,L,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,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,Z,0,(,),，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,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,10,由计算公式可得奇偶模阻抗：,通过查找耦合线奇偶模特征阻抗设计数据图可得：,S/d=0.85,S=0.85*0.508,=0.43mm,W/d=0.9,W=0.9*0.85,=0.46mm,/47.5GHz=3.9mm,ADS,仿真原理图,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,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,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。,单节微带定向耦合器实物图,6.3 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。,微带电路设计的,Lange,耦合器,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,展开型,Lange,耦合器,所有耦合线都有相同的宽度和间距,6.4 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,Z,0,奇偶模分析,对线上所有阻抗用,Z,0,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,1/2,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,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,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,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,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,由于需要由四分之一波长，分之线混合网路带宽限制在,10,20,，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,10,20,6.5,环形桥定向耦合器,端口的特征阻抗为,Z,0,，环的特征阻抗为,环形桥定向耦合器特性,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,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,由对称性也可知，端口,2,和端口,3,也是隔离的，,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,6.6,波导魔,T,和端口,1,入射一个,TE,10,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,差端口,4,入射一个,TE,10,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,
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