微波報告材料之定向耦合器

1、目錄、前言0二、發(fā)展背景 02三、組成及分類 03四、原理簡介 03五、定向耦合器的基本功能和參數(shù)指標 041、耦合度 052、隔離性 053、定向性 D4、 輸出駐波比 05.065、工作頻帶寬度 06六、定向耦合器的應用 . 08七、總結 11八、參考文獻 12定向耦合器的原理及介紹、前言定向耦合器在微波波段有著廣泛的應用， 其主要用途有用來監(jiān)視功率、頻率和頻譜，把功率進行分配和合成，構成平衡混頻器和測量電橋,利用定向耦合器來測量反射功率系數(shù)和功率。 它的本質是將微波信號按一定的定向耦合器比例進行功率分配、發(fā)展背景在20世紀50年代初以前，幾乎所有的微波設備都采用金屬波導和 同軸線電路，那

2、個時候的定向耦合器也多為波導小孔耦合定向耦合器， 其理論依據(jù)是Bethe小孔耦合理論，Cohn和Levy等人也做了很多貢獻。 隨著航空和航天技術的發(fā)展，要求微波電路和系統(tǒng)做到小型化、輕量化 和性能可靠，于是出現(xiàn)了帶狀線和微帶線。隨后由于微波電路與系統(tǒng)的 需要有相繼出現(xiàn)了鰭線、槽線、共面波導和共面帶狀線等微波集成傳輸 線。這樣就出現(xiàn)了各種傳輸線定向耦合器。第一個真正意義上的定向耦合器由H. A. Wheeler在1944年設計實現(xiàn)，Wheeler使用了一對長為四分之一中心頻率波長的圓柱來實現(xiàn)電場與磁場的能量相互耦合，遺憾的是這種方法只能實現(xiàn)一個倍頻程的帶寬。三、組成及分類定向耦合器由傳輸線構成，

3、同軸線、矩形波導、圓波導、帶狀線和 微帶線都可構成定向耦合器，所以從結構來看定向耦合器種類繁多，差 異很大。但從它的耦合機理來看主要分為四種， 即小孔耦合、平行耦合、 分支耦合以及匹配雙 T。定向耦合器四、原理簡介主線中傳輸?shù)墓β释ㄟ^多種途徑耦合到副線 ,并互相干涉而在副線 中只沿一個方向傳輸。圖 1 為矩形波導定向耦合器的三種典型耦合結構。 a 是相距 1/4 導 波長的雙孔耦合 ;b 是間距和長度都等于 1/4 導波長的雙串聯(lián)分支線耦 合；c是在裂縫區(qū)域TE和TE兩種傳播模式的連續(xù)耦合。以a和b兩種 結構為例，從端口輸入的信號分兩路耦合到副線后，朝端口方向因 行程相等而同相疊加，有輸出；朝

4、方向則行程相差1/2導波長而反相抵消，被隔離而無輸出。圖 2 為微帶定向耦合器的兩種典型的耦合結構。 A 是間距和長度都 等于 1/4 導波長的雙并聯(lián)的分支線耦合 ,b 是在平行區(qū)域電場和磁場兩種 結構連續(xù)耦合。以b的結構為例，從端口輸入的信號由電場耦合在副線 的兩個端口上產(chǎn)生同相感應電壓，磁場耦合則產(chǎn)生反相感應電壓。結果 在端口處相加而有輸出，處則抵消而呈隔離無輸出。五、定向耦合器的基本功能和參數(shù)指標定向耦合器是一個4端口網(wǎng)絡，它有輸入端口、直通端口、耦合端口和隔離端口，分別對應圖中的1、2、3、4端口2定向耦合器定向耦合器的主要技術指標有耦合度、隔離度、定向性、輸入駐波 比及工作帶寬等，下

5、面介紹上述各指標1、 耦合度耦合度C定義為輸入端口的輸入功率 P1和耦合端口 P3之比的分貝數(shù),耦合度C表示為：C 10lg旦(dB)P2引入網(wǎng)絡散射參量，耦合度又可以表示為:±1/2S3±l2/2C 10lg 呂 10lgP3120lg S31 (dB)耦合度的分貝數(shù)越大耦合越弱，通常把耦合度為0dB10dB勺定向耦 合器稱為強耦合定向耦合器，把耦合度為10dB20dB的定向耦合器稱為中等耦合定向耦合器，把耦合度大于20dB的定向耦合器稱為弱耦合定向耦合器。2、 隔離性隔離度I定義為輸入端口的輸入功率P1和隔離窗口的輸出功率P4之比的分貝數(shù)，隔離度I表示為:i0igP4(

6、dB)i20lg(dB)理想狀態(tài)下，隔離度為無窮大。3、 定向性D在理想情況下，隔離端口應沒有輸出功率，但由于設計公式及制作精度的限制，使隔離端口有一些功率輸出。通常采用耦合端口與隔離端口輸出功率之比的分貝數(shù)來表示定向耦合器的定向性，定向性D表示為:D 10lg -p3 10lg 昱 20lgP4S41隔離端口輸出越小，定向性越好，在理想情況下，P4 0,定向性D無窮大，實際使用中常對定向性提出一個最小值。4、 輸出駐波比定向耦合器除輸入端口外，其余各端口均接上匹配負載時，輸入端的駐波比為定向耦合器的駛入駐波比。輸入駐波比為:=1+ Si =1卞15、 工作頻帶寬度滿足定向耦合器技術指標的頻率

7、圍，為工作頻帶寬度，簡稱為工作帶寬微帶分支定向耦合器如下圖所示輸入口 12直通口ZoZoZoZo隔離口 4耦合口 3理想微帶分支定向耦合器的散射參量為：0j101j001S .2100j01j0由上式可以得出如下結論：因為Sh S 22 S33 S44 0,所以理想情況下在中心頻率他的 4個端口是完全匹配的。1因為 S21j , S31石,所以在端口 1有輸入而其他端口匹配時，端口 2和端口 3有等幅不同相輸出，端口 2輸出比端口 1輸人信號滯后 90 ，端口 3 輸出比端口 1 輸入信號滯后 180 。端口 2 輸出和端口 3 輸出相位相差 90 ，這是一個 90 正交 3dB 耦合器。因為

8、 S44 0，所以在端口 1 有輸入而其他端口匹配時， 端口 4無輸出分支線耦合器具有很好的對稱性， 4 端口中任何一端口均可作為輸入端口。因為有/4段，所以分支線耦合器不是寬帶器件。耦合度 耦合損耗通常所說的從端口 1到端口2的插入損耗是傳輸損耗和耦合損耗之和。在定向耦合器的產(chǎn)品說明常會對此加以特別說明。當定向耦合器用于測試和測量時，選取的耦合度比較小，如2 0dB或3 0dB甚至更?。欢鳛楣β屎铣上到y(tǒng)或者信號分配系統(tǒng)應用時，則會采用比較大的耦合度，如3dB,5dB和7dB等需要特別說明的是耦合度，隔離度和方向性之間的關系為：隔離度（1）=耦合度（C） +方向性（D）耦合度是一項設計指標，

9、是根據(jù)使用要求而選定的，通常為6, 10,2 0和3 0dB，這樣隔離度指標也隨之而變化；而方向性則是一個常 數(shù)。在大部分定向耦合器的指標中，通常只標出方向性指標，隔離度指標 可以根據(jù)耦合度計算出來。如：耦合度（C）=30dB,方向性（D）=25dB,則隔離度（I ）=30 + 25 = 55 （d B）六、定向耦合器的應用無論是測試和測量應用還是系統(tǒng)部應用，定向耦合器都是一種應用 極為廣泛的微波器件，以下舉例說明。（1）定向耦合器用于功率合成系統(tǒng)：在多載頻合成系統(tǒng)中，通常會用到3dB的定向耦合器（俗稱3dB電橋）方向性可達30dB的3dB定向耦合器典型的功率合成系統(tǒng)電路常見于互調測量系統(tǒng)和多

10、載頻的室分布系統(tǒng)中。 在這些應用中， 要求定向耦合器有很高的方向性（隔離度）以避免信號源之間產(chǎn)生額外 的互調分量，為了提高隔離度，也可以外加一些器件如濾波器或鐵氧體 隔離器來改善。圖示3dB定向耦合器（PN 7 5 3 3 4 5 ）的頻率圍為800-2 1 70 MHZ，方向性高達3 0dB，換算成隔離度 為 3 3dB。（2）用定向耦合器進行發(fā)射機信號的取樣和監(jiān)測發(fā)射機的在線測量和監(jiān)測可能是定向耦合器最為廣泛的應用之一。蜂窩基站的典型測量應用，如果發(fā)射機的輸出功率為43dBm （2OW）,定向耦合器的耦合度為3 0dB，插入損耗（線路損耗加耦合 損耗）為0 .15dB，則耦合端有13dBm

11、（20mW）的信號送 到基站測試儀，定向耦合器的直通輸出為42.85dBm（19.3 W）,而泄漏到隔離端的功率則被一個負載吸收掉了。（ 3）定向耦合器作為反射功率計用于功率和VSWR測量（反射功率計）：作為通過式功率計的核心器件， 定向耦合器可用于正向和反射功率的 取樣，見其中端口3用于檢測正向功率，端口4用于檢測反射功率。請注意在 這種應用場合，定向耦合器的方向性（隔離度）指標對測試精度至關重 要，尤其是反射功率的測試精度。假設發(fā)射機的輸出功率為50dBm（100W），被測負載的駐波 比為1 .5（反射功率為4W），定向耦合器的耦合度為30dB。假 如隔離度為無窮大，則在端口 4測到的功率

12、即為反射功率（4mW）。但由于隔離度不可能為無窮大， 出現(xiàn)在端口4的除了真正的反射功率以 外，還有一部分從端口1泄漏過來的功率，這二部分功率疊加后，功率 計認為這些都是反射功率，從而導致了測試誤差。產(chǎn)品具有傳輸信號帶平坦度好、低損耗及回波損耗小，隔離度好，體積 小等特點；可承受大功率沖擊，具有較強的穩(wěn)定性。 技術參數(shù) 型 號 SC050825CSC060825CSC070825CSC100825C頻率圍 800-2500MHz損 耗w 1.95dB,< 1.7dB,w 1.25dB,w 0.75dB駐 波W 1.25,< 1.25,< 1.25,< 1.25耦合度平坦度

13、 5±0.5dB ，6±0.5dB ， 7±0.5dB ， 10±0.8dB方向性20dB功率200W阻 抗50Q 5 接口型式N-KN環(huán)境溫度-30C -+55C型 號 SC150825C SC200825C SC300825A SC400825A頻率圍 800-2500MHz損 耗< 0.35dB< 0.2dB< 0.2dB< 0.2dB駐 波W 1.25< 1.25< 1.25< 1.25耦合度平坦度 15±0.9dB20±1dB25±1dB30±1dB方向性20 d

14、B阻抗50Q接口型式 N-KN環(huán)境溫度 -30C -+55C參數(shù)說明通帶工作頻段：即濾波器允許通過電磁波的頻率圍。在施工 過程中，由于室線路過長， 信號在傳導時損失太大， 導至【蘑菇天線 吸 頂天線】天線端的信號覆蓋面積減小，甚至就沒信號。耦合器就解決了 這個問題，耦合器能把信號傳的更遠，信號損失也很小，是線路連接件 的最佳選擇。七、總結通過本次的調查和研究 ，讓我們了解了定向耦合器的圖形結構， 工作原理，以及定向耦合器的應用。其基本功能為用來監(jiān)視功率、頻率 和頻譜，把功率進行分配和合成，構成平衡混頻器和測量電橋，利用定向耦合器來測量反射功率系數(shù)和功率。 本質上是將微波信號按一定的定 向耦合器比例進行功率分配。 衡量耦合器好壞的主要技術指標有， 耦合 度、隔離性、定向性 D輸出駐波比、工作頻帶寬度。在查閱資料 的過程中我們發(fā)現(xiàn)，定向耦合器在微波元器件中最常用的器件之 一，例如在上述材料中， 定向耦合器應用于定向耦合器用于功率合 成系統(tǒng)、 用定向耦合器進行發(fā)射機信號的取樣和監(jiān)測、 定向耦合器 作為反射功率計， 可見定向耦合器使用極為廣泛。 我們生活中無處 不在的微波元器件，只是我們未曾發(fā)現(xiàn)，也不知道它的作用。在老 師的知道下， 不僅拓寬了我們的視野， 最主要的是使我們的思維方 式有了一個極大的改變， 使理論與