定向耦合器1 ppt課件

1、RF&MW成都信息工程學(xué)院電子工程系成都信息工程學(xué)院電子工程系RF&mw第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 6.1 6.1 定向耦合器的根本原理定向耦合器的根本原理 6.2 6.2 集總參數(shù)定向耦合器集總參數(shù)定向耦合器6.3 6.3 耦合微帶定向耦合器耦合微帶定向耦合器6.4 6.4 運用奇偶模實際分析定向耦合器運用奇偶模實際分析定向耦合器6.5 6.5 分支線型定向耦合器分支線型定向耦合器6.6 6.6 環(huán)形橋定向耦合器環(huán)形橋定向耦合器6.7 6.7 波導(dǎo)定向耦合器波導(dǎo)定向耦合器RF&MW成都信息工程學(xué)院電子工程系成都信息工程學(xué)院電子工程系RF&mw6.1

2、6.1 定向耦合器的根本原理定向耦合器的根本原理6.1.1 6.1.1 定向耦合器的技術(shù)目的定向耦合器的技術(shù)目的 包括頻率范圍、包括頻率范圍、 插入損耗、插入損耗、 耦合度、耦合度、 方向性、方向性、 隔離度等。隔離度等。(1) (1) 任務(wù)頻帶任務(wù)頻帶: : 定向耦合器的功能實現(xiàn)主要依托波程相定向耦合器的功能實現(xiàn)主要依托波程相位的關(guān)系位的關(guān)系, ,也就是說與頻率有關(guān)。也就是說與頻率有關(guān)。(2) (2) 插入損耗：插入損耗： 主路輸出端和主路輸入端的功率比值主路輸出端和主路輸入端的功率比值, ,包包括耦合損耗和導(dǎo)體介質(zhì)的熱損耗。括耦合損耗和導(dǎo)體介質(zhì)的熱損耗。 RF&MW成都信息工程學(xué)院

3、電子工程系成都信息工程學(xué)院電子工程系RF&mw(3) (3) 耦合度耦合度: : 描畫耦合輸出端口與主路輸入端描畫耦合輸出端口與主路輸入端口的比例關(guān)系口的比例關(guān)系, ,通常用分貝表示通常用分貝表示,dB,dB值值越大越大, ,耦合端口輸出功率越小。耦合度耦合端口輸出功率越小。耦合度的大小由定向耦合器的用途決議。的大小由定向耦合器的用途決議。(4) (4) 方向性方向性: : 描畫耦合輸出端口與耦合支路隔描畫耦合輸出端口與耦合支路隔離端口的比例關(guān)系。理想情況下離端口的比例關(guān)系。理想情況下, ,方向方向性為無限大。性為無限大。(5) (5) 隔離度隔離度: : 描畫主路輸入端口與耦合支路隔

4、描畫主路輸入端口與耦合支路隔離端口的比例關(guān)系。理想情況下離端口的比例關(guān)系。理想情況下, ,隔離隔離度為無限大。度為無限大。RF&MW成都信息工程學(xué)院電子工程系成都信息工程學(xué)院電子工程系RF&mw6.1.2 6.1.2 定向耦合器的原理定向耦合器的原理 定向耦合器是個四端口網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造。定向耦合器是個四端口網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造。 描畫定向耦合器特性的三個目的間有嚴(yán)厲的關(guān)描畫定向耦合器特性的三個目的間有嚴(yán)厲的關(guān)系系, ,即方向性隔離度即方向性隔離度- -耦合度。耦合度。圖圖 6-1 6-1 定向耦合器方框圖定向耦合器方框圖定向耦合器2P23P31P14P4RF&MW成都信息工程學(xué)院電子工程

5、系成都信息工程學(xué)院電子工程系RF&mw 假設(shè)假設(shè)P1P1、P2P2、 P3P3、P4P4皆用毫瓦皆用毫瓦mWmW來表來表示示, ,定向耦合器的四大參數(shù)那么可定義為：定向耦合器的四大參數(shù)那么可定義為：)()(1lg101lg10lg10)(1lg10lg10)(1lg10lg10)(1lg10lg10)(23124143241142311322112dBCdBISSPPdBDSPPdBISPPdBCSPPdBT插入損耗插入損耗方向性方向性耦合度耦合度隔離度隔離度RF&MW成都信息工程學(xué)院電子工程系成都信息工程學(xué)院電子工程系RF&mw6.2 6.2 集總參數(shù)定向耦合器集總參

6、數(shù)定向耦合器6.2.1 6.2.1 集總參數(shù)定向耦合器設(shè)計方法集總參數(shù)定向耦合器設(shè)計方法 常用的集總參數(shù)定向耦合器是電感和電容常用的集總參數(shù)定向耦合器是電感和電容組成的分支線耦合器。其根本構(gòu)造有兩種：組成的分支線耦合器。其根本構(gòu)造有兩種： 低通低通L-CL-C式和高通式和高通L-CL-C式。式。 圖圖 6-2 L-C6-2 L-C分支線型耦合分支線型耦合(a) (a) 低通式；低通式； (b) (b) 高通式高通式 CpLsP1P4LsCpP2P3(a)LpCsP1P4CsLpP2P3(b)Z0Z014231423RF&MW成都信息工程學(xué)院電子工程系成都信息工程學(xué)院電子工程系RF&am

7、p;mw集總參數(shù)定向耦合器的設(shè)計步驟：集總參數(shù)定向耦合器的設(shè)計步驟： 步驟一步驟一: : 確定耦合器的目的確定耦合器的目的, ,包括耦合系數(shù)包括耦合系數(shù)C(dB)C(dB)、 端口的等效阻抗端口的等效阻抗Z0Z0、電路的任務(wù)頻率、電路的任務(wù)頻率fcfc。 步驟二：利用公式計算出步驟二：利用公式計算出k k、Z0sZ0s及及Z0p:Z0p:kkZZkZZkpsc1110000010/RF&MW成都信息工程學(xué)院電子工程系成都信息工程學(xué)院電子工程系RF&mw 步驟三步驟三: : 利用以下公式計算出利用以下公式計算出元件值元件值: : 1 1 低通低通L-CL-C式式: :2 2 高通

8、高通L-CL-C式式: : pcpcssZfCfZL00212cppscsfZLZfC22100RF&MW成都信息工程學(xué)院電子工程系成都信息工程學(xué)院電子工程系RF&mw 步驟四步驟四: : 利用模擬軟件檢驗利用模擬軟件檢驗, ,再微再微調(diào)。調(diào)。 6.2.2 6.2.2 集總參數(shù)定向耦合器設(shè)計實例集總參數(shù)定向耦合器設(shè)計實例 設(shè)計一個任務(wù)頻率為設(shè)計一個任務(wù)頻率為400 MHz400 MHz的的10 10 dBdB低通低通L-CL-C支路型耦合器。支路型耦合器。Z0=50 ,Z0=50 ,要求要求S11-13dB, S21-2 dB, S11-13dB, S21-2 dB, S31-

9、13 dB,S41-10 dBS31-13 dB,S41-10 dB。 步驟一步驟一: : 確定耦合器的目的確定耦合器的目的,C=-,C=-10dB,fc=400MHz, Z0=50 10dB,fc=400MHz, Z0=50 。 步驟二步驟二: : 計算計算K K、Z0sZ0s、 Z0p Z0p：RF&MW成都信息工程學(xué)院電子工程系成都信息工程學(xué)院電子工程系RF&mw 步驟三步驟三: : 利用以下公式計算元利用以下公式計算元件值：件值：nHfZLpFZfCcpsc68.56259. 8210201/100000100.1147.431150CspkZZkkZZkRF&

10、MW成都信息工程學(xué)院電子工程系成都信息工程學(xué)院電子工程系RF&mw圖圖 6-36-3低通低通L-CL-C支路型耦合器等效電路支路型耦合器等效電路步驟四步驟四: : 仿真計算。仿真計算。RF&MW成都信息工程學(xué)院電子工程系成都信息工程學(xué)院電子工程系RF&mw圖圖 6-4 6-4 低通低通L-CL-C支路型耦合器仿真結(jié)果支路型耦合器仿真結(jié)果RF&MW成都信息工程學(xué)院電子工程系成都信息工程學(xué)院電子工程系RF&mw6.3 6.3 耦合微帶定向耦合器耦合微帶定向耦合器6.3.1 6.3.1 平行耦合線耦合器根本原理平行耦合線耦合器根本原理 通常通常, ,它由主線和

11、輔線構(gòu)成它由主線和輔線構(gòu)成, ,兩條平行微帶的兩條平行微帶的長度為四分之一波長。信號由長度為四分之一波長。信號由1 1口輸入口輸入,2,2口輸口輸出出,4,4口是耦合口口是耦合口,3,3口是隔離端口?？谑歉綦x端口。 因在輔線上耦合輸出的方向與主線上波傳播因在輔線上耦合輸出的方向與主線上波傳播的方向相反的方向相反, ,它也被稱為它也被稱為“反向定向耦合器。當(dāng)反向定向耦合器。當(dāng)導(dǎo)線導(dǎo)線1212中有交變電流中有交變電流i1i1流過的時候流過的時候, ,由于由于4343線和線和1212線相互接近線相互接近,43,43線中耦合有能量線中耦合有能量, ,能量能量既經(jīng)過電場以耦合電容表示又經(jīng)過磁場以既經(jīng)過電

12、場以耦合電容表示又經(jīng)過磁場以耦合電感表示耦合。經(jīng)過耦合電容耦合電感表示耦合。經(jīng)過耦合電容m m的耦合的耦合, ,在傳輸線在傳輸線4343中引起的電流為中引起的電流為ic4ic4和和ic3ic3。 RF&MW成都信息工程學(xué)院電子工程系成都信息工程學(xué)院電子工程系RF&mw圖圖 6-56-5平行線型耦合器平行線型耦合器14ic4Cmi1iL23ic3圖圖6-6 6-6 耦合線方向性的解釋耦合線方向性的解釋RF&MW成都信息工程學(xué)院電子工程系成都信息工程學(xué)院電子工程系RF&mw 同時由于同時由于i1i1的交變磁場的作用的交變磁場的作用, ,在在線線4343上感應(yīng)有電流上

13、感應(yīng)有電流iLiL。 根據(jù)電磁感應(yīng)定律根據(jù)電磁感應(yīng)定律, ,感應(yīng)電流感應(yīng)電流iLiL的的方向與方向與i1i1的方向相反的方向相反, , 所以能量從所以能量從1 1口口輸入輸入, , 耦合口就是耦合口就是4 4口。而在口。而在3 3口由于口由于電耦合電流的電耦合電流的ic3ic3與磁耦合電流與磁耦合電流iLiL的相的相位相反而疊加抵消位相反而疊加抵消, ,故故3 3口是隔離口?？谑歉綦x口。6.3.2 6.3.2 平行耦合線耦合器設(shè)計方法平行耦合線耦合器設(shè)計方法 平行線耦合定向耦合器的設(shè)計步驟平行線耦合定向耦合器的設(shè)計步驟: : 步驟一步驟一: : 確定耦合系數(shù)確定耦合系數(shù)C(dB)C(dB)、

14、各端口的特性阻抗各端口的特性阻抗Z0Z0、中心頻、中心頻率率fcfc、基板參數(shù)、基板參數(shù)r,hr,h。 步驟二：計算奇模阻抗和偶模阻步驟二：計算奇模阻抗和偶模阻抗抗Z0eZ0e和和Z0oZ0o。 RF&MW成都信息工程學(xué)院電子工程系成都信息工程學(xué)院電子工程系RF&mw步驟三步驟三: : 根據(jù)基板參數(shù)根據(jù)基板參數(shù)r, r, h h, ,利用軟件利用軟件Mathcad11Mathcad11計算計算Z0eZ0e、Z0oZ0o的微帶耦合線的寬度及間的微帶耦合線的寬度及間距距W, SW, S和四分之一波長的長度和四分之一波長的長度P P。步驟四步驟四: : 利用模擬軟件檢驗利用模擬軟件檢

15、驗, ,再再微調(diào)。微調(diào)。 20/20/0020/20/00101101101101CCoCCeZZZZRF&MW成都信息工程學(xué)院電子工程系成都信息工程學(xué)院電子工程系RF&mw6.3.3 6.3.3 平行耦合線耦合器設(shè)計實例平行耦合線耦合器設(shè)計實例 設(shè)計一個任務(wù)頻率為設(shè)計一個任務(wù)頻率為750 MHz750 MHz的的10dB10dB平行平行線型耦合器線型耦合器(Z0=50 )(Z0=50 )。 步驟一步驟一: : 確定確定, ,包括包括C=-10dB,fc=750MHz, C=-10dB,fc=750MHz, FR4FR4基板參數(shù)基板參數(shù)r=4.5, h=1.6 mmr=4.5,

16、 h=1.6 mm，tan=0.015,tan=0.015,資料為銅資料為銅(1 mil)(1 mil)。 步驟二步驟二: : 計算奇偶模阻抗：計算奇偶模阻抗：04.3610110137.6910110120/20/0020/20/00CCoCCeZZZZRF&MW成都信息工程學(xué)院電子工程系成都信息工程學(xué)院電子工程系RF&mw步驟三步驟三: : 建立圖示電路拓?fù)浣D示電路拓?fù)? , 計算得計算得W=2.38mm,S=0.31mm, P=57.16mm,W=2.38mm,S=0.31mm, P=57.16mm,且且5050微帶線寬度微帶線寬度W50=2.92mmW50=2.92

17、mm。圖圖 6-76-7平行線型耦合器電路圖平行線型耦合器電路圖RF&MW成都信息工程學(xué)院電子工程系成都信息工程學(xué)院電子工程系RF&mw仿真結(jié)果如圖示。仿真結(jié)果如圖示。圖圖 6-86-8平行線型耦合器仿真結(jié)果平行線型耦合器仿真結(jié)果0. 60. 70. 80. 90. 51. 0-30-20-10-400f req, G H zdB(S(1, 1)R eadoutm 4dB(S(2, 1)R eadoutm 1dB(S(3, 1)R eadoutm 3dB(S(4, 1)R eadoutm 2m 1f req=dB(S(2, 1)=-0. 629750. 0M H zm 2f r

18、eq=dB(S(4, 1)=-10. 147750. 0M H zm 3f req=dB(S(3, 1)=-24. 785750. 0M H zm 4f req=dB(S(1, 1)=-34. 557750. 0M H zRF&MW成都信息工程學(xué)院電子工程系成都信息工程學(xué)院電子工程系RF&mw問題：問題： 1.1.可變衰減器的衰減量動態(tài)范圍和平坦度可變衰減器的衰減量動態(tài)范圍和平坦度 2. 2.圖示定向耦合器構(gòu)造完全對稱，假設(shè)從三端口輸圖示定向耦合器構(gòu)造完全對稱，假設(shè)從三端口輸入信號，插入衰減、耦合度、方向性和隔離度怎樣表示？入信號，插入衰減、耦合度、方向性和隔離度怎樣表示？RF

19、&MW成都信息工程學(xué)院電子工程系成都信息工程學(xué)院電子工程系RF&mw問題：問題： 3.3.對稱無耗匹配理想的定向耦合器的對稱無耗匹配理想的定向耦合器的S S矩陣是？矩陣是？ 12131213131213120 SS0S0 0 SS0 0 S0 SS0S 分兩類：第一類，假設(shè)端口分兩類：第一類，假設(shè)端口1和和4完全隔離，由于對完全隔離，由于對稱，端口稱，端口2和和3也完全隔離，即也完全隔離，即由構(gòu)造對稱，還有由構(gòu)造對稱，還有由各端口匹配且網(wǎng)絡(luò)互易，由各端口匹配且網(wǎng)絡(luò)互易，S矩陣為矩陣為142341320SSSS 13421243,SSSSRF&MW成都信息工程學(xué)院電子工程

20、系成都信息工程學(xué)院電子工程系RF&mw HISS S的第一行乘以的第一行乘以網(wǎng)絡(luò)無耗網(wǎng)絡(luò)無耗此式也可寫作此式也可寫作 HS的第一列，得的第一列，得*131213120S SS S *121313120S SS S 2212131SS *1312S S S的第一行乘以的第一行乘以 HS的第四列，得的第四列，得即即為純虛數(shù)，令為純虛數(shù)，令1213SSjRF&MW成都信息工程學(xué)院電子工程系成都信息工程學(xué)院電子工程系RF&mw221 故這類耦合器的故這類耦合器的S矩陣為矩陣為在耦合臂和直通臂之間存在著在耦合臂和直通臂之間存在著 的相位差的相位差那么那么 000 00 000jj

21、Sjj 對于第二類，假設(shè)端口對于第二類，假設(shè)端口1和和3完全隔離，由于對完全隔離，由于對稱，端口稱，端口2和和4也完全隔離，即也完全隔離，即132431420SSSS /2RF&MW成都信息工程學(xué)院電子工程系成都信息工程學(xué)院電子工程系RF&mw 00000000jjSjj 由構(gòu)造對稱，還有由構(gòu)造對稱，還有各端口匹配且網(wǎng)絡(luò)無耗互易，那么各端口匹配且網(wǎng)絡(luò)無耗互易，那么S矩陣為矩陣為14231243,SSSSRF&MW成都信息工程學(xué)院電子工程系成都信息工程學(xué)院電子工程系RF&mw6.4 6.4 運用奇偶模實際分析定向耦合器運用奇偶模實際分析定向耦合器設(shè)有幅度為設(shè)有幅度為1 1的波從端口的波從端口1 1輸入，分解為奇偶模鼓勵輸入，分解為奇偶模鼓勵11a 41/2a 11/2a 41/2a 11/2a RF&MW成都信息工程學(xué)院電子工程系成都信息工程學(xué)院電子工程系RF&mw思索對稱性和互易性，其思索對稱性和互易性，其S矩陣為矩陣為111121314212111413313141112414131211SSSS1/2SSSS0SSSS01/2SSSSeeeebbbb偶模鼓勵時，有偶模鼓勵時，有 11121314121114131314111214131211SSSSSSSSSSSSSSSSSRF&MW成