一文掌握定向耦合器设计.docx

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1、No.1定向耦合器的技术指标定向耦合器的技术指标包括：工作频带，插入损耗，耦合度，方向性与隔离度。工作频带：定向耦合器是一种微波元件，其任何工作特性都与其工作频率相关，只有当工作频率确定下来之后，才能设计出满足工作频带内要求的定向耦合器插入损耗：主要是指主路输出端与主路输入端的信号功率比值，包括耦合损耗和导体介质的热损耗，当然也包括反射损耗以及某些条件下的辐射损耗。耦合度：描述耦合输出端口与输入端口信号的比例关系，通常用dB表示，耦合度越大，耦合端口输出功率越小。耦合度的大小由定向耦合器的用途决定，通常3dB定向耦合器可用作信号的等比例分配；40dB以上的耦合器经常用在信号的检测上。隔离度：描

2、述主路输入端口与耦合支路隔离端口关系，理想情况下，隔离端口无信号输出，隔离度为无穷大；方向性：描述耦合支路耦合端口和隔离端口的比例关系。方向性二耦合度-隔离度定向耦合器的指标我们可以根据定向耦合器的基本原理来解释。定向耦合器作为一个四端口网络，其原理图如下图所示。信号输入端口1的功率为P1信号输出端口2的功率为P2,信号耦合端口3的功率为P3,信号隔离端口4的功率为P4.21JPP1A2定向耦合器43T(6B)-IO1gC(dB)二一IO1g/（曲=10吟=IO1g在No.2定向耦合器的分类我们知道了定向耦合器的基本参数，那么对于常用的定向耦合器，根据其构成可分为集总参数定向耦合器和分布参数定

3、向耦合器；分布参数定向耦合器又可以依据其耦合方式和传输线的组成分成微带定向耦合器，波导定向耦合器等等。集总参数定向耦合器集总参数定向耦合器就是由集总参数元器件构成的定向耦合器，也就是由集总参数的电感电容组成的。下图是集总参数组成的分支线定向耦合器。集总参数定向耦合器其结构简单，可根据电路性质分为低通型（电路a）和高通型（电路b）,其设计步骤如下：1,确定定向耦合器的技术指标，包括耦合系数C,端口阻抗ZO和工作频率f0。2,将上述指标参数带入下列公式，直接计算，得到k,ZOS和ZOp:3,根据系统所需要，选用合适的电路模型高通型/低通型，再套公式：低通型：1S-cP=ZOSM1高通型：1P12次

4、ZOSZOP2f最后最好在仿真软件里面再做一下仿真.。看示例：2WZ一ww50w3.w5OwMsoPP5。理蹴PPoIabeksubTRNDo(H5FREQVAR1inearstep50MHZ10MHz5MHzWsO：2.92Mp50:IOmc1:2.2pf看结果：分布参数定向耦合器分布参数定向耦合器就是利用分布参数元器件构成了，简单来说就是用各种传输线来做的一个四端口无源器件。从构成来说可分为分支线型和耦合线型。分支线型1串联臂Zo并联臂13耦合线型我们在之前的文章中详细学习过这两种定向耦合器的性质，需要特殊注意的是，分支线的端口3是耦合端口，端口4是隔离端口，而耦合线型刚好相反。从这个角度

5、来说，耦合线型有一个180。反向效应。3.1 分支线型定向耦合器下图是常见的一种分支线定向耦合器示意图，由主线，副线和两个耦合分支线构成。主线，副线和分支线即可以有微带线构成，也可以由带状线，同轴线组成。常见的是微带线型的分支线定向耦合器。pO4所有定向耦合器的定向耦合特性都是由两个或者两个以上的波或者波分量在耦合端口叠加，并在隔离端口相抵消而产生的。对于上图的分支线定向耦合器，分支线的长度和间距都是四分之一波长。那么我们首先来看一下它的定向性是怎么来的？我们以上图定向耦合器为例，分别看一下信号在定向耦合器的四个端口个是怎么工作的？1 .假设端口(1)为输入端，信号有两条路径到端口(4),如下

6、图所示。第一条路径的波程为四分之一波长，第二条路径的波程为四分之三波长，波程差为二分之一波长，对应的相位差为180。相位相反，互相抵消。当两路信号的幅度完全相等时，完全抵消C那么端口(4)就是定向耦合器的隔离端。2,那么端口（2）呢？似乎路径与端口（4）完全一样，两路信号也是程180。的相位差，互相抵消。那么，当端口（4）为隔离端时，路径AB的信号幅度远大于路径ADCB过来的信号，那么这个抵消的部分，就是定向耦合器的耦合损耗。端口2把剩余的信号传输过去，这个就是直通端3,继续看端口（3）0两路信号到达C点的波程长度一样，都是二分之一波长，相互叠加，为耦合端。耦合端的信号和直通端的信号的波程差为

7、四分之一波长，对应的相位差为90。这个定向耦合器就是90。定向耦合器。上面只是定性分析了一下分支线定向耦合器的工作原理。接下来我们对其进行数学分析。看看数学上说不说的过去？分析方法为耦合器常用的“奇偶模分析法”。为了得到各个端口输出波电压的性质，那么我们假定端口入射波电压Vi=I,端口入射波电压V4=0o奇模激励下，分支线对称面上的电压等于零，等效为短路。偶模激励下，分支线对称面上的电流为零，等效为开路。此时四端口网络可以转化成两个二端口网络，其中每个二端口网络的端口电压都是奇模激励和偶模激励两种情况下端口电压的叠加。然后经过一系列等效，得到最终的阻抗关系为：1-t1%。=bjR，=-彘12.

8、o=ai2.eaXX,O*尿U%1曾=j以Oa.e=-D*二地一等道对于不变阻双分支定向耦合器（即A=I）z,=-1=4a，TZ/2图6.2-1微带双分支定向耦合器7_1_Zo抄不下去了，这是什么数学？记住下面两个公式得了。（划重点啦）好了，来个例子玩玩。试设计一个3dB微带双分支定向耦合器，已知各端口微带线特性阻抗均为50,中心频率为5GHz,介质基板的相对介电常数r=96,基板厚度h=0.8mm先算：按照上面圈里面的两个公式，编程算一下：C=3;%3dBV3=sqrt(1(10(310)b=1(sqrt(1-V32)a1=b*V3a2=a1Z0=50;Za1=ZOa1Za2=Z0a2Zb=

9、ZOb最后得到Za1=50Ohm,Za2=50Ohm,Zb=35,40hm然后根据微带线的阻抗公式得出：Wq=Wax=Wa1=0.795mmWb=1.486mmXPb久b=7.002=22.675(mm)接下来，带入到仿真软件中看一下结果怎么样吧。3.2耦合线定向耦合器作为信号的主传输线，另一端作为信号的耦合线C这个传输线既可以是微带线，也可以是带状线。大功率，低损耗的耦合线定向耦合器常常由空气腔体耦合带状线构成，如下图所定性分析上图是一款常见的平行线定向耦合器，其耦合线长度为1。我们假设端口1是射频信号的输入口，端口2,毋庸置疑，就是信号的直通端。那么我们来定性分析一下端口3和端口4的射频信

10、号的特性，以确定哪个是耦合端，哪个是隔离端？我们先回忆一下分支线型定向耦合器的定性分析。我们是利用信号的相位差来确定耦合端和隔离端的。那么看下图，大家知道那个是隔离端口，哪个是耦合端口吗？对于射频工程师，建议记牢这个。口QZoZo国(Zjx那么对于耦合线型的耦合器，怎么快速判断耦合端口和隔离端口呢？首先来明确两个概念。第一，对于靠的很近的两条线，他们之间的有个耦合电容C。并且靠的越近，电容越大。电容耦合电流ic3和ic4分辨沿着耦合线向两端传输。第二，对于电磁信号传输主线上的射频信号口，根据电磁感应定律会在耦合线上有一个感应电流i1i1的方向与i1的方向相反。这样在端口3,电容耦合电流ic3和

11、感应电流i13同向叠加。在端口4,电容耦合电流ic4和感应电流止4方向相反互相抵消。在理想情况下，端口4的两个电流抵消为0,没有信号输出，为隔离端。端口3为耦合端。和分支线定向耦合器不同的是，平行耦合线定向耦合器的耦合端和直通端是反向的，因此又称为“反向型定向耦合器u0定量分析。平行线定向耦合器的分析方法依然是奇偶模分析法。详细过程如下：COSjz。Sinhz”a=.sin(1)Ih-0(2)JCOSe_ZOoa-COSe.sin.1jzeSine(1)(2)1ae-CoSe其中，zqo=ZqoZq,Z0,=Z0Z0,ZO为外接传输线的特性阻抗。当各端口接匹配负载时，由以上两式可求得相应然后经

12、过几百字的分析（此处省略IoOO字，详细推导过程，请翻阅参考书微波技术与微波器件）得出设计公式：继续圈重点。设计一平行耦合线定向耦合器，指标为：中心频率3.5GHz,耦合度C=15dB,引出线特性阻抗为50t介质基片r=9.6,h=1mm0Step1:带入公式计算：W1h=0.971W1=0.97mm；sh=0.62,s=0.62mm耦合线段的长度近似认为等于未耦合单根线的1/4波长。根据微带线公式计算出微带线宽度：W0=0.99mmstep2:带入HFSS建模仿真:(4)step3:仿真结果如下：平行线定向耦合器的宽频带设计为了获得更大的带宽，使用多个/4耦合部分。这种耦合器的设计与分布式元

13、件滤波器的设计大致相同。耦合器的各部分被视为滤波器的部分，通过调整每个部分的耦合系数，可以使耦合端口具有任何经典滤波器响应，例如最大平坦（巴特沃斯滤波器），等纹波（椭圆函数滤波器）或指定纹波（切比雪夫滤波器）响应。纹波滤波器是通带中耦合端口输出的最大变化，通常用标称耦合因子作为正或负的dB值。444443.3耦合孔耦合器另一种常用的耦合线耦合器是有波导线间的耦合孔来实现的，我们叫做耦合孔耦合器。矩形波导定向耦合器同上面介绍的两款定向耦合器一样，由主波导和负波导组成。通过主波导和副波导公共壁上的耦合孔进行耦合。根据耦合孔的数目和形状，波导定向耦合器可分为单孔定向耦合器，多孔定向耦合器，十字孔定向

14、耦合器匹配双T和波导裂缝电桥等多种结构形式。单孔定向耦合器(3)(1)(4)(2)单孔定向耦合器的结构如上图所示，其主副波导的公共壁是宽壁，圆孔开在公共宽壁的中心线上。假设输入信号的波形为TEIO模，其模式图如下图所示。当TEIo波从主波导端口1输入后，大部分的信号从端口2输出，一小部分的信号能量通过公共壁上的圆孔耦合到副波导中去，而且耦合到副波导中的能量大部分从端口3输出，端口4有很少的信号能量输出。那么对于单孔耦合器，端口1为耦合器的输入口，端口2为直通口，端口3为耦合口，端口4为隔离口。为什么呢？先看下面的场图和电流分布图。把这个记在脑海我们从电磁场的分布中去寻找答案。根据TE1O波再矩形波导中的电磁场分布，在耦合圆孔附近的电场和磁场分布如下图所当主波导的TE1O波到达耦合圆孔时，电场能量E会通过耦合圆孔进入副波导的公共宽壁上，使圆孔周围得到大小相等方向相同的电场分布，如上图b所示。由于圆孔在波导宽面的中心线上，在圆孔处，除了电场耦合外，磁场同样会通过耦合圆孔进入到副波导中去。如图C所示。这样电磁场通过耦合孔进入到副波导线中之后，会相互叠加。由上图可知，在端口3,电磁场耦合