第6章定向耦合器

6.1定向耦合器的基本原理6.2集總參數定向耦合器6.3耦合微帶定向耦合器6.4應用奇偶模理論分析定向耦合器6.5分支線型定向耦合器6.6環形橋定向耦合器6.7波導定向耦合器6.1定向耦合器的基本原理6.1.1定向耦合器的技術指標

包括頻率范圍、插入損耗、耦合度、方向性、隔離度等。

(1)工作頻帶:

定向耦合器的功能實現主要依靠波程相位的關系,也就是說與頻率有關。

(2)插入損耗：

主路輸出端和主路輸入端的功率比值,包括耦合損耗和導體介質的熱損耗。

(3)耦合度:

描述耦合輸出端口與主路輸入端口的比例關系,通常用分貝表示,dB值越大,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定。

(4)方向性:

描述耦合輸出端口與耦合支路隔離端口的比例關系。理想情況下,方向性為無限大。

(5)隔離度:

描述主路輸入端口與耦合支路隔離端口的比例關系。理想情況下,隔離度為無限大。 若P1、P2、P3、P4皆用毫瓦（mW）來表示,定向耦合器的四大參數則可定義為：插入損耗方向性耦合度隔離度6.2集總參數定向耦合器6.2.1集總參數定向耦合器設計方法

常用的集總參數定向耦合器是電感和電容組成的分支線耦合器。其基本結構有兩種：低通L-C式和高通L-C式。

圖6-2L-C分支線型耦合(a)低通式；(b)高通式集總參數定向耦合器的設計步驟：步驟一:確定耦合器的指標,包括耦合系數C(dB)、端口的等效阻抗Z0（Ω）、電路的工作頻率fc。步驟二：利用公式計算出k、Z0s及Z0p:

步驟四:利用模擬軟件檢驗,再微調。

6.2.2集總參數定向耦合器設計實例

設計一個工作頻率為400MHz的10dB低通L-C支路型耦合器。Z0=50Ω,要求S11≤-13dB,S21≥-2dB,S31≥-13dB,S41≤-10dB。步驟一:確定耦合器的指標,C=-10dB,fc=400MHz,Z0=50Ω。步驟二:計算K、Z0s、Z0p：

步驟三:利用下列公式計算元件值：圖6-3低通L-C支路型耦合器等效電路步驟四:仿真計算。6.3耦合微帶定向耦合器6.3.1平行耦合線耦合器基本原理

通常,它由主線和輔線構成,兩條平行微帶的長度為四分之一波長。信號由1口輸入,2口輸出,4口是耦合口,3口是隔離端口。因在輔線上耦合輸出的方向與主線上波傳播的方向相反,它也被稱為“反向定向耦合器”。當導線1—2中有交變電流i1流過的時候,由于4—3線和1—2線相互靠近,4—3線中耦合有能量,能量既通過電場（以耦合電容表示）又通過磁場（以耦合電感表示）耦合。通過耦合電容Ｃm的耦合,在傳輸線4—3中引起的電流為ic4和ic3。圖6-5平行線型耦合器圖6-6耦合線方向性的解釋④③

同時由于i1的交變磁場的作用,在線4—3上感應有電流iL。根據電磁感應定律,感應電流iL的方向與i1的方向相反,所以能量從1口輸入,耦合口就是4口。而在3口因為電耦合電流的ic3與磁耦合電流iL的相位相反而疊加抵消,故3口是隔離口。6.3.2平行耦合線耦合器設計方法

平行線耦合定向耦合器的設計步驟:步驟一:確定耦合系數C(dB)、各端口的特性阻抗Z0（Ω）、中心頻率fc、基板參數（εr,h）。步驟二：計算奇模阻抗和偶模阻抗Z0e和Z0o。6.3.3平行耦合線耦合器設計實例

設計一個工作頻率為750MHz的10dB平行線型耦合器(Z0=50Ω)。步驟一:確定,包括C=-10dB,fc=750MHz,FR4基板參數εr=4.5,h=1.6mm，tanδ=0.015,材料為銅(1mil)。步驟二:計算奇偶模阻抗：

步驟三: 建立圖示電路拓撲,計算得W=2.38mm,S=0.31mm,P=57.16mm,且50Ω微帶線寬度W50=2.92mm。圖6-7平行線型耦合器電路圖

仿真結果如圖示。圖6-8平行線型耦合器仿真結果問題：3.對稱無耗匹配理想的定向耦合器的S矩陣是？分兩類：第一類，假設端口1和4完全隔離，由于對稱，端口2和3也完全隔離，即由結構對稱，還有由各端口匹配且網絡互易，S矩陣為的第一行乘以網絡無耗此式也可寫作的第一列，得的第一行乘以的第四列，得即為純虛數，令故這類耦合器的S矩陣為在耦合臂和直通臂之間存在著的相位差則對于第二類，假設端口1和3完全隔離，由于對稱，端口2和4也完全隔離，即6.4應用奇偶模理論分析定向耦合器設有幅度為1的波從端口1輸入，分解為奇偶模激勵考慮對稱性和互易性，其S矩陣為偶