定向耦合器PPT讲稿.ppt

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1、定向耦合器第1页，共30页，编辑于2022年，星期六6.1 6.1 定向耦合器的基本原理定向耦合器的基本原理6.1.1 6.1.1 定向耦合器的技术指标定向耦合器的技术指标 包括频率范围、包括频率范围、包括频率范围、包括频率范围、插入损耗、插入损耗、插入损耗、插入损耗、耦合度、耦合度、耦合度、耦合度、方向性、方向性、方向性、方向性、隔离度等。隔离度等。隔离度等。隔离度等。(1)(1)(1)(1)工作频带工作频带工作频带工作频带:定向耦合器的功能实现主要依靠波程相位的关系定向耦合器的功能实现主要依靠波程相位的关系定向耦合器的功能实现主要依靠波程相位的关系定向耦合器的功能实现主要依靠波程相位的关系

2、,也也也也就是说与频率有关。就是说与频率有关。就是说与频率有关。就是说与频率有关。(2)(2)(2)(2)插入损耗：插入损耗：插入损耗：插入损耗：主路输出端和主路输入端的功率比值主路输出端和主路输入端的功率比值主路输出端和主路输入端的功率比值主路输出端和主路输入端的功率比值,包括耦合损耗包括耦合损耗包括耦合损耗包括耦合损耗和导体介质的热损耗。和导体介质的热损耗。和导体介质的热损耗。和导体介质的热损耗。第2页，共30页，编辑于2022年，星期六(3)(3)(3)(3)耦合度耦合度耦合度耦合度:描述耦合输出端口与主路输入端口的比例关系描述耦合输出端口与主路输入端口的比例关系描述耦合输出端口与主路输

3、入端口的比例关系描述耦合输出端口与主路输入端口的比例关系,通常通常通常通常用分贝表示用分贝表示用分贝表示用分贝表示,dB,dB,dB,dB值越大值越大值越大值越大,耦合端口输出功率越小。耦合度耦合端口输出功率越小。耦合度耦合端口输出功率越小。耦合度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。的大小由定向耦合器的用途决定。的大小由定向耦合器的用途决定。的大小由定向耦合器的用途决定。(4)(4)(4)(4)方向性方向性方向性方向性:描述耦合输出端口与耦合支路隔离端口的比例关系。理描述耦合输出端口与耦合支路隔离端口的比例关系。理描述耦合输出端口与耦合支路隔离端口的比例关系。理描述耦合输

4、出端口与耦合支路隔离端口的比例关系。理想情况下想情况下想情况下想情况下,方向性为无限大。方向性为无限大。方向性为无限大。方向性为无限大。(5)(5)(5)(5)隔离度隔离度隔离度隔离度:描述主路输入端口与耦合支路隔离端口的比例关描述主路输入端口与耦合支路隔离端口的比例关描述主路输入端口与耦合支路隔离端口的比例关描述主路输入端口与耦合支路隔离端口的比例关系。理想情况下系。理想情况下系。理想情况下系。理想情况下,隔离度为无限大。隔离度为无限大。隔离度为无限大。隔离度为无限大。第3页，共30页，编辑于2022年，星期六6.1.2 6.1.2 定向耦合器的原理定向耦合器的原理 定向耦合器是个四端口网络

5、结构。定向耦合器是个四端口网络结构。定向耦合器是个四端口网络结构。定向耦合器是个四端口网络结构。描述定向耦合器特性的三个指标间有严格的关系描述定向耦合器特性的三个指标间有严格的关系,即即方向性隔离度方向性隔离度-耦合度。耦合度。图图 6-1 6-1 定向耦合器方框图定向耦合器方框图第4页，共30页，编辑于2022年，星期六 若若若若P1P1P1P1、P2P2P2P2、P3P3P3P3、P4P4P4P4皆用毫瓦（皆用毫瓦（皆用毫瓦（皆用毫瓦（mWmWmWmW）来表示）来表示）来表示）来表示,定向定向定向定向耦合器的四大参数则可定义为：耦合器的四大参数则可定义为：耦合器的四大参数则可定义为：耦合器

6、的四大参数则可定义为：插入损耗插入损耗方向性方向性耦合度耦合度隔离度隔离度第5页，共30页，编辑于2022年，星期六6.2 6.2 集总参数定向耦合器集总参数定向耦合器6.2.1 6.2.1 集总参数定向耦合器设计方法集总参数定向耦合器设计方法 常用的集总参数定向耦合器是电感和电容组成的分支常用的集总参数定向耦合器是电感和电容组成的分支常用的集总参数定向耦合器是电感和电容组成的分支常用的集总参数定向耦合器是电感和电容组成的分支线耦合器。其基本结构有两种：线耦合器。其基本结构有两种：线耦合器。其基本结构有两种：线耦合器。其基本结构有两种：低通低通低通低通L-CL-CL-CL-C式和高通式和高通式

7、和高通式和高通L-CL-CL-CL-C式。式。式。式。图图 6-2 L-C6-2 L-C分支线型耦合分支线型耦合(a)(a)低通式；低通式；(b)(b)高通式高通式 第6页，共30页，编辑于2022年，星期六集总参数定向耦合器的设计步骤：集总参数定向耦合器的设计步骤：集总参数定向耦合器的设计步骤：集总参数定向耦合器的设计步骤：步骤一步骤一步骤一步骤一:确定耦合器的指标确定耦合器的指标确定耦合器的指标确定耦合器的指标,包括耦合系数包括耦合系数包括耦合系数包括耦合系数C(dB)C(dB)C(dB)C(dB)、端端端端口的等效阻抗口的等效阻抗口的等效阻抗口的等效阻抗Z Z Z Z0 0 0 0（）、

8、电路的工作频率）、电路的工作频率）、电路的工作频率）、电路的工作频率f f f fc c c c。步骤二：利用公式计算出步骤二：利用公式计算出步骤二：利用公式计算出步骤二：利用公式计算出k k k k、Z Z Z Z0s0s0s0s及及及及Z Z Z Z0p0p0p0p:第7页，共30页，编辑于2022年，星期六 步骤三步骤三步骤三步骤三:利用下列公式计算出元件值利用下列公式计算出元件值利用下列公式计算出元件值利用下列公式计算出元件值:（1 1 1 1）低通低通低通低通L-CL-CL-CL-C式式式式:（2 2 2 2）高通高通高通高通L-CL-CL-CL-C式式式式:第8页，共30页，编辑于

9、2022年，星期六 步骤四步骤四步骤四步骤四:利用模拟软件检验利用模拟软件检验利用模拟软件检验利用模拟软件检验,再微调。再微调。再微调。再微调。6.2.2 6.2.2 集总参数定向耦合器设计实例集总参数定向耦合器设计实例 设计一个工作频率为设计一个工作频率为设计一个工作频率为设计一个工作频率为400 MHz400 MHz400 MHz400 MHz的的的的10 dB10 dB10 dB10 dB低通低通低通低通L-CL-CL-CL-C支路型耦合支路型耦合支路型耦合支路型耦合器。器。器。器。Z Z Z Z0 0 0 0=50,=50,=50,=50,要求要求要求要求S S S S11111111

10、-13dB,S-13dB,S-13dB,S-13dB,S21212121-2 dB,S-2 dB,S-2 dB,S-2 dB,S31313131-13-13-13-13 dB,SdB,SdB,SdB,S41414141-10 dB-10 dB-10 dB-10 dB。步骤一步骤一步骤一步骤一:确定耦合器的指标确定耦合器的指标确定耦合器的指标确定耦合器的指标,C=-10dB,f,C=-10dB,f,C=-10dB,f,C=-10dB,fc c c c=400MHz,=400MHz,=400MHz,=400MHz,Z Z Z Z0 0 0 0=50=50=50=50。步骤二步骤二步骤二步骤二:计算

11、计算计算计算K K K K、Z Z Z Z0s0s0s0s、Z Z Z Z0p0p0p0p：第9页，共30页，编辑于2022年，星期六 步骤三步骤三步骤三步骤三:利用下列公式计算元件值：利用下列公式计算元件值：利用下列公式计算元件值：利用下列公式计算元件值：第10页，共30页，编辑于2022年，星期六图图 6-36-3低通低通L-CL-C支路型耦合器等效电路支路型耦合器等效电路步骤四步骤四:仿真计算。仿真计算。第11页，共30页，编辑于2022年，星期六图图 6-4 6-4 低通低通L-CL-C支路型耦合器仿真结果支路型耦合器仿真结果第12页，共30页，编辑于2022年，星期六6.3 6.3

12、耦合微带定向耦合器耦合微带定向耦合器6.3.1 6.3.1 平行耦合线耦合器基本原理平行耦合线耦合器基本原理 通常通常通常通常,它由主线和辅线构成它由主线和辅线构成它由主线和辅线构成它由主线和辅线构成,两条平行微带的长度为四两条平行微带的长度为四两条平行微带的长度为四两条平行微带的长度为四分之一波长。信号由分之一波长。信号由分之一波长。信号由分之一波长。信号由1 1 1 1口输入口输入口输入口输入,2,2,2,2口输出口输出口输出口输出,4,4,4,4口是耦合口口是耦合口口是耦合口口是耦合口,3,3,3,3口是口是口是口是隔离端口。隔离端口。隔离端口。隔离端口。因在辅线上耦合输出的方向与主线上

13、波传播的方向相反因在辅线上耦合输出的方向与主线上波传播的方向相反因在辅线上耦合输出的方向与主线上波传播的方向相反因在辅线上耦合输出的方向与主线上波传播的方向相反,它也被称为它也被称为它也被称为它也被称为“反向定向耦合器反向定向耦合器反向定向耦合器反向定向耦合器”。当导线。当导线。当导线。当导线1 1 1 12 2 2 2中有交变电流中有交变电流中有交变电流中有交变电流i i i i1 1 1 1流过的时候流过的时候流过的时候流过的时候,由于由于由于由于4 4 4 43 3 3 3线和线和线和线和1 1 1 12 2 2 2线相互靠近线相互靠近线相互靠近线相互靠近,4,4,4,43 3 3 3线

14、中耦合线中耦合线中耦合线中耦合有能量有能量有能量有能量,能量既通过电场（以耦合电容表示）又通过磁场能量既通过电场（以耦合电容表示）又通过磁场能量既通过电场（以耦合电容表示）又通过磁场能量既通过电场（以耦合电容表示）又通过磁场（以耦合电感表示）耦合。通过耦合电容（以耦合电感表示）耦合。通过耦合电容（以耦合电感表示）耦合。通过耦合电容（以耦合电感表示）耦合。通过耦合电容m m m m的耦合的耦合的耦合的耦合,在传在传在传在传输线输线输线输线4 4 4 43 3 3 3中引起的电流为中引起的电流为中引起的电流为中引起的电流为i i i ic4c4c4c4和和和和i i i ic3c3c3c3。第13

15、页，共30页，编辑于2022年，星期六图图 6-56-5平行线型耦合器平行线型耦合器图图6-6 6-6 耦合线方向性的解释耦合线方向性的解释第14页，共30页，编辑于2022年，星期六 同时由于同时由于同时由于同时由于i i i i1 1 1 1的交变磁场的作用的交变磁场的作用的交变磁场的作用的交变磁场的作用,在线在线在线在线4 4 4 43 3 3 3上感应有电流上感应有电流上感应有电流上感应有电流iLiLiLiL。根据电磁感应定律根据电磁感应定律根据电磁感应定律根据电磁感应定律,感应电流感应电流感应电流感应电流i i i iL L L L的方向与的方向与的方向与的方向与i i i i1 1

16、 1 1的方向相反的方向相反的方向相反的方向相反,所以能量从所以能量从所以能量从所以能量从1 1 1 1口输入口输入口输入口输入,耦合口就是耦合口就是耦合口就是耦合口就是4 4 4 4口。而在口。而在口。而在口。而在3 3 3 3口因为电耦合口因为电耦合口因为电耦合口因为电耦合电流的电流的电流的电流的i i i ic3c3c3c3与磁耦合电流与磁耦合电流与磁耦合电流与磁耦合电流i i i iL L L L的相位相反而叠加抵消的相位相反而叠加抵消的相位相反而叠加抵消的相位相反而叠加抵消,故故故故3 3 3 3口是隔口是隔口是隔口是隔离口。离口。离口。离口。6.3.2 6.3.2 平行耦合线耦合器

17、设计方法平行耦合线耦合器设计方法 平行线耦合定向耦合器的设计步骤平行线耦合定向耦合器的设计步骤平行线耦合定向耦合器的设计步骤平行线耦合定向耦合器的设计步骤:步骤一步骤一步骤一步骤一:确定耦合系数确定耦合系数确定耦合系数确定耦合系数C(dB)C(dB)C(dB)C(dB)、各端口的特性阻抗各端口的特性阻抗各端口的特性阻抗各端口的特性阻抗Z Z Z Z0 0 0 0（）、中心频率）、中心频率）、中心频率）、中心频率f f f fc c c c、基板参数（、基板参数（、基板参数（、基板参数（r r r r,h,h,h,h）。）。）。）。步骤二：计算奇模阻抗和偶模阻抗步骤二：计算奇模阻抗和偶模阻抗步骤

18、二：计算奇模阻抗和偶模阻抗步骤二：计算奇模阻抗和偶模阻抗Z Z Z Z0e0e0e0e和和和和Z Z Z Z0o0o0o0o。第15页，共30页，编辑于2022年，星期六步骤三步骤三步骤三步骤三:依据基板参数（依据基板参数（依据基板参数（依据基板参数（r r r r,h,h,h,h）,利用软件利用软件利用软件利用软件Mathcad11Mathcad11Mathcad11Mathcad11计算计算计算计算Z Z Z Z0e0e0e0e、Z Z Z Z0o0o0o0o的微带耦合线的宽度及间距的微带耦合线的宽度及间距的微带耦合线的宽度及间距的微带耦合线的宽度及间距（W,SW,SW,SW,S）和四分之

19、一波长的长度（）和四分之一波长的长度（）和四分之一波长的长度（）和四分之一波长的长度（P P P P）。）。）。）。步骤四步骤四步骤四步骤四:利用模拟软件检验利用模拟软件检验利用模拟软件检验利用模拟软件检验,再微调。再微调。再微调。再微调。第16页，共30页，编辑于2022年，星期六6.3.3 6.3.3 平行耦合线耦合器设计实例平行耦合线耦合器设计实例 设计一个工作频率为设计一个工作频率为设计一个工作频率为设计一个工作频率为750 MHz750 MHz750 MHz750 MHz的的的的10dB10dB10dB10dB平行线型耦合器平行线型耦合器平行线型耦合器平行线型耦合器(Z(Z(Z(Z0

20、 0 0 0=50)=50)=50)=50)。步骤一步骤一步骤一步骤一:确定确定确定确定,包括包括包括包括C=-10dB,fC=-10dB,fC=-10dB,fC=-10dB,fc c c c=750MHz,FR4=750MHz,FR4=750MHz,FR4=750MHz,FR4基板参基板参基板参基板参数数数数r r r r=4.5,h=1.6 mm=4.5,h=1.6 mm=4.5,h=1.6 mm=4.5,h=1.6 mm，tan=0.015,tan=0.015,tan=0.015,tan=0.015,材料为铜材料为铜材料为铜材料为铜(1 mil)(1 mil)(1 mil)(1 mil)

21、。步骤二步骤二步骤二步骤二:计算奇偶模阻抗：计算奇偶模阻抗：计算奇偶模阻抗：计算奇偶模阻抗：第17页，共30页，编辑于2022年，星期六步骤三步骤三步骤三步骤三:建立图示电路拓扑建立图示电路拓扑建立图示电路拓扑建立图示电路拓扑,计算得计算得计算得计算得W=2.38mm,S=0.31mm,W=2.38mm,S=0.31mm,W=2.38mm,S=0.31mm,W=2.38mm,S=0.31mm,P=57.16mm,P=57.16mm,P=57.16mm,P=57.16mm,且且且且50505050微带线宽度微带线宽度微带线宽度微带线宽度W W W W50505050=2.92mm=2.92mm=

22、2.92mm=2.92mm。图图 6-76-7平行线型耦合器电路图平行线型耦合器电路图第18页，共30页，编辑于2022年，星期六仿真结果如图示。仿真结果如图示。仿真结果如图示。仿真结果如图示。图图 6-86-8平行线型耦合器仿真结果平行线型耦合器仿真结果第19页，共30页，编辑于2022年，星期六问题：问题：问题：问题：1.1.1.1.可变衰减器的衰减量动态范围和平坦度可变衰减器的衰减量动态范围和平坦度可变衰减器的衰减量动态范围和平坦度可变衰减器的衰减量动态范围和平坦度 2.2.图示定向耦合器结构完全对称，若从三端口输入信号，图示定向耦合器结构完全对称，若从三端口输入信号，插入衰减、耦合度、

23、方向性和隔离度怎么表示？插入衰减、耦合度、方向性和隔离度怎么表示？第20页，共30页，编辑于2022年，星期六问题：问题：问题：问题：3.3.3.3.对称无耗匹配理想的定向耦合器的对称无耗匹配理想的定向耦合器的对称无耗匹配理想的定向耦合器的对称无耗匹配理想的定向耦合器的S S S S矩阵是？矩阵是？矩阵是？矩阵是？分两类：第一类，假设端口分两类：第一类，假设端口1 1和和4 4完全隔离，由于对完全隔离，由于对称，端口称，端口2 2和和3 3也完全隔离，即也完全隔离，即由结构对称，还有由结构对称，还有由各端口匹配且网络互易，由各端口匹配且网络互易，S S矩阵为矩阵为第21页，共30页，编辑于20

24、22年，星期六的第一行乘以的第一行乘以网络无耗网络无耗此式也可写作此式也可写作的第一列，得的第一列，得的第一行乘以的第一行乘以的第四列，得的第四列，得即即为纯虚数，令为纯虚数，令第22页，共30页，编辑于2022年，星期六故这类耦合器的故这类耦合器的S S矩阵为矩阵为在耦合臂和直通臂之间存在着在耦合臂和直通臂之间存在着 的相位差的相位差则则对于第二类，假设端口对于第二类，假设端口1 1和和3 3完全隔离，由于对完全隔离，由于对称，端口称，端口2 2和和4 4也完全隔离，即也完全隔离，即第23页，共30页，编辑于2022年，星期六由结构对称，还有由结构对称，还有各端口匹配且网络无耗互易，则各端口

25、匹配且网络无耗互易，则S S矩阵为矩阵为第24页，共30页，编辑于2022年，星期六6.4 6.4 应用奇偶模理论分析定向耦合器应用奇偶模理论分析定向耦合器设有幅度为设有幅度为设有幅度为设有幅度为1 1 1 1的波从端口的波从端口的波从端口的波从端口1 1 1 1输入，分解为奇偶模激励输入，分解为奇偶模激励输入，分解为奇偶模激励输入，分解为奇偶模激励第25页，共30页，编辑于2022年，星期六考虑对称性和互易性，其考虑对称性和互易性，其S S矩阵为矩阵为偶模激励时，有偶模激励时，有第26页，共30页，编辑于2022年，星期六展开，得展开，得引入偶模反射系数和传输系数引入偶模反射系数和传输系数和

26、和由于对称，由于对称，1 12 2和和3 34 4可看作两根独立且完全相同可看作两根独立且完全相同第27页，共30页，编辑于2022年，星期六的波导，的波导，是其中之一的反射系数和传输系数是其中之一的反射系数和传输系数和和奇模激励时，有奇模激励时，有展开，得展开，得第28页，共30页，编辑于2022年，星期六由各反射系数和传输系数的表示式求得由各反射系数和传输系数的表示式求得S S参量为参量为引入奇模反射系数和传输系数引入奇模反射系数和传输系数和和第29页，共30页，编辑于2022年，星期六通常取两种形式，一种是通常取两种形式，一种是和和另一种是另一种是和和第30页，共30页，编辑于2022年，星期六