最新微波电路西电雷振亚老师的课件6章定向耦合器PPT课件.ppt

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1、微波电路西电雷振亚老师的课件微波电路西电雷振亚老师的课件6 6章定向耦合器章定向耦合器第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 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 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、插入损耗、耦合度、方向性、隔离度等。(1)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,也就是说与频率有关。工作频带确定后才能设计满足指标的定向耦合器。(2)插入损耗：主路输出端和主路输入端的功率比值,包括耦合损耗和导体介质的热损耗。第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 第第6

2、 6章章 定向耦合器定向耦合器 第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 集总参数定向耦合器的设计步骤如下：步骤一:确定耦合器的指标,包括耦合系数C(dB)、端口的等效阻抗Z0（）、电路的工作频率fc。步骤二：利用下列公式计算出k、Z0s及Z0p:第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 步骤三:利用下列公式计算出元件值:（1）低通L-C式:（2）高通L-C式:第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 步骤四:利用模拟软件检验,再经过微调以满足设计要求。6.2.2 集总参数定向耦合器设计实例设计一个工作频率为400 MHz的10

3、dB低通L-C支路型耦合器。Z0=50,要求S11-13dB,S21-2 dB,S31-13 dB,S41-10dB。步骤一:确定耦合器的指标,C=-10dB,fc=400MHz,Z0=50。步骤二:利用下列公式计算K、Z0s、Z0p：第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 步骤三:利用下列公式计算元件值：步骤四:进行仿真计算,如图 6-3 所示。第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 图 6-3低通L-C支路型耦合器等效电路第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 仿真结果如图6-4所示。图 6-4 低通L-C支路型耦合器仿真结果第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 6.3 6.3 耦合微耦合微带带

4、定向耦合器定向耦合器6.3.1 平行耦合线耦合器基本原理通常,平行耦合线定向耦合器由主线和辅线构成,两条平行微带的长度为四分之一波长,如图6-5所示。信号由1口输入,2口输出,4口是耦合口,3口是隔离端口。因为在辅线上耦合输出的方向与主线上波传播的方向相反,故这种形式的定向耦合器也称为“反向定向耦合器”。当导线12中有交变电流i1流过的时候,由于43线和12线相互靠近,故43线中便耦合有能量,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m的耦合,在传输线43中引起的电流为ic4和ic3。第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 图 6-5平行线型耦合器第第6 6章

5、章 定向耦合器定向耦合器 同时由于i1的交变磁场的作用,在线43上感应有电流iL。根据电磁感应定律,感应电流iL的方向与i1的方向相反,如图6-6所示。所以能量从1口输入,则耦合口是4口。而在3口因为电耦合电流的ic3与磁耦合电流iL的作用相反而能量互相抵消,故3口是隔离口。6.3.2 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如下:步骤一:确定耦合器指标,包括耦合系数C(dB)、各端口的特性阻抗Z0（）、中心频率fc、基板参数（r,h）。步骤二：利用下列公式计算奇模阻抗和偶模阻抗Z0e和Z0o。第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 图6-6 耦合线方向性的解释第第6 6章章 定向

6、耦合器定向耦合器 步骤三:依据设计使用的基板参数（r,h）,利用软件Mathcad11计算出Z0e、Z0o的微带耦合线的宽度及间距（W,S）和四分之一波长的长度（P）。步骤四:利用模拟MicrowaveOffice软件检验,再经过微调以满足设计要求。第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 6.3.3 平行耦合线耦合器设计实例设计一个工作频率为750 MHz的10dB平行线型耦合器(Z0=50)。步骤一:确定耦合器指标,包括C=-10dB,fc=750MHz,FR4基板参数r=4.5,h=1.6 mm，tan=0.015,材料为铜(1 mil)。步骤二:计算奇偶模阻抗：第第6 6章章 定向耦合器定

7、向耦合器 步骤三:电路拓扑如图6-7 所示,利用Mathcad11软件计算,得 出 耦 合 线 宽 度 W=2.38mm,间 距 S=0.31mm,长 度P=57.16mm,且50微带线宽度W50=2.92mm。第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 图 6-7平行线型耦合器电路图第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 Microwave Office软件仿真结果如图6-8 所示,图中自上而下便是S21、S31、S41、S11的dB值,这些值可以在附录1的实验中测量作比较。第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 图 6-8平行线型耦合器仿真结果第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 在上述平行耦合线定

8、向耦合器的基础上,可以得到各种变形结构,如图6-9 所示。结构越复杂,计算越困难。在正确概念的指导下,实验仍然是这类电路设计的有效方法。第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 图 6-9耦合线的变形第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 图 6-9耦合线的变形第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 图 6-9耦合线的变形第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 图 6-9耦合线的变形第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 6.4 6.4 分支分支线线型定向耦合器型定向耦合器6.4.1 分支线型定向耦合器原理如图6-10 所示分支线耦合器结构,各个支线在中心频率上是四分之一波导波长,由于微带的波导波长还与阻

9、抗有关,故图中支线与主线的长度不等,阻抗越大,尺寸越长。第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 图 6-10分支线耦合器第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 如果分支线耦合器的各个端口接匹配负载,信号从1口输入,4口没有输出,为隔离端,2口和3口的相位差为90,功率大小由主线和支线的阻抗决定。6.4.2 分支线型定向耦合器设计分支线型定向耦合器的设计步骤如下:步骤一:确定耦合器指标,包括耦合系数C(dB)、各端口的特性阻抗Z0（）、中心频率fc、基板参数（r,h）。步骤二:利用下列公式计算出支线和主线的归一化导纳a和b:第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 步骤三:计算特性阻抗Za和Zb,以及相

10、应的波导波长。步骤四:用软件计算微带实际尺寸。6.4.3 分支线型定向耦合器设计实例设计3 dB分支线耦合器,负载为50,中心频率为 5 GHz,基 板 参 数 为 r 9.6,h=0.8mm。步骤一:确定耦合器指标(略)。步骤二:计算归一化导纳:b=,a=1 第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 步骤三:计算特性阻抗：步骤四:计算微带实际尺寸:支线 50 W=0.83 mm,L=6.02mm 主线 35.3W=1.36 mm,L=5.84 mm 第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 6.5 6.5 环环形形桥桥定向耦合器定向耦合器混合环又称环形桥,结构如图 6-11(a)所示。它的功能与分支

11、线耦合器相似,不同的是两个输出端口的相位差为180。当信号从端口1输入时,端口4是隔离端,端口2和端口3功率按一定比例反相输出,也就是相位差为180。当信号从端口4输入时,端口1是隔离端,端口3和端口2功率按一定比例反相输出。同样地,端口2和端口3也是隔离的,无论从哪个口输入信号,仅在端口1和端口4比例反相输出。第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 图 6-11 微带环形桥与波导魔T第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 用波程相移理解这个原理比较简单：当信号从端口1输入时,到端口2为90,到端口3为270,故端口3比端口2滞后180。端口1的信号经端口2到达端口4为180,经端口3到达端口4为

12、360,两路信号性质相反,在端口4抵消形成隔离端。理论上,环形桥的两个输出口的功率比值可以是任意的,实际中,各个环段上的阻抗不宜相差太大,阻抗差别过大难于实现。工程中,常用的环形桥两个输出口是等功率的。第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 等功率输出环形桥与波导魔T如图6-11(b)所示,两者有相同的性质,故环形桥又称魔T。其用途与分支线相同,频带和隔离特性比分支线更好。由于隔离口夹在两个输出口之间,输出信号要跨过隔离端,实现微波电子线路不如分支线方便。合环的设计关键就是按照分配比计算阻抗值和长度。对于等分环形桥,有Z1=Z2=Z0每个端口之间的距离为g/4或3g/4。第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 24GHz混频器结束语结束语谢谢大家聆听！谢谢大家聆听！43