微波电路（西电雷振亚老师）_第6章_定向耦合器学习教案.pptx

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1、会计学1微波微波(wib)电路（西电雷振亚老师）电路（西电雷振亚老师）_第第6章章_定向耦合器定向耦合器第一页，共42页。(3)耦合度:描述耦合输出端口与主路输入(shr)端口的比例关系,通常用分贝表示,dB值越大,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。(4)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。理想情况下,方向性为无限大。(5)隔离度:描述主路输入(shr)端口与耦合支路隔离端口的比例关系。理想情况下,隔离度为无限大。描述定向耦合器特性的三个指标间有严格的关系,即方向性耦合度-隔离度。第2页/共42页第二页，共42页。定向(dn xin)耦合器的原理定向(

2、dn xin)耦合器是个四端口网络结构,如图6-1所示。第3页/共42页第三页，共42页。图 6-1 定向(dn xin)耦合器方框图第4页/共42页第四页，共42页。信号输入端1的功率为P1,信号传输端2的功率为P2,信号耦合端3的功率为P3,信号隔离(gl)端4的功率为P4。若P1、P2、P3、P4皆用毫瓦（mW）来表示,定向耦合器的四大参数则可定义为：插入损耗 第5页/共42页第五页，共42页。6.2 6.2 集总参数集总参数(cnsh)(cnsh)定向耦合定向耦合器器 集总参数定向耦合器设计(shj)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线耦合器。其基本结构有两种：低通L-

3、C式和高通L-C式,如图6-2所示。第6页/共42页第六页，共42页。图 6-2 L-C分支(fnzh)线型耦合器(a)低通式；(b)高通式 第7页/共42页第七页，共42页。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(boku)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8页/共42页第八页，共42页。步骤三:利用下列公式计算(j sun)出元件值:（1）低通L-C式:（2）高通L-C式:第9页/共42页第九页，共42页。步骤四:利用模拟软件检验,再经过微调以满足设计要求。集总参数定

4、向耦合器设计实例设计一个工作频率为400 MHz的10 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(gngsh)计算K、Z0s、Z0p：第10页/共42页第十页，共42页。步骤三:利用下列公式(gngsh)计算元件值：步骤四:进行仿真计算,如图 6-3 所示。第11页/共42页第十一页，共42页。图 6-3低通L-C支路(zh l)型耦合器等效电路第12页/共42页第十二页，共42页。仿真(fn zhn)结果如图6-4所示。图

5、 6-4 低通L-C支路型耦合器仿真(fn zhn)结果第13页/共42页第十三页，共42页。6.3 6.3 耦合微带定向耦合微带定向(dn xin)(dn xin)耦合器耦合器 平行耦合线耦合器基本原理平行耦合线耦合器基本原理 通通常常,平平行行耦耦合合线线定定向向耦耦合合器器由由主主线线(zh(zh xin)xin)和和辅辅线线构构成成,两两条条平平行行微微带带的的长长度度为为四四分分之之一一波波长长,如如图图6-56-5所所示示。信信号号由由1 1口口输输入入,2,2口口输输出出,4,4口口是是耦耦合合口口,3,3口口是是隔隔离端口。离端口。因因为为在在辅辅线线上上耦耦合合输输出出的的方

6、方向向与与主主线线(zh(zh xin)xin)上上波波传传播播的的方方向向相相反反,故故这这种种形形式式的的定定向向耦耦合合器器也也称称为为“反反向向定定向向耦耦合合器器”。当当导导线线1212中中有有交交变变电电流流i1i1流流过过的的时时候候,由由于于4343线线和和1212线线相相互互靠靠近近,故故4343线线中中便便耦耦合合有有能能量量,能能量量既既通通过过电电场场（以以耦耦合合电电容容表表示示）又又通通过过磁磁场场（以以耦耦合合电电感感表表示示）耦耦合合。通通过过耦耦合合电电容容m m的的耦耦合合,在传输线在传输线4343中引起的电流为中引起的电流为ic4ic4和和ic3ic3。第

7、14页/共42页第十四页，共42页。图 6-5平行线型耦合器第15页/共42页第十五页，共42页。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。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(pnl)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1

8、6页/共42页第十六页，共42页。图6-6 耦合线方向性的解释(jish)第17页/共42页第十七页，共42页。步骤三:依据设计使用(shyng)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18页/共42页第十八页，共42页。平行耦合线耦合器设计实例设计一个(y)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

9、=1.6 mm，tan=0.015,材料为铜(1 mil)。步骤二:计算奇偶模阻抗：第19页/共42页第十九页，共42页。步骤(bzhu)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20页/共42页第二十页，共42页。图 6-7平行线型耦合器电路图第21页/共42页第二十一页，共42页。Microwave Office软件仿真结果如图6-8 所示,图中自上而下(z shn r xi)便是S21、S31、S41、S11的dB值,这些值可以在附录1的实

10、验中测量作比较。第22页/共42页第二十二页，共42页。图 6-8平行线型耦合器仿真(fn zhn)结果第23页/共42页第二十三页，共42页。在上述平行耦合线定向耦合器的基础上,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(yuxio)方法。第24页/共42页第二十四页，共42页。图 6-9耦合线的变形(bin xng)第25页/共42页第二十五页，共42页。图 6-9耦合线的变形(bin xng)第26页/共42页第二十六页，共42页。图 6-9耦合线的变形(bin xng)第27页/共42页第二十七页，共

11、42页。图 6-9耦合线的变形(bin xng)第28页/共42页第二十八页，共42页。6.4 6.4 分支分支(fnzh)(fnzh)线型定向耦合线型定向耦合器器 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抗有关,故图中支线与主线的长度不等,阻抗越大,尺寸(ch cun)越长。第29页/共42页第二十九页，共42页。图 6-10分支(fnzh)线耦合器第30页/共42页第三十页，共42页。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

12、阻抗决定。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(gngsh)计算出支线和主线的归一化导纳a和b:第31页/共42页第三十一页，共42页。步骤步骤(bzhu)(bzhu)三三:计算特性阻抗计算特性阻抗ZaZa和和Zb,Zb,以及相应的波导波长。以及相应的波导波长。步骤步骤(bzhu)(bzhu)四四:用软件计算微带实际尺寸。用软件计算微带实际尺寸。分支线型定向耦合器设计实例分支线型定向耦合器设计实例 设设计计3 3 dBdB 分分支支线线耦耦合合器器

13、,负负载载为为5050,中中心心频频率率为为 5 5 GHzGHz,基基板板参参数数为为rr9.6,9.6,h=0.8mmh=0.8mm。步骤步骤(bzhu)(bzhu)一一:确定耦合器指标确定耦合器指标(略略)。步骤步骤(bzhu)(bzhu)二二:计算归一化导纳计算归一化导纳:b=,a=1b=,a=1 第32页/共42页第三十二页，共42页。步骤三步骤三:计算计算(j sun)(j sun)特性阻抗：特性阻抗：步骤四步骤四:计算计算(j sun)(j sun)微带实际尺寸微带实际尺寸:支线支线 50 W=0.83 mm,L=6.02mm 50 W=0.83 mm,L=6.02mm 主线主线

14、 35.3W=1.36 mm,L=5.84 mm 35.3W=1.36 mm,L=5.84 mm 第33页/共42页第三十三页，共42页。6.5 6.5 环形环形(hun xn)(hun xn)桥定向耦桥定向耦合器合器 混 合 环 又 称 环 形 桥,结 构 如 图 6-11(a)所示。它的功能与分支线耦合器相似,不同的是两个(lin)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

15、口1和端口4比例反相输出。第34页/共42页第三十四页，共42页。图 6-11 微带环形(hun xn)桥与波导魔T第35页/共42页第三十五页，共42页。用波程相移理解(lji)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36页/共42页第三十六页，共42页。等功率输出环形桥

16、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(zkng)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37页/共42页第三十七页，共42页。第38页/共42页第三十八页，共42页。第39页/共42页第三十九页，共42页。第40页/共42页第四十页，共42页。24GHz混频器第41页/共42页第四十一页，共42页。感谢您的观看感谢您的观看(gunkn)！第42页/共42页第四十二页，共42页。