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1、第6章定向耦合器6.1定向耦合器的基本原理6.2集总参数定向耦合器6.3耦合微带定向耦合器6.4分支线型定向耦合器6.5环形桥定向耦合器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。(3)耦合度:描述耦合输出端口与主路输入端口的比例关系,通常用
2、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。6.1.2定向耦合器的原理定向耦合器是个四端口网络结构,如图6-1所示。图6-1定向耦合器方框图信号输入端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,信号隔离端4的功率为P4。若
3、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6.2集总参数定向耦合器6.2.1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线耦合器。其基本结构有两种：低通L-C式和高通L-C式,如图6-2所示。图6-2L-C分支线型耦合器(a)低通式；(b)高通式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（Ω）、电路的工作频率fc。步骤二：利用下列公式计算出k、Z0s及Z0p:步骤三:利用下列公式计算出元件
4、值:（1）低通L-C式:（2）高通L-C式: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。步骤一:确定耦合器的指标,C=-10dB,fc=400MHz,Z0=50Ω。步骤二:利用下列公式计算K、Z0s、Z0p：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。图6-3低通L-C支路型耦合器等效电路仿真结果如
5、图6-4所示。图6-4低通L-C支路型耦合器仿真结果6.3耦合微带定向耦合器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1—2中有交变电流i1流过的时候,由于4—3线和1—2线相互靠近,故4—3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
6、合电容Ｃm的耦合,在传输线4—3中引起的电流为ic4和ic3。图6-5平行线型耦合器同时由于i1的交变磁场的作用,在线4—3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（Ω）、中心频率fc、基板参数（εr,h）。步骤二：利用下
7、列公式计算奇模阻抗和偶模阻抗Z0e和Z0o。图6-6耦合线方向性的解释步骤三:依据设计使用的基板参数（εr,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。6.3.3平行耦合线耦合器设计实例设计一个工作频率为750MHz的10dB平行线型耦合器(Z0=50Ω)。步骤一:确定耦合器指标,包括C=-10dB,fc=750MHz,FR4基板参数εr=4.5,h=1.6mm
8、，tanδ=0.015,材料为铜(1mil)。步骤二:计算奇偶模阻抗：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50Ω微带线宽度W50=2.92
