微波电路西电雷振亚老师的课件6章定向耦合器市公开课金奖市赛课一等奖课件.pptx

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 6.1 定向耦合器基本原理定向耦合器基本原理 6.2 集集总总参数定向耦合器参数定向耦合器6.3 耦合微耦合微带带定向耦合器定向耦合器6.4 分支分支线线型定向耦合器型定向耦合器6.5 环形桥定向耦合器环形桥定向耦合器第1页第1页第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 6.1 定向耦合器基本原理定向耦合器基本原理6.1.1 定向耦合器技术指标定向耦合器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:定向耦合器功效实现主要依托波程相位关系,也就是说与频率相关。工作频带拟定后才干设计满足指标定向耦合器。(2)插入损耗：主路输出端和主路输入端功率比值,包括耦合损耗和导体介质热损耗。第2页第2页第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 (3)耦合度:描述耦合输出端口与主路输入端口百分比关系,通惯用分贝表示,dB值越大,耦合端口输出功率越小。耦合度大小由定向耦合器用途决定。(4)方向性:描述耦合输出端口与耦合支路隔离端口百分比关系。抱负情况下,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百分比关系。抱负情况下,隔离度为无限大。描述定向耦合器特性三个指标间有严格关系,即方向性耦合度-隔离度。第3页第3页第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 6.1.2 定向耦合器原理定向耦合器是个四端口网络结构,如图6-1所表示。第4页第4页第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 图 6-1 定向耦合器方框图第5页第5页第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 信号输入端1功率为P1,信号传播端2功率为P2,信号耦合端3功率为P3,信号隔离端4功率为P4。若P1、P2、P3、P4皆用毫瓦（mW）来表示,定向耦合器四大参数则可定义为：插入损耗 第6页第6页第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 6.2 6.2 集集总总参数定向耦合器参数定向耦合器 6.2.1 集总参数定向耦合器设计办法惯用集总参数定向耦合器是电感和电容构成分支线耦合器。其基本结构有两种：低通L-C式和高通L-C式,如图6-2所表示。第7页第7页第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 图 6-2 L-C分支线型耦合器(a)低通式；(b)高通式 第8页第8页第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 集总参数定向耦合器设计环节下列：环节一:拟定耦合器指标,包括耦合系数C(dB)、端口等效阻抗Z0（）、电路工作频率fc。环节二：利用下列公式计算出k、Z0s及Z0p:第9页第9页第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 环节三: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10页第10页第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 环节四:利用模拟软件检查,再通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 MHz10 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。环节一:拟定耦合器指标,C=-10dB,fc=400MHz,Z0=50。环节二:利用下列公式计算K、Z0s、Z0p：第11页第11页第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 环节三:利用下列公式计算元件值：环节四:进行仿真计算,如图 6-3 所表示。第12页第12页第第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13页第13页第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 仿真结果如图6-4所表示。图 6-4 低通L-C支路型耦合器仿真结果第14页第14页第第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,两条平行微带长度为四分之一波长,如图6-5所表示。信号由1口输入,2口输出,4口是耦合口,3口是隔离端口。由于在辅线上耦合输出方向与主线上波传播方向相反,故这种形式定向耦合器也称为“反向定向耦合器”。当导线12中有交变电流i1流过时候,由于43线和12线互相靠近,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耦合,在传播线43中引起电流为ic4和ic3。第15页第15页第第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16页第16页第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 同时由于i1交变磁场作用,在线43上感应有电流iL。依据电磁感应定律,感应电流iL方向与i1方向相反,如图6-6所表示。因此能量从1口输入,则耦合口是4口。而在3口由于电耦合电流ic3与磁耦合电流iL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办法平行线耦合定向耦合器设计环节下列:环节一:拟定耦合器指标,包括耦合系数C(dB)、各端口特性阻抗Z0（）、中心频率fc、基板参数（r,h）。环节二：利用下列公式计算奇模阻抗和偶模阻抗Z0e和Z0o。第17页第17页第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 图6-6 耦合线方向性解释第18页第18页第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 环节三:依据设计使用基板参数（r,h）,利用软件Mathcad11计算出Z0e、Z0o微带耦合线宽度及间距（W,S）和四分之一波长长度（P）。环节四:利用模拟MicrowaveOffice软件检查,再通过微调以满足设计要求。第19页第19页第第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 MHz10dB平行线型耦合器(Z0=50)。环节一:拟定耦合器指标,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)。环节二:计算奇偶模阻抗：第20页第20页第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 环节三:电路拓扑如图6-7 所表示,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21页第21页第第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22页第22页第第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 所表示,图中自上而下便是S21、S31、S41、S11dB值,这些值能够在附录1试验中测量作比较。第23页第23页第第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24页第24页第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 在上述平行耦合线定向耦合器基础上,能够得到各种变形结构,如图6-9 所表示。结构越复杂,计算越困难。在正确概念指导下,试验仍然是这类电路设计有效办法。第25页第25页第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 图 6-9耦合线变形第26页第26页第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 图 6-9耦合线变形第27页第27页第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 图 6-9耦合线变形第28页第28页第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 图 6-9耦合线变形第29页第29页第第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 所表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,由于微带波导波长还与阻抗相关,故图中支线与主线长度不等,阻抗越大,尺寸越长。第30页第30页第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 图 6-10分支线耦合器第31页第31页第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 假如分支线耦合器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口相位差为90,功率大小由主线和支线阻抗决定。6.4.2 分支线型定向耦合器设计分支线型定向耦合器设计环节下列:环节一:拟定耦合器指标,包括耦合系数C(dB)、各端口特性阻抗Z0（）、中心频率fc、基板参数（r,h）。环节二:利用下列公式计算出支线和主线归一化导纳a和b:第32页第32页第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 环节三:计算特性阻抗Za和Zb,以及相应波导波长。环节四: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。环节一:拟定耦合器指标(略)。环节二:计算归一化导纳:b=,a=1 第33页第33页第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 环节三:计算特性阻抗：环节四: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34页第34页第第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)所表示。它功效与分支线耦合器相同,不同是两个输出端口相位差为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功率按一定百分比反相输出,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功率按一定百分比反相输出。一样地,端口2和端口3也是隔离,不论从哪个口输入信号,仅在端口1和端口4百分比反相输出。第35页第35页第第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36页第36页第第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朴：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,环形桥两个输出口功率比值能够是任意,实际中,各个环段上阻抗不宜相差太大,阻抗差别过大难于实现。工程中,惯用环形桥两个输出口是等功率。第37页第37页第第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)所表示,两者有相同性质,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加好。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以便。合环设计关键就是按照分派比计算阻抗值和长度。对于等分环形桥,有Z1=Z2=Z0每个端口之间距离为g/4或3g/4。第38页第38页第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 第39页第39页第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 第40页第40页第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 第41页第41页第第6 6章章 定向耦合器定向耦合器 24GHz混频器第42页第42页