功分器和定向耦合器的设计

1
MTEE$ ID=TL5
MTEE$ ID=TL6
2
MLIN ID=TL2 L=10 mm
PORT P=2 Z=50 Ohm MSUB Er=4.4 H=1 mm T=0.035 mm Rho=1 Tand=0 ErNom=4.4 Name=SUB1
MTRACE2 ID=X2 BType=2 M=1 MTRACE2 ID=X3 BType=2 M=1
������������1 = ������������������ =
1 − ������������������������′������1 ������������1 ������������������������������1
由：
������������0 180������0 ������0 （弧度） = (度) = 90 2������������������ 2������������������ ������������������ (1 − ������������������������ ′ ������1 )������������������ 2 ������������1 ������������������������������������ ������ (������������������2������������1 − ������������������������ ′ ������1 )������������������������ ′ ������1 ������1
1 2
MTRACE2 ID=X4 BType=2 M=1
MLIN PORT ID=TL4 P=4 Z=50 Ohm L=10 mm
2
3
3 1
MLIN ID=TL3 L=10 mm

2 2 2 2 2 2
对称定向耦合器（7.5，7.6）
1 1 1
S13 S 23 S14 S 24 0 S12 S 23 S14 S 34 0 S14 S13 S 24 S 23 0
反对称定向耦合器（7.8）
* 耦合传输线型理想定向耦合器的三种类型——正向、反向和
定向耦合器等效成四端口网络
S11 S 21 S S31 S 41 S12 S 22 S32 S 42 S13 S 23 S33 S 43 S14 S 24 ——16x2个自由度 S34 S 44
微波工程基础 第七章 功率分配器和定向耦合器 理想定向耦合器的散射参数
微波工程基础 第七章 功率分配器和定向耦合器 各端口都匹配的无耗非互易三端口网络——环形器
网络是匹配的 网络是无耗的
2
三端口网络（T型结）
任意三端口网络的散射参数——9x2个自由度（参数）
S11 S S 21 S31 S12 S 22 S32 S13 S 23 ——9x2个自由度（参数） S33
Wilkinson等分功率分配器，奇偶模分析法
S12 (S13)
e 偶模 V1 jV0 2
求Z,r
S11=0 可算出 Z 2 Z 0
V2e V0
S22 0
S12 (S13)
r 2 ？:保证奇模S22为0
奇偶模分析法 思想？
要点：1、偶+奇=单端口分析 2、所有端口加匹配负载 2、支路串联结构
S13 S 31 S 22 0
2 2 2
S11 0
S 22 0
S 33 0
——6x2个自由度

上述性质的证明：
（1）若元件是互易的，则有ST=S，散射矩阵变成[S]1
⎡S11
[S]1 = ⎢⎢S12
⎢⎣ S13
S12 S13 ⎤
S 22
S
23
⎥ ⎥
S23 S33 ⎥⎦
⎡0
[S]2 = ⎢⎢S12
S12 S13 ⎤
0
S
23
⎥ ⎥
⎢⎣ S13 S23 0 ⎥⎦
（2）若所有的端口均匹配，则有S11=S22=S33=0，散射矩阵变成[S]2
= 10 lg k2
♠确定耦合线尺寸的方法
第一步：根据中心频率f0时的耦合度C求出耦合系数k
C (dB) −
k = 10 20
第二步：由k的值及其定义式 k = Zoe − Z oo 可得 Z oe + Z oo
1+ k Z oe = Z o 1 − k
1− k Z oo = Z o 1 + k
第三步：由Zoe和Zoo的值，可以确定耦合线的尺寸。 这是计算平行耦合定向耦合器结构尺寸的基本公式。
图3-2 耦合器的结构
3、技术指标： 耦合度、定向性系数、隔离度、输入驻波比、频带宽度
图3-3 定向耦合器的原理图 主传输线(1)(2)，副传输线(3)(4): (1)端口为输入端、 (2)端口为直通端、(3)端口为耦合端、(4)端口为隔离端
♣耦合度C（或过渡衰减）：定义为输入端的输入功率P1与耦 合输出端的输出功率P3之比，通常用分贝表示，即
（3）若元件无耗，则由能量守恒知满足
S+S=1S，12 即2 + S13 2 = 1 S12 2 + S23 2 = 1 （a）
S13 2 + S23 2 = 1

• 耦合度： 耦合端口3输出功率P3和输入端口1输入功率P1之比：
C10logP P1320logS31
dB[S(3,1)]
• 隔离度： 隔离端口4的输出功率P4和输入端口1的输入功率P1之比：
I10logP P1 420logS41 dB[S(4,1)]
定向耦合器的基本原理
• 8-16GHz倍频程内定向度： S41/S31<-17dB
• 8-16GHz倍频程内隔离度： S41<-20dB
定向耦合器的仿真设计
建立耦合器设计的电路原理图
耦合端口
输入端口
直通端口
隔离端口
/4;f012GHz
定向耦合器的仿真设计
建立耦合器设计的电路原理图
耦合端口
输入端口
直通端口
功分器的设计、仿真、优化
设置完成的功分器电路图
功分器的设计、仿真、优化
开始仿真 全频段内隔离度未达指标，并且平坦度较差，需优化
功分器的设计、仿真、优化
电路优化
• 对阻抗匹配电路的优化---优化变量w2，lh
功分器的设计、仿真、优化
电路优化
• 优化仿真器和优化目标的设置—由于电路对称性，S(3,1)和S(3,3)不需优化
dB[S(2,1)]
C1310logP P 3 i 20logS13
dB[S(3,1)]
功分器的基本原理
功分器的基本指标
• 输出端口间的隔离度： 根据输出端口2的输出功率P2与输出端口3的输出功率P3之比计算
• 功分比：
C2310logP P2 320logS S1 12 3
• 定向耦合器属于无源微波器件，为四端口器件，分为：
隔离
耦合

Z 03 Z 0

2 3
1 K / K
Z 02 K Z 03 Z 0
2
K则上述结果归结为等分情况。另外还见到，
输出线被匹配到阻抗R2 = Z0K和R3 = Z0/K，而不是阻抗
Z0，可用阻抗变换器来变换这些输出阻抗。
微带功分器（Wilkinson功分器）设计
5
图5-38 图5-37电路的切开
S22 = S23 = 0（因对两种模式激励时，端口2和3都是匹配的）；
S12 = S21 = –0.707（因互易网络的对称性）；
S13 = S31 = –0.707（因互易网络的对称性）； S23 = S32 = 0（因等分上为短路或开路）。
这最后结果意味着端口2和3之间是隔离的。
V x V

e
j x
e

j x

V 0 V

1 V 2
V
V 1 V / 4 jV
2 2

1 jV 1 / 1
在端口1处看向归一化值为2的电阻上的反射系数为
2 2
和
V 1 jV
图5-47 （a）方形分支电桥；（b）圆形分支电桥
平行耦合线耦合器
平行耦合线耦合器（见 图5-48）具有对称性， 对称面上电流=0，电压 最大，相当于开路，称 为偶对称，另一种分布， 对称面上电压=0，电流 最大，相当于短路，称 为奇对称。耦合线上任 何场分布都可看成奇模 与偶模场分布的组合。 基于奇、偶模分析可得 到耦合线结构3dB定向 耦合器的设计方程。
0 2 f 0 C 1 C 2 Z 0 o
式中f0是耦合器中心频率。

微波炉工作原理（磁控管）
磁控管是在同轴放射状的电场加上与其成直角的磁场，并 由它来控制电子发射的电子管。我公司管系连续波磁控管 （固定频率、包装式磁钢、探头输出）。
我司磁控管的铭牌如下图：
图中以流水号最后六位数来分辨磁控管 的性质：如果在“—”前的三位数与后面 三位数相等的话为普通高功率磁控管， 如果两三位数数值相差2，侧为EMC 磁控管。
微波炉工作原理（微波发生系统）
微波炉的微波发生部分如下图所示
高压整流电路电路工作原理为，220伏电网电源经过变压器升压，输 出约2000伏左右的交流高压。高压绕组在正半周时，二极管D导通对 电容器C充电，电容器被充到电压的峰值。当高压绕组电压为负半周 时，二极管D截止，磁控管导通。电容器C上正半周所充的电与绕组 电压正相串联，获得2倍高压，即4000伏左右的直流高压，加在磁控 管的阳极与阴极之间射。频实施技术-功率分配器和定向耦合器
射频实施技术-功率分配器和定向耦合器
微波炉工作原理（磁控管）
工作原理：
在磁控管外侧阳极内壁上，沿着圆周 有偶数谐振腔。在这谐振腔内产生的 微波电场，与从位于中央部位的阴极 发射出来的电子进行能量交换，并由 此产生微波。
射频实施技术-功率分配器和定向耦合器
相关标准培训
引用标准：
IEC60335-1：2001 （家用电器通用标准） IEC60335-2-25：1996 （微波炉特殊要求） IEC60335-2-25：2002 （微波炉特殊要求） IEC60335-2-6：2002 （电热器具特殊要求） IEC60335-2-9：2002 （电热器具特殊要求） UL 923 （美国UL微波炉标准） CAN/CSA C22.2-No. 150-M89 （加拿大微波炉标准）

Z0 3 V1 V V2 V3 V Z0 Z0 3 4 2
微波技术基础
定向耦合器

定向耦合器种类
按传输线类型
按耦合方式
波导
同轴线
带状线
微带线
单孔耦合
多孔耦合
连续耦合
平行线耦合
输出方向
输出相位
按耦合强弱
同向耦合
反向耦合
90度定向
180度定向
强耦合
中等耦合
弱耦合
11
定向耦合器

定向耦合器举例
微波技术基础
（2）
定向耦合器

定向耦合器——工作参量
P 1 20 lg S 31 dB P3 S P3 方向性 D 10 lg 20 lg 31 dB P4 S 41 耦合度 C 10 lg 隔离度 I 10 lg P 1 20 lg S 14 P4
0 [S ] j 0
将S12与(III)式相乘、S34与(IV)式 相乘，并相减得
S34 0
S23 ( S12 2 S34 2 ) 0
令S14=S23=0,利用幺正性得
2 2 S12 S13 1 将第1列与第3列相乘、第4列 与第2列相乘得 2 2 S12 S24 1 * * （III） S S S 2 2 12 23 14 S 34 0 S13 S 34 1 * * 2 S S S S 2 14 12 34 23 0 （IV） S S 1 34 24
* S12 S13 0 * S21S23 0 S * S 0 31 32
S12 S23 S31 0 S21 S32 S13 1

2
S 12 S 23 S 31 1
1 0 0 0 1 0
2
0 0 1
1 0 0
1
3
1
3
环形器
三端口网络——两个端口匹配，无耗，互易
j
S 21 e
0 j S e 0
e
j
0 0
0 0 j e
1
S12 e
无耗网络的散射矩阵满足么正性
2 S kj 1, k 1 4 S * S kj 0, k 1 ki 4
j 1, 2, 3, 4 i j, i , j 1, 2, 3, 4
四端口网络的基本特性（续2）
S12 S12 S13 S14
λg/4 ZC1 ZC ①
③
ZC
R
ZC1 λg/4
ZC
②
0 S 0 j 2
0
0 j 2
j 2 j 2 0
微带功分器（Wilkison 功分器）（续3）
功率不等分：
Z c2 Z c
2
1 K
2
/K
证明：采用反证法，假设三端口网络的所有端口匹配、互易，网络无耗。
S11 S S 21 S 31 S12 S 22 S 32 S13 S 23 S 33
匹配： S 11 S 22 S 33 0
互易： S ij S ji
无耗： S S 1
2
S13 S 23 S 23 S 24
2
S14 S 24 S 34 S 34
2
1 1 1 1

谢谢！
输出端口2
输入端口1
输出端口3
功分器的设计、仿真、优化
版图的S参数仿真
功分器的设计、仿真、优化
版图的S参数仿真结果
功分器的设计、仿真、优化
小结
• 功分器的基本工作原理及主要指标 • 威尔金森功分器的仿真设计优化 • 威尔金森功分器版图的仿真设计
定向耦合器的基本原理
定向耦合器基本工作原理
隔离端口
/4;f012GHz W/H=0.107
S/H=0.071 直通端口与耦合端口相位差
定向耦合器的仿真设计
经验初值的仿真结果
定向耦合器的仿真设计
耦合器的参数优化
优化微带线线宽w(0.02-0.0508mm)；和缝间距s(0.02-0.038mm)
插入损耗
耦合度
隔离度
定向耦合器的仿真设计
• 耦合度： 耦合端口3输出功率P3和输入端口1输入功率P1之比：
C10logP P1320logS31
dB[S(3,1)]
• 隔离度： 隔离端口4的输出功率P4和输入端口1的输入功率P1之比：
I10logP P1 420logS41 dB[S(4,1)]
定向耦合器的基本原理
• 常用定向耦合器： Lange耦合器（交指耦合器） 应用于耦合较强的情况，通常设计为3dB耦合； 具有一个倍频程或更宽的带宽； 在平衡放大器、功率分配器和平衡混频器中有广泛应用。
定向耦合器的基本原理
Lange耦合器基本工作原理
金丝焊接
① ② ③ ④ ⑤
90度相位差
定向耦合器的基本原理
定向耦合器的基本原理
定向耦合器基本指标
• 输入驻波比： 端口2、3、4都接匹配负载时，输入端口1的驻波比：

西安海天天线科技股份有限公司 专题讲座
功分器、定向耦合器及应用简介
编写:俱新德
西安海天天线技术支持部天线部 2005年12月
第一部分 功分器
1、T型功分器
图1.1所示为T型功分器，端口1为输入 端，端口2、3为输出端。如果输入、输 出端口的负载阻抗均为Z0，为了使输入、 输出端口均匹配，如图1.1（b）所示，必 须加一段特性阻抗Z01=Z0/ ，长度2 为λ/4 的阻抗变换段。
③端口1无反射。
第二部分 定向耦合器
2.1 分类
定向耦合器的对称性是定向耦合器的 重要特性，在分析和计算中经常利用对 称性。按对称性把定向耦合器分成三类， 如图2.1所示。
1类：沿X、Y轴均对称——完全对称 2类：沿X轴对称——部分对称 3类：沿Y轴对称——部分对称
按输出端口的相位差也分成三类：
图1.12和1.13分别为四功分器和三功分 器。
6、不等功分比功分器
在工程中，有时还需要使用一些不等功分比 二功分器。如在赋形基站天线阵中，需要用不 同功率给各辐射单元馈电，对不等功分比功分 器，按照端口之间的功分比与端口之间馈线特 性阻抗成反比的原则来设计相应的不等阻抗匹 配网络，来满足所需要的不等功分比。图1.14 为三端口微带不等功分器的结构示意图，信号 由端口1输入，由端口2、3按不等功分比输出。
把Wilkinson功分器级联，可以进一步展宽它 的带宽。
对图1.3所示2级联功分器，在倍频程带宽内， 在端口1，VSWR≤1.1，在端口2、3， VSWR≤1.01，端口2、3之间的最小隔离度为 27.3dB。
图 1.4
多段功分器级联后，输入/输出端口的 最大VSWR的频率特性如图1.4所示。
T型功分器由于结构简单，既可以用同 轴线，也可以用微带线实现，因而在基 站天线阵中，大量用它作为馈电网络。T 型功分器的缺点是输出端口彼此不隔离， 因此也把T型功分器叫无隔离功分器。