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如何设计定向耦合器电路汽车雷达、5G 蜂窝、物联网等射频 (RF) 应用中，电子系统对射频源的使用量与日俱增。
所有这些射频源都需要设法监测和控制射频功率水平，同时又不能造成传输线和负载的损耗。
此外，某些应用需要大功率发射器输出，因此设计人员需要设法监测输出信号，而非直接连接敏感仪器，以免受高信号电平影响导致损坏。
另外还有诸多其他挑战：在较宽的频率范围内如何确定射频负载（如天线）的特性；在发射器处于广播状态时如何监测负载变化和驻波比，以防止大反射功率和放大器损坏等。
只需将定向耦合器接入传输线，这些要求和挑战便可迎刃而解。
此方法可精确监测线路中的射频能量流，同时将功率水平降低已知的固定量。
在采样过程中，定向耦合器对主线信号的干扰极小。
此外，还能分离正向和反射功率，允许监测回波损耗或驻波比，从而在广播时提供负载变化反馈。
什么是定向耦合器？定向耦合器是一种测量设备，可接入信号发生器、矢量网络分析仪和发射器等射频源与负载之间的传输线，用于测量从射频源到负载的射频功率（正向分量），以及从负载反射回射频源的功率（反射分量）。
若测得正向和反射分量，即可计算总功率、负载的回波损耗和驻波比。
定向耦合器的四端口电路可配置为三端子或四端子设备（图 1）。
图 1：三端口（左）和四端口定向耦合器（右）的原理图符号。
（图片来源：Digi-Key Electronics）通常情况下，电源连接耦合器的输入端口，负载则连接输出或传输端口。
耦合端口输出是衰减后的正向信号。
衰减值如三端口设备原理图中所示。
在三端口设备中，隔离端口已在内部端接；而在四端口设备中，该端口输出与反射信号成正比。
原理图符号内的箭头表示分量路径。
例如，在四端口配置中，输入端口指向耦合端口，表明它接收了正向分量，而输出端口连接隔离端口，后者用于读取反射信号。
端口号并未标准化，因制造商不同而有所差异。
不过，各个供应商的端口命名相对统一。
耦合器是对称设备，各端口连接可互换。
<<ADS>>课程设计——分支线耦合器目录1概述 (1)1.1 微波技术产生的背景及发展趋势 (1)1.2 微波电路仿真软件ADS简介 (2)1.3定向耦合概念及分类 (3)1.3.1概念 (3)1.3.2分类 (4)1.3.3 主要技术指标 (6)2工作原理 (7)2.1 传输线理论 (7)2.2 输入阻抗 (8)2.3 特性及测量 (9)2.3.1网络特性 (9)2.3.2测量方法（定向耦合器的特性参量） (10)2.4 定向耦合器的用途 (11)3.微带分支电路的分析与设计 (12)3.1 分支线耦合器 (12)3.2 分支线耦合器的奇偶模分析 (13)4设计过程 (17)4.1 建立工程 (17)4.2 原理图的设计 (18)4.3微带线参数的设置 (19)4.4 VAR控件的设置 (20)4.5 S参数仿真设计 (20)4.6 参数的优化 (22)4.7分支线耦合器版图的生成 (23)5.总结与展望 (25)1概述1.1 微波技术产生的背景及发展趋势微波技术是无线电电子学的一个重要分支，已成为现代通信、雷达、导航和遥感等领域最为敏感的课题之一，发展至今已经有比较久的历史了，无论在理论上还是在实践上，微波科学技术逐渐成熟，并拥有很多的从业人员。
微波波段的电磁波能穿透电离层,因而卫星通信与卫星电视广播、宇宙通信及射电天文学的研究等均需利用微波来实现，在通信、雷达、导航、遥感、天气、气象、工业、农业、医疗以及科学研究等方面得到越来越广泛的应用，成为了无线电电子学的一个重要的分支趋向。
随着通信技术的迅速发展，为了便于携带和移动,无线电设备的小型化是未来的发展趋势，而移动通信所使用频段处于微波范围,因此实现微波电路的更高频率化, 小型化,固体化,不仅在实用方面,而且在学术方面均有重要的研究价值。
定向耦合器通常有两种实现方式: Lange耦合器和带线耦合器。
Lange耦合器具有结构紧凑,便于集成的优点,但一般使用陶瓷基板, 电路制作要求较高,加工工艺和成本限制了它的应用。
南京邮电大学实验报告实验名称：_____传输线参数（特征阻抗）的分析与综合威尔金森功分器设计____________定向耦合器（90/180°均可） _无源滤波器设计 ____ 课程名称: 微波技术EDA姓名：____赵玉蓉_____学号：___B10020504___小组成员：韩倩（B10020404）丁耀慧（B10020501）开课时间 2012 /2013 学年，第 2 学期实验三 定向耦合器一：实验名称：定向耦合器（90/180°均可）二：实验目的1. 了解微波EDA 软件的类型和用途；2. 掌握ADS 软件并进行定向耦合器的建模，仿真，优化和调试等任务；3. 了解微波电路仿真软件IE3d 的应用范围和使用方法；4. 分析ADS 中有耗传输线和无耗传输线仿真的异同；5. 分析ADS Momentum 和IE3d 建模结果的异同。
三：实验原理在射频微波电路中，经常用到多端口网络，分支定向耦合器是最常用的多端口网络，它在电路中起到了十分重要的作用，它能够在固定的参考相位的条件下，分开和组合射频微博端口。
（一）、定向耦合器的基本功能和参数指标定向耦合器是一个4端口网络，它有输入端口、直通端口、耦合端口和隔离端口，分别对应图中的1、2、3、4端口：1 243 定向耦合器定向耦合器的主要技术指标有耦合度、隔离度、定向性、输入驻波比及工作带宽等，下面介绍上述各指标。
1、 耦合度耦合度C 定义为输入端口的输入功率P1和耦合端口P3之比的分贝数，耦合度C 表示为： 1210lg ()P C dB P = 引入网络散射参量，耦合度又可以表示为：±±11233113/2110lg 10lg 20lg ()/2i ilU P C dB P S S U ===耦合度的分贝数越大耦合越弱，通常把耦合度为0dB~10dB 的定向耦合器称为强耦合定向耦合器，把耦合度为10dB~20dB 的定向耦合器称为中等耦合定向耦合器，把耦合度大于20dB 的定向耦合器称为弱耦合定向耦合器。
定向耦合器微带改进的鼠笼式混合接头可实现宽带设计还需考虑 1导体损耗和介质损耗 2对于不连续性和杂散的补偿设计 3介质结构的异向性造成奇偶模的不同相速使定向性变差可利用屏蔽利用集中电容利用介质重叠 67 孔耦合定向耦合器 4 端口隔离端口 2端口直通端口 1 端口输入端口 3端口耦合端口波导定向耦合器 com 倍兹孔定向耦合器 小孔能用电和磁偶极矩组成的等效源替代法向的电偶极矩和轴向的磁偶极矩向两边辐射时是偶对称的而横向磁偶极矩的辐射是奇对称的调整两源的相对振幅能抵消在隔离端口上的辐射加强耦合端口上的辐射对于平行波导耦合是通过小孔离波导窄壁的距离s控制而对于斜交波导耦合是通过两波导之间的角度控制的 com 多孔耦合器及其工作原理 两孔有四分之一波长在耦合口波同相叠加在隔离口反向相消耦合度有较低的频率依赖性方向性对频率有较高的依赖 com 波导双T和魔T 魔T与混合环有相似的性质 1双T及其性质 将具有共同对称面的E―T接头和H―T接头组合起来平分臂隔离臂性质 1 口输入等幅反相输出口输出为0 2 口输入等幅同相输出口输出为0 3 等幅同相输入口无输出口有输出4 等幅反相输入口有输出口无输出 5 口输入等副同相输出口无输出由上述性质有魔T的S参数为由S矩阵端口1和4互相隔离端口2和3也互相隔离 K即S31幅值的平方 Lange耦合器还有助于补偿偶模和奇模相速的不相等缺点在于对跨线之间的连接线加工困难两种情况一种是奇偶模反射系数都为0传输系数不相等对应耦合器14隔离3耦合另一种是奇偶模系数等幅反相传输系数相等对应耦合器13隔离4耦合奇偶模分别得到的反射系数和传输系数代入前面31页的S参数和奇偶模反射系数传输系数的关系式中可得分支线耦合器的S矩阵注1无耗的四端口器件可同时实现互易和各端口的匹配 2若14端口匹配23端口会自动达到匹配展开得引入偶模反射系数和传输系数和由于对称12和34可看作两根独立且完全相同的波导是其中之一的反射系数和传输系数和奇模激励时有展开得由各反射系数和传输系数的表示式求得S参量为引入奇模反射系数和传输系数和 65 分支线型定向耦合器 com 分支线型定向耦合器原理 如图示各条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越长图 6-10分支线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 com 分支线型定向耦合器设计 设计步骤 步骤一确定耦合系数C dB 各端口的特性阻抗Z0Ω中心频率fc基板参数εrh 步骤二计算支线和主线的归一化导纳a和b 步骤三计算特性阻抗Za 和Zb和相应的波导波长步骤四用软件计算微带实际尺寸 com 分支线型定向耦合器设计实例 设计3dB分支线耦合器负载为50Ω中心频率为5GHz基板参数为εr＝96h 08mm 步骤一确定耦合器指标 步骤二计算归一化导纳 b a 1 步骤三计算特性阻抗步骤四计算微带实际尺寸 支线 50Ω W 083 mm L 602mm 主线 353Ω W 136 mm L 584 mm com 如何直接写出其S矩阵3dB com 如何由奇偶模分析法验证其S矩阵 对于偶模对于奇模奇偶模叠加得当频率在中心频率附近变化10时相差也改变±50由于超出带宽10外的隔离度不能接受其有用带宽限制在10理论上能设计成3～9dB的耦合度 a2 a1 b 接上页 R 1 075 05 13 0707 0614 05 b 1414 161 2 a1 1 1 1 1 a2 1 134 2 3 分支线定向耦合器圆形分支线耦合器 66 环形桥定向耦合器 混合环又称环形桥两个输出端口相差180°也称为鼠笼式混合接头匹配T型混合接头魔T 用波程相移解释当信号从端口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°两路信号相位相反在端口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差别过大难于实现工程中两个输出口多是等功率的等功率输出环形桥的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起来不如分支线方便 混合环的设计关键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λg4或3λg4 带宽约为20 com 如何直接写出其S 矩阵3dB com 如何由奇偶模分析法验证其S矩阵 和端口与差端口当信号从端口3和端口2输入时在端口1将形成输入信号的和在端口4将形成输入信号的差因此称端口1为和端口端口4为差端口让单位振幅波信号从和端口1输入对于偶模对于奇模按转移矩阵的定义和它与反射系数传输系数的关系可得让单位振幅波信号从差端口4输入对于偶模对于奇模按转移矩阵的定义可得尺寸压缩的准集中式混合接头取尺寸压缩的鼠笼式混合接头集中参数鼠笼混合接头 RFMW 成都信息工程学院电子工程学院 RFmw 第6章定向耦合器 61 定向耦合器的基本原理 62 集总参数定向耦合器 63 耦合微带定向耦合器 64应用奇偶模理论分析定向耦合器 65 分支线型定向耦合器 66 环形桥定向耦合器 67 波导定向耦合器 61 定向耦合器的基本原理 com 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幅度平衡度相位一致性等 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 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 com 定向耦合器的原理定向耦合器是个四端口网络结构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＝隔离度-耦合度图6-1 定向耦合器方框图若P1P2 P3P4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方向性耦合度隔离度 62 集总参数定向耦合器 com 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式图 6-2 L-C分支线型耦合 a 低通式 b 高通式集总参数定向耦合器的设计步骤 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Z0Ω电路的工作频率fc 步骤二利用公式计算出kZ0s及Z0p 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式步骤四利用模拟软件检验再微调 com 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 dB低通L-C支路型耦合器Z0 50 Ω要求S11≤-13dB S21≥-2 dB S31≥-13 dBS41≤-10 dB 步骤一确定耦合器的指标C -10dBfc 400MHz Z0 50 Ω 步骤二计算KZ0s Z0p 步骤三利用下列公式计算元件值图 6-3低通L-C支路型耦合器等效电路步骤四仿真计算图 6-4 低通L-C支路型耦合器仿真结果 63 耦合微带定向耦合器 com 平行耦合线耦合器基本原理 通常它由主线和辅线构成两条平行微带的长度为四分之一波长信号由1口输入2口输出4口是耦合口3口是隔离端口因在辅线上耦合输出的方向与主线上波传播的方向相反它也被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43线中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Ｃm的耦合在传输线43中引起的电流为ic4和ic3 图 6-5平行线型耦合器图6-6 耦合线方向性的解释④③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的方向相反所以能量从1口输入耦合口就是4口而在3口因为电耦合电流的ic3与磁耦合电流iL的相位相反而叠加抵消故3口是隔离口 com 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 步骤一确定耦合系数C dB 各端口的特性阻抗Z0Ω中心频率fc基板参数εrh 步骤二计算奇模阻抗和偶模阻抗Z0e和Z0o 步骤三依据基板参数εr h利用软件 ADS 计算微带耦合线的宽度及间距W S和四分之一波长的长度P 步骤四利用模拟软件检验再微调 com 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 Ω 步骤一确定包括C -10dBfc 750MHz FR4基板参数εr 45 h 16 mmtanδ 0015材料为铜 1 mil 步骤二计算奇偶模阻抗步骤三建立图示电路拓扑计算得W 238mmS 031mmP 5716mm且50Ω微带线宽度W50 292mm 图 6-7平行线型耦合器电路图仿真结果如图示 图 6-8平行线型耦合器仿真结果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图 6-9耦合线的变形改善频率特性图 6-9耦合线的变形增大耦合度紧耦合图 6-9耦合线的变形高方向性图 6-9耦合线的变形拓展带宽问题图示定向耦合器结构完全对称若从三端口输入信号插入衰减耦合度方向性和隔离度怎么表示平行耦合有窄边耦合和宽边耦合形式其特性可由偶模和奇模的适当线性组合实现带状线耦合为TEM波微带线为准TEM波宽频带的多节耦合器可以制作成关于中央节对称的也可制作成不对称的 Lange耦合器也称交指耦合器左为四指耦合右为其展开型使线两边的杂散场对耦合也有贡献实现紧耦合这样容易达到3dB耦合并有一个倍频程或更宽的带宽 64 应用奇偶模理论分析定向耦合器 设有幅度为1的波从端口1输入分解为奇偶模激励考虑对称性和互易性其S矩阵为偶模激励时有RFMW 成都信息工程学院电子工程学院 RFmw K即S31幅值的平方 Lange耦合器还有助于补偿偶模和奇模相速的不相等缺点在于对跨线之间的连接线加工困难两种情况一种是奇偶模反射系数都为0传输系数不相等对应耦合器14隔离3耦合另一种是奇偶模系数等幅反相传输系数相等对应耦合器13隔离4耦合奇偶模分别得到的反射系数和传输系数代入前面31页的S参数和奇偶模反射系数传输系数的关系式中可得分支线耦合器的S矩阵注1无耗的四端口器件可同时实现互易和各端口的匹配 2若14端口匹配23端口会自动达到匹配。
