波导定向耦合器课程74页PPT

Z0 1 3 Z0 z
l Z0
Z 0 Z 0 e ( z ) Z 0o ( z )
Z0 2
Z0 4 Z0
(e)
图 6-9耦合线的变形
15
第6章 定向耦合器
传输线定向耦合器的设计*
1/4波长
分析方法：若在2、3、4端口都接以标准引出线的特性阻抗 Z0作为负载阻抗，而在1口接一个内向波电压U1，则根据奇、偶 模分析的原理，可将其分解为一对偶模和一对奇模同时加在1、 2口。则定向耦合器的四口网络问题即可简化为奇、偶模的两端 口问题。可以先求出奇、偶模两网络的解，再将其叠加。
I 4o
I 3o
V3o3I14z0e z0oI2
Z0
V4
～
Z0
V
3
I1o
4
z0e z0o
Z0
V4o Z0
Z0
I 2o
1
V1
2
V2
～ 2V
～V

1
V1o
2
V2o
o Z in Z 0o
V V V zin 1 1e 1o I1 I1e I1o
I1o I 3o , I 4o I 2o V1o V3o ,V4o V2o
第6章 定向耦合器
按照优化后的仿真结果尺寸进行加工，为了提高导磁率及 及光洁度进而减小定向耦合器的插入损耗，印制板表面镀金。
定向耦合器测试曲线图
测试结果表明，实验结果与仿真设计结果符合性较好。定 向耦合器性能指标满足了设计要求。但是插入损耗比设计的 略大了些。造成该误差的主要原因是加工精度不够，接插件 19 焊接、安装对指标的影响。
0.00 － 5.00 － 10.00 － 15.00 － 20.00 － 25.00 － 30.00 0.00

应用场景二：卫星通信
在卫星通信中，波导定向耦合器主要用于信号 的传输、分路和合成，实现卫星信号的定向耦
合和功率分配。
波导定向耦合器在卫星通信中还可以用于天线阵列的 信号处理，实现天线的相位和幅度控制。
卫星通信是波导定向耦合器的另一个重要应用 领域。
它能够提高卫星通信系统的信号传输效率和稳定 性，增强卫星通信系统的抗干扰能力。
结构分析
波导定向耦合器的结构通常由输入波导、主波导、副波导和输出波导组成。输入信号通过输入波导进入主波导，并在主波导 上产生多个谐振模。通过适当的结构设计，使得其中一个谐振模被强烈激励，而其他谐振模被抑制，从而实现信号的定向传 输。副波导的作用是提取被强烈激励的谐振模信号，并将其传输到输出波导中。
在选择使用哪种类型的波导定向耦合器时， 需要根据实际需求进行综合考虑。例如，对 于需要高集成度、小体积的应用场景，E面 波导定向耦合器是较好的选择；对于需要简 单结构、高可靠性的应用场景，H面波导定 向耦合器是较好的选择；对于需要便携式、 低成本的应用场景，微型波导定向耦合器是
较好的选择。
波导定向耦合器的
波导定向耦合器的
04
制造工艺
制造材料
金属材料
常用的金属材料包括铜、铝、不锈钢等，它们具有良好的导电性和机械强度， 适合用于制造波导定向耦合器。
绝缘材料
绝缘材料用于制造波导定向耦合器的介质层，常用的有聚乙烯、聚四氟乙烯等 ，它们具有良好的绝缘性能和耐高温性能。
制造流程
设计和绘图
01
根据设计要求，绘制波导定向耦合器的图纸，确定各部分的尺
制作样品并测试
根据优化后的设计参数，制作 波导定向耦合器样品，并进行 性能测试，验证设计效果。
设计参数

• 总之，波导双孔定向耦合器是依靠波的 相互干涉而实现主波导的定向输出, 在耦 合口上同相叠加, 在隔离口上反相抵消。 为了增加定向耦合器的耦合度，拓宽工 作频带, 可采用多孔定向耦合器,
二 ，双分支定向耦合器
• 双分支定向耦合器由主线、副线和两条分支线 组成, 其中分支线的长度和间距均为中心波长 的1/4, 如图 5 - 15 所示。 设主线入口线“①” 的特性阻抗为, 主线出口线“②”的特性阻抗 为(k为阻抗变换比), 副线隔离端“④”的特性 阻抗为, 副线耦合端“③”的特性阻抗为, 平 行连接线的特性阻抗为Z0p, 两个分支线特性 阻抗分别为和。下面来讨论双分支定向耦合器 的工作原理。
5 耦合器得用途
• 功率控制的在各个功率下都要求严格，只是在接近最大功率处更 为苛刻，此时PA的功率较大，对线性度的挑战也不叫苛刻，稍微 冒大一点可能会连带处调变参数，如ACP，Spectrum，EVM 等大幅度恶化，像有的兄弟遇到的指标跳来跳去，有时会跳fail。 另外一方面就是校准之后，小功率会比较准确而大功率会有相对 较大的误差，主要有两方面的原因，其一是功率校准时通过取点 内插法实现，在小功率模式下，PA的线性度较高，其差值得到的 直线（曲线）很接近实际的特性直线（曲线），而在大功率下， 其功率可能会接近压缩，曲线会有所失真，这样通过差值得到的 曲线，除非取点很多，否则很难精准模拟实际特性曲线，所以在 PA输出加一功率检测反馈回路保证功率的精确性
(5)
• 工作带宽是指定向耦合器的上述C、 I、 D、 ρ等参数均满足要求时的工作频率 范围。
B
• 波导双孔定向耦合器是最简单的波导定 向耦合器, 主、副波导通过其公共窄壁上 两个相距d=(2n+1)λg0/4 的小孔实现 耦合其中，λg0是中心频率所对应的波 导波长, n为正整数, 一般取n=0。耦合 孔一般是圆形, 也可以是其它形状。定向 耦合器的结构如下页图

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。 (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。
( a )
( b )
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Z0（Ω）、电路的工作频率fc。 步骤二：利用公式计算出k、Z0s及Z0p:
k 10
c / 10
Z 0s Z 0 1 k Z0p Z0 1 k k
D(dB) 10 lg
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。
1 Z 0 P 1 C p 4 P 4 L s L s 2 P 2 C p 3 P 3 4 P 4 1 Z 0 P 1 L p C s C s 2 P 2 L p 3 P 3
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 耦合度 隔离度 方向性
T (dB) 10 lg C (dB) 10 lg I (dB) 10 lg P2 1 10 lg P S 21 2 1 P3 1 10 lg P S31 2 1 P4 1 10 lg P S 41 2 1 P3 1 1 10 lg 10 lg I (dB) C (dB) 2 2 P4 S 41 S31

根据仿真结果进行优化设 计，调整结构参数。
03
定向耦合器的应用
通信系统中的应用
信号传输
定向耦合器在通信系统中用于传输信号，能够实现信号的定向传 输和监测，提高信号传输的稳定性和可靠性。
功率分配
定向耦合器可以将输入信号按照一定的比例分配到多个输出端口， 实现功率的合理分配，满足不同设备的需求。
信号分离
广播电视系统
定向耦合器可用于广播电视系统中， 实现对信号的定向传输和分配，提 高信号覆盖范围和传输质量。
04
定向耦合器的性能指标
耦合度
总结词
耦合度是定向耦合器最重要的性能指标之一，表示耦合器输出端口功率与输入端 口功率的比值。
详细描述
耦合度的大小决定了定向耦合器对信号的提取程度。一般来说，耦合度越高，信 号提取能力越强，但同时也可能带来更大的噪声和失真。因此，在选择定向耦合 器时，需要根据实际需求和系统指标来选择合适的耦合度。
LTCC工艺
LTCC工艺是一种低温共烧陶瓷技术，它将多层陶瓷材料叠层烧结而成。在定向耦合器的制作中，LTCC工艺可用于制作高精度 、高稳定性的微型结构。这种工艺具有高可靠性、高稳定性等优点。
具体而言，LTCC工艺可以通过流延、叠层、烧结等方法实现。在定向耦合器的制作中，LTCC工艺能够实现高精度、高稳定性 的结构设计和控制，从而提高定向耦合器的性能和可靠性。同时，LTCC工艺还具有较好的耐高温性能和化学稳定性，能够满 足高温、恶劣环境下的应用需求。
厚膜工艺
厚膜工艺是一种将材料以较厚的膜层形式沉积在衬底上的 技术。在定向耦合器的制作中，厚膜工艺可用于制作较厚 的结构层，如波导壁、腔体等。这种工艺具有工艺简单、 成本低等优点。
具体而言，厚膜工艺可以通过丝网印刷、喷雾镀膜等方法 实现。在定向耦合器的制作中，厚膜工艺能够实现快速、 大批量生产，同时保持一定的性能和稳定性。

归一化转移参量
[ Ao
]

Ao Co
Bo
Do


a2 R b
j b R
j R (b a1a2 b) a1 b R
17
第六章 定向耦合器
Ae Ao , Be Bo , Ce Co , De Do 奇偶模网络参量关系
Ur1o
(1) 匹配特性：在理想情况下，它的四个端口是完全匹配的，只要1和2
端口能调到匹配，3和4端口一定匹配，即S11=S22=S33=S44=0 ；
(2) 隔离特性：当3和4端口具有隔离特性时，即S34=S43=0，则1和2端口 也具有隔离特性，即S12=S21=0；
(3) 平分特性：当信号由3端口输入时，则同相等分给1和2端口，即S13
Ur3
R
( Ae

Be )


R2ba2 jbR 1 a22R2

Ur3
2

R2b2 1 a22R2

R 10C
10

R2b2 1 a22R2
.....................................(2)
19
第六章 定向耦合器Biblioteka 联立得a1

10C
10

1
路的路程差为p0/2，即相位差为，故两路信号在D点相抵消，使4端口
无输出。 （二)双分支定向耦合器的特性分析 1.前提条件：仅从1口输入电压，设Ui1＝1v，其他各口均接匹配负载
14
第六章 定向耦合器
2.奇偶模等效法分析设计有关参数
U i1
1
1 2

1 2

28
④
③
图 6-6平行线型耦合器
i1 1
Cm
ic 4
ic 3
4
iL
2
3
图6-7 耦合线方向性的解释
29
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, 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。


j1
jБайду номын сангаас
/
20

j1
1 j


j
1
e

A A
BC BC

D D

0
2
1
Te A B C D
(1 j) 2
19
对于奇模，
AB
CD
o
4
图 6-5分支线耦合器
13
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。
6.3.2 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Z0（Ω）、中心频率fc、基板参数 14
(C
Z0e Z0o Z0e Z0o
S14 )
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。
32
6.4.3 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

配负载时的输入端口“①”的驻 波比定义为输入驻波比，记作ρ。
10
(5)
• 工作带宽是指定向耦合器的上述C、 I、 D、 ρ等参数均满足要求时的工作频率 范围。
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B
• 波导双孔定向耦合器是最简单的波导定 向耦合器, 主、副波导通过其公共窄壁上 两个相距d=(2n+1)λg0/4 的小孔实现 耦合其中，λg0是中心频率所对应的波 导波长, n为正整数, 一般取n=0。耦合 孔一般是圆形, 也可以是其它形状。定向 耦合器的结构如下页图
17
• 假设输入电压信号从端口“①”经A点 输入, 则到达D点的信号有两路, 一路是 由分支线直达, 其波行程为λg/4, 另一路 由A→B→C→D, 波行程为3λg/4；故两 条路径到达的波行程差为λg/2, 相应的 相位差为π, 即相位相反。
18
因此若选择合适的特性阻抗, 使到达的两路信号的振幅相 等, 则端口“④”处的两路信号相互抵消, 从而实现隔离
22
5 耦合器得用途
• 功率控制的在各个功率下都要求严格，只是在接近最大功率处更 为苛刻，此时PA的功率较大，对线性度的挑战也不叫苛刻，稍微 冒大一点可能会连带处调变参数，如ACP，Spectrum，EVM 等大幅度恶化，像有的兄弟遇到的指标跳来跳去，有时会跳fail。 另外一方面就是校准之后，小功率会比较准确而大功率会有相对 较大的误差，主要有两方面的原因，其一是功率校准时通过取点 内插法实现，在小功率模式下，PA的线性度较高，其差值得到的 直线（曲线）很接近实际的特性直线（曲线），而在大功率下， 其功率可能会接近压缩，曲线会有所失真，这样通过差值得到的 曲线，除非取点很多，否则很难精准模拟实际特性曲线，所以在 PA输出加一功率检测反馈回路保证功率的精确性

(5)
• 工作带宽是指定向耦合器的上述C、 I、 D、 ρ等参数均满足要求时的工作频率 范围。
B
• 波导双孔定向耦合器是最简单的波导定 向耦合器, 主、副波导通过其公共窄壁上 两个相距d=(2n+1)λg0/4 的小孔实现 耦合其中，λg0是中心频率所对应的波 导波长, n为正整数, 一般取n=0。耦合 孔一般是圆形, 也可以是其它形状。定向 耦合器的结构如下页图
• 同样由A→C的两路信号为同相信号, 故 在端口“③”有耦合输出信号, 即端口 “③”为耦合端。耦合端输出信号的大 小同样取决于各线的特性阻抗。 • 下面给出微带双分支定向耦合器的设计 公式 。 设耦合端“③”的反射波电压为 |U3r|, 则该耦合器的耦合度为
各线的特性阻抗与| |关系式为
• 分支线定向耦合器的带宽受λg/4 的限制, 一般可做到, 若要求频带 更宽, 可采用多节分支耦合器。
• 定向耦合器是一种具有定向传输特性的 四端口元件, 它是由耦合装置联系在一起 的两对传输系统构成的。 • 如图下页图所示。 图中“①、 ②”是一 条传输系统, 称为主线；“③、④”为另 一条传输系统, 称为副线。耦合装置的耦 合方式有许多种, 一般有孔、分支线、耦 合线等, 形成不同的定向耦合器。
• 假设输入电压信号从端口“①”经A点 输入, 则到达D点的信号有两路, 一路是 由分支线直达, 其波行程为λg/4, 另一路 由A→B→C→D, 波行程为3λg/4；故两 条路径到达的波行程差为λg/2, 相应的 相位差为π, 即相位相反。
因此若选择合适的特性阻抗, 使到达的两路信号的振幅相
等, 则端口“④”处的两路信号相互抵消, 从而实现隔离
• 总之，波导双孔定向耦合器是依靠波的 相互干涉而实现主波导的定向输出, 在耦 合口上同相叠加, 在隔离口上反相抵消。 为了增加定向耦合器的耦合度，拓宽工 作频带, 可采用多孔定向耦合器,

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

§5.1 耦合模方程
（简介1）
Z
nf1 ns
பைடு நூலகம்
nf2
x
设传播方向为Z，折射率分布与Z无关。波导中 第 阶导模场 i Z E E ( x , y ) e

i Z H H ( x , y ) e
§5.1 耦合模方程 2011年2月

第五章 波导定向耦合原理
（简介2）
da ( Z ) 2 i a ( Z ) ik a ( Z ) 2 2 1 dZ
§5.1 耦合模方程 2011年2月
第五章 波导定向耦合原理
推导A1(Z)、 A2(Z)随Z的变化：
将
i 1Z a ( Z ) A ( Z ) e 1 1 i2Z a ( Z ) A ( Z ) e 2 2
§5.1 耦合模方程 2011年2月
第五章 波导定向耦合原理
设波导2对于波导1的耦合系数为k1， a1(Z)随Z的变化的表达式可以写成：
da ( Z ) 1 i a ( Z ) ik a ( Z ) ?? 1 1 2 dZ
类似，设波导1对于波导2的耦合系数为k2， a2(Z)随Z的变化的表达式可以写成：
§5.1 耦合模方程 2011年2月
第五章 波导定向耦合原理
得到耦合模方程
（简介4）
dA 1 i( Z ] 1A 2 exp[ 1 2) dZik dA 2 ik i( Z ] 2A 1 exp[ 1 2) dZ
k1、 k2 是耦合系数。1、2是波导的传播常数。 k1 、k2取决于波导结构、参数、机制、耦合过程。
i Z i Z 1 1 da ( Z ) d [ A ( Z ) e ] de dA ( Z ) i Z 1 1 1 1 A ( Z ) e 1 dZ dZ dZ dZ dA ( Z ) i Z 1 1 i a ( Z ) e 1 1 dZ

（3）输入驻波比p 它定义在各端口匹配条件下，输入端口1的驻波比p为输入驻波比，见图22-3所 示。显然有
实际上，由于 0 ，所以严格说来（ 22一9）式中的是端口4接了 L 4 网络的 ，它与原四端口网络 S 参数的关系已由附录4-1给出 S 11
'2 '2 C D L 4 s 11 1 L 4
波导定向耦合器
定向耦合器的基本参数有三个：分贝耦合度C,定向性D和输入驻波比p。这三个参 数都有一定的频带指标。 （1）分贝耦合度C 定义在各端口匹配情况下，端口1的输入功率P1和端口3的耦合功率P3之比再取 101og 即 P a 1
1 1 C 10 log 20 log 20 log dB P a s 3 2 31
（
1 max
2 min
显然这时所测的，定向性Dp也有一个范围，即
(
3) 输入驻波比的测量 输入驻波比 ，采用下图测试系统。当
很小时，也可采用滑动负载法

三， 实验线路和仪器
四、实验步骤 本实验主要测定定向耦合器三个参数：分贝耦合度 C，实际器件定向性Dp和 输入驻波比。 1. 连接好微波系统，调谐探针，调配信号源 g ，测定电源工作频率f。 2．调配功率计，使等效 L 尽量小。 3，按图22一4系统测定分贝耦合度C。 C＝ A 1 A 2 4．按图22一5的系统测定实际器件的定向性Dp。根据|Dp|和| kL | 大小判别进 ' 行计算。在我们的情况下按
第三种，称为实际器件的定向性.D P 它定义为在定向耦合器端口4接有 L 4 情况下，器件对外显示为三端口网络。这 与 S32模之比，再取201og，即 个三端口网络的S31
s31 D log ( dB ) P 20 s32

4 1 d 3 2 4 1 d 3 2
2016/5/18
7
第四章 微波元器件
4.7 定向耦合器
因此，一个理想的定向耦合器可以对传输线上的正、反向电磁波分别 采样。即：
Γ2
2

P2 P2 P 1 P P 4 24 4 2 2 2 P1 P3 (1 k )P1 k (1 k )P1 k P1 P3
(4-29)
(4-32) (4-34)
(1) 电压耦合系数 ki 必须很小，不能任选，可以通过改变小孔的个数 n 来 调整正向过渡衰减量 L + ； (2) 方向性系数 D 也可以通过改变小孔的个数 n 来调整； (3) 由于多孔定向耦合器对 d 无严格的特殊要求，只要 d k 就可以。 因此，多孔定向耦合器的工作频带较宽。
16
2016/5/18
第四章 微波元器件
理想微波定向耦合器的 S 参数
b1 S11 S12 b S 2 21 S 22 b3 S31 S32 b4 S 41 S 42 S13 S 23 S33 S 43 S14 a1 S 24 a2 S34 a3 S 44 a4
(4 - 26)
只要主、副波导之间的小孔位置合适，就可以构成定向耦合器。 需要注意的是，只有在耦合孔很小时，两个小孔的耦合波幅度才会近 似相等。只有这样，相对于波源信号反向传输的耦合波才有可能在 No.4 端口相互抵销，从而得到 P14 = 0 结论。
波 源
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负 载
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第四章 微波元器件
P P3 1 1 3 k 2 (1 k 2 ) P2 P4 (1 k 2 ) 2 P3 P4