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任意耦合度集总宽带正交定向耦合器(1)

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理想的定向耦合器

理想的定向耦合器

④端输入，②和③端功率平分相位 相同。 用于和差：②和③端同相等幅输入 ，④端输出最大；②和③端反相等 幅输入，④端无输出。
二、三口元件
2. 铁氧体环行器——环行元件
3
1
2
0 0 1 [S ] 1 0 0 0 1 0
理想s矩阵 [例1] 理想环行器端口③接匹配负载 L o ，即可构 成二端口隔离器。
2 2
(20-26)
对于理想的3 dB桥
1 | S13 | | S14 | 2 2
(20-27)
代入上式可知 |S11|≈|S12| 另一方面，由
* * * * S11S12 S12 S11 S13S14 S14 S13 0
(20-28)
三、四口网络的一般性质
又可得到
| S11 || S12 |cos(1 2 )| S13 || S14 |cos(3 4 ) 0
b3 a e j ( n1) a e j ( n1) a e j ( n1) a ne j ( n1) b2 a a e j 2 a e j 4 a e j 2( n1)
a (1 e j 2 e j 4 e j 2( n1) ) 1 e j 2 n j ( n 1) sin n a a e j 2 sin 1 e
* * * * (| S11|2 | S12 |2 )( S13 S14 S13 S14 ) (| S13 |2 | S14 |2 )( S11S12 S11S12 )
三、四口网络的一般性质
也即
(| S11 |2 | S12 |2 )| S13 || S14 |sin( 3 4 ) (| S13 | | S14 | )| S11 || S12 |sin(1 2 )

基于ADS的宽带定向耦合器的设计与仿真

基于ADS的宽带定向耦合器的设计与仿真

作者简介:王利斌(1982-),男,山西太原人,硕士研究生,工程师,从事机载无线通信设备设计与开发工作,主要研究方向为射频功放设计与无源射频电路设计。

基于ADS 的宽带定向耦合器的设计与仿真Design and Simulation of BroadBand Directional Coupler Based on ADS王利斌(中国西南电子技术研究所,四川成都610036)Wang Li-bin (Southwest China Institute of Electronic Technology,Sichuan Chengdu 610036)摘要：该文简单阐述了定向耦合器的工作原理，通过对比分析微带线耦合器和带状线耦合器。

通过使用Keysight 公司的ADS 仿真软件，设计一款采用LCR 补偿方案可以兼顾平坦度和方向性的带状线双定向耦合器，最后给出该耦合器的实际电路模型和满足设计预期的仿真数据。

关键词:定向耦合器；LCR 补偿方案；带状线中图分类号：TN622文献标识码：A文章编号：1003-0107(2019)09-0038-06Abstract:This paper briefly describes the working principle of directional coupler,and analyzes microstrip-line coupler and stripline coupler.By using Keysight's ADS simulation sofware,a LCR compensation is designed which the scheme can give consideration to both flatness and directional of the stripline bi-directional coupler.Finally,the actual circuit model of the coupler and the simulation result satisfiying the design expectation are given.Key words:directional coupler;LCR compensation;stripline CLC number:TN622Document code:AArticle ID ：1003-0107(2019)09-0038-060引言定向耦合器的基本工作原理同和微带功率分配器一样[1]，同时有四个端口，分别是输入端、耦合端、直通端和隔离端。

四.功分器和定向耦合器的设计

四.功分器和定向耦合器的设计
• 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
• 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

宽带带状线定向耦合器的设计

宽带带状线定向耦合器的设计

宽带带状线定向耦合器的设计蔡德龙;刘成安;蔡钟斌;吕涛【摘要】多阶1/4波长滤波器理论为宽带定向耦合器的研究提供了依据,利用该方法设计了应用频段为2～6 GHz的多节3 dB的交错耦合带状线定向耦合器,并利用电磁仿真软件HFSS进行仿真.仿真结果表明,该带状线耦合器具有良好的方向性、较高的耦合度和较低的插损,从而为这类宽带强耦合度耦合器的研究提供了一定的参考价值.【期刊名称】《微型机与应用》【年(卷),期】2016(035)018【总页数】3页(P66-68)【关键词】无线电电子学;带状线耦合器;宽带;电磁仿真;HFSS【作者】蔡德龙;刘成安;蔡钟斌;吕涛【作者单位】西南科技大学国防科技学院,四川绵阳 621010;西南科技大学国防科技学院,四川绵阳 621010;西南科技大学国防科技学院,四川绵阳 621010;西南科技大学国防科技学院,四川绵阳 621010【正文语种】中文【中图分类】TN622;TN603引用格式：蔡德龙，刘成安，蔡钟斌，等. 宽带带状线定向耦合器的设计[J].微型机与应用，2016,35(18)：66-68.耦合器是现代微波工程测试技术中广泛用到的无源器件,其主要作用是将微波信号进行某个方向的功率耦合，将耦合后的功率信号进行检测、调节等处理。

定向耦合器因其体积小、损耗低、可靠性高而备受青睐。

随着微波工程技术的发展，各种形式的耦合器得到了研究与应用。

参考文献[1]提出了一个应用于8～12 GHz的E面波导3 dB耦合器的改进型结构。

参考文献[2]报道了基于波导的Q波段3 dB环形电桥的设计，证明了这种环形电桥在该频段良好的电磁性能。

参考文献[3]提出了一种应用于2～20 GHz的新拓扑超宽带20 dB的定向耦合器，在通带内取得满意的效果。

但以上研究均存在一些不足，就是其相对带宽较窄，在实际应用上具有一定的局限性，当带宽较宽时，难以实现强耦合[3]。

由于波导本身截止频率的约束，对于宽带跨波段耦合器的研究则无法再使用波导的形式来实现。

第5章 功分器、定向耦合器和混合环概要

第5章 功分器、定向耦合器和混合环概要

Z0o Z0
1 C 1 C
3. 多节耦合线耦合器设计 多节耦合线耦合器如图5.35所示。
图5.35 N节耦合线耦合器
• 5.3.4 Lange耦合器
一般讲，耦合线耦合器的耦合较松，很难做到 3dB或6dB耦合度。增加边缘耦合线耦合的一种方法是 采用几条线彼此并行，以使得线的两边都产生耦合。实 际应用这种概念来实现时，最常见的是如图5.37a所示 的Lange耦合器。这里四根耦合线采用相互连接以提供 紧耦合。这种耦合器很容易做到3dB耦合度，具有一个 或多个倍频程带宽。设计思路是补偿偶模和奇模速度的 不等，也改善了带宽。输出线（端口2和3）之间具有 90º 相位差，以使这种耦合器是一种典型的90º 分支耦合 器。其主要缺点是在实用上线很窄，而且靠得近，古制 作很困难，另外还需要粘接跳线。这种类型的耦合线结 构也被称为交指型耦合器，亦能用于滤波电路。
（5.61）
式中v是线上的传输速度。 对奇模情况，电力线相对于中心线是奇对称的，在两带线之间 存在有电压零点。可以认为地平面通过C12的中间，得所示的等 效电路。任一根带线和地之间的等效电容为
C0 C11 2C12 C22 2C12
而奇模的特性阻抗为
（5.62）
Z0o 1/ vCo
图5.14 N路等分微带功分器
图5.15 用微带形式实现的四节微带功分器
5.3 定向耦合器
• 5.3.1 波导定向耦合器
用波导实现的定向耦合器是最早实现的耦合器，它通常在波 导的公用编上用小孔（或小槽）来实现耦合。 1.小孔耦合器（Bathe孔）
图5.16 两种Bathe孔耦合器
2. 多孔耦合器设计 双耦合器的工作原理：如图5.18所示。它是两个平行 波导共享一个公共宽壁，两个小孔相隔 g / 4 ，而且耦 合着两个波导。送入到端口1的波大部分传送到端口 2，但有一些功率通过两个孔耦合到上面的波导。

超宽带微波直接定向耦合器设计

超宽带微波直接定向耦合器设计
： 醉＝ ２＝Ｔ ￣（ｃ。ｏ ｓ Ｏ］（２）
其 中
—
１
—
： ｃ。ｓｈｆ ｃ。ｓｈ ｔ １３／ｈ］
ｃｏｓＯ ０
，
Ｏ为传 输 线 电 长 度 ， ｐ和 ｈ为与 带 内 波 纹 及 耦 合 度 相
￡ 西１ Ｉ ￣Ｔ － ＂ｌ ｊ ㈤
ｌ￣＿ ［ ｃｏ ｓｚ０ｉ Ｊ。 Ｚ ｒ Ｓｉｎ ］：［ ］ ｃ５， ，
维普资讯
超 宽带微 波直接定 向耦合器设
虿 一验 一交 一流
５７
叠叠 囊 ；ｉ
维普资讯
泛应 用，但 其工作带宽较窄。 为满足宽带甚至超宽带 的要 求，必 须使 用多节 带状 线结构，多节带状线结构是 以单节 为基础 的。单节定 向耦合器与 九／４微带线平行耦合滤波器 等效，都需要用到等效传输线理论［１】，计算 出相应的奇模 和偶模阻抗 。平行耦合带状线如图２所 示。
图４ 九／４级联传输 线等效网络
ｊ。 。 ｔａｎｈ Ｈ
（１１）
其 中Ｃ为耦合度 ，Ｒ为带 内波纹 。于是就得 到 ｐ、 ｈ与
Ｌ］ Ｃ和Ｒ的 间接关系 ，根据需要 的耦 合度及 带内波纹 指标就
可 以确定 ｐ、ｈ的值 。其与耦合度
关 系 的典 型 值 如 表 １所 示 。
表１ ｐ、ｈ典型值表
ｓｅｃｌ
、 、
ｓｅｃ２
ｓｅｃ３ Ｖ
枷 伽
∞ Ｓ ｖ
３
ｔＳ ｖ ∞Ｓ Ｖ
２
Ｏ ８ Ｏ ２ ４ １ ６ ８ ｆｒ ｎ Ｈ７
图９ 单、两、三、五支节驻波比响应仿真结果
ｓｅｃ５ Ｖ
龋 箭 】 －
骶
．
ｖ０｝＝＝＝ 寺：＝

一种超宽带平坦度好的定向耦合器的制作方法

一种超宽带平坦度好的定向耦合器的制作方法超宽带平坦度好的定向耦合器是一种在超宽带通信系统中应用广泛的关键元件，它可以实现高效的信号传输和能量耦合。

本文将介绍一种制作超宽带平坦度好的定向耦合器的方法。

我们需要了解什么是超宽带平坦度。

超宽带平坦度是指在整个频率范围内，定向耦合器的插入损耗基本保持不变。

超宽带通信系统需要传输宽频带信号，而平坦度好的定向耦合器可以保证信号在整个频率范围内的传输质量稳定，避免信号损失和失真。

制作超宽带平坦度好的定向耦合器的方法如下：1. 设计定向耦合器的几何结构：根据系统需求和性能指标，设计定向耦合器的几何结构。

这包括确定耦合器的尺寸、形状和材料等。

2. 制备基底材料：选择合适的基底材料，并进行表面处理，以提高材料的附着性和耐腐蚀性。

常用的基底材料有氧化硅、氮化硅等。

3. 制作耦合器的导波结构：利用光刻技术和干法刻蚀技术，在基底上制作出耦合器的导波结构。

导波结构的形状和尺寸需要根据设计要求进行精确控制。

4. 制作金属电极：利用金属蒸镀技术，在导波结构上制作出金属电极。

金属电极的形状和布局需要与导波结构相匹配，以实现有效的耦合效果。

5. 进行测试和调优：制作完成后，需要对定向耦合器进行测试和调优。

通过测量插入损耗和反射损耗等参数，对耦合器的性能进行评估和优化。

6. 封装和封装测试：将定向耦合器封装在适当的封装中，并进行封装测试。

封装的目的是保护耦合器，确保其在实际应用中的稳定性和可靠性。

总结：超宽带平坦度好的定向耦合器是超宽带通信系统中重要的元件，通过合理的设计和制作方法，可以实现高效的信号传输和能量耦合。

制作超宽带平坦度好的定向耦合器需要注意材料选择、几何结构设计、制作工艺等多个方面的因素，以实现优异的性能和稳定的质量。

未来，随着超宽带通信技术的发展，超宽带平坦度好的定向耦合器将在更多的应用领域中发挥重要作用。

第六章+定向耦合器


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6.3.4 如何直接写出其S矩阵（3dB）？ RF&MW
6.3.5 如何由奇偶模分析法验证其S矩阵？
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e o Te To B1 B2 2 2 Te To e o 对于偶模， B3 2 B4 2
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AB 10 0 j / 2 10 1 j CD j1 j 1 j 1 e j / 20
图 6-1 耦合器方框图
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定向耦合器的参数则可定义为： 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 2 P S 1 21 P3 1 10 lg 2 P S 1 31 P4 1 10 lg 2 P S 1 41 P3 1 1 10 lg 10 lg I (dB) C (dB) 2 2 P4 S 41 S31
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（εr,h）。 步骤二: 计算支线和主线的归一化导纳a和b:
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b2 1 C 20 lg b 1 a 2 b 2
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实验七、定向耦合器设计与仿真


依次点击“oK”，最后得到”VAR”控件的参数设置如图，点击”OK”。
2、双击原理图中“Mlang”控件修改W,S参数为变量形式。
3、单击元件窗口面板选择” 将“optim”和”GOal”两控件拖入电路窗口，共设三个 优化目标，再复制两个“Goal” 。分别对这这个控件 进行设置，如图。
点击仿真按钮，结果如图。将w=1.22,S=1.24,代入控件VAR中，将优化的四个 控件关闭，再重新仿真得仿真数据如图。
电路版图
D
10 log
P4 P3
20 log
S41 S31
(dB)
⑷、插入损耗：直通端口②的输出功率P2和输入端口①的输入功率P1之比。
IL
10
log
P2 P1
20 log
S21
(dB)
⑸、输入驻波比：端口②、③、④都接匹配负载时的输入端口①的驻波比。
1 S11
1 S11
⑹、工作带宽：定向耦合器的C、I、D、ρ等参数均满足要求的工作频率范围。
由于H=15mil，所以得W=1.605mil,S=1.065mil。中心频率f0=12GHz，所以 L=100mil。用这些参数对电路图中的“Mlang”双击设置相应参数（w2对应 耦合器四个端口50Ω的微带线宽度，计算得到14.75mil)。
8、同样对S参数扫描参数进行相应设置。如图
单击仿真，添加数据S(1,1) ,S(3,1) S(4,1),显 示窗口。
④ 隔离
Z0 λ/4
s
Z0 w
② 直通
输入 ① Z0
③
Z0
耦合
Lange结构
1、耦合器工作原理
结构如图，端口1的输入功率一部分直接传输给直通端口2、另一部分 耦合到耦合端口3，理想情况下，没有功率从隔离口输出。另外直通口与耦 合口之间有900的相位差。Z0为输入输出微带线的宽度，S为微带线之间的 间距，λ/4为工作带宽中心频点处的四分之一波长。影响耦合系数C的参数

第6.4章四端口元件

耦合臂③：一路经2g/4、另一路经2g/4（等幅同相）在③口输 出，输出相位比①口输入的相位滞后,
隔离口④：一路经g/4、另一路经3g/4（等幅反相）在④口输 出，④无输出。
正交混合电桥的S参数
由端口①输入的功率：
端口①匹配无反射； S11 0 直通臂②输出功率为一半，相位滞后/2；
S21
j1 2
则得 2n

可得实用中两种特殊选择：
1）对称耦合器：
2
S12 S34
, S13
j
e 2 j , S24
j
e2 j
即S13和S24的相位选取相同，其S矩阵为：
0 j 0
S04 S
j
0 0
0 0
j
0
j
0
2）不对称耦合器 0,
S12 S34
, S13
e j0
▪ 信号由端口①输入时，端口 ②和③为等幅同相输出，端 口④无输出（隔离端口）；
▪ 若信号由端口④输入，则由 端口②和③等幅反相输出， 端口①无输出。
▪ 当用作功率合成器时，输入信号 分别加于端口②和③，则在端口 ①输出和信号（和端口），在端 口④输出差信号（差端口）。
0
j2 j2 0
j2 0 S
S04
S12 S013
0 0 S24
0 0 S34
S24
S34 0
0 1 j0
0110
S04 S
1 0.707
j
0 0
0 0
j 1
S04 U
1 0.707
1
0 0
0 0
1 1
0 j1 0
0 11 0
耦合端口的耦合系数为
S13 2 2
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任意耦合度集总宽带正交定向耦合器
主讲人：林美嘉
定向耦合器在不同的微波电路中都路 模型如右上图所示。
为了扩展带宽，提高该定向耦合器的应 用价值，将单级同向定向耦合器组合起 来，如右下图所示。
设第一级的耦合系数为k1，第二级的耦合系数为k2， 容易求得级联网络的S21，S31 的表达示如下：
参考文献：任意耦合度集总宽带正交定向耦合器的研究
主要贡献：该文借鉴单级定向耦合器的分析方法，将两个相同耦合度 的单定向耦合器网络级联起来以获得最大带宽。