定向耦合器的研究分析.pdf

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1、定向耦合器的研究 几种微带定向耦合器结构与分析 摘 要 定向耦合器是一种通用的微波/毫米波部件，可用于信号的隔离、分离和混合， 如功率的监测、源输出功率稳幅、信号源隔离、传输和反射的扫频测试等。主要 技术指标有方向性、驻波比、耦合度、插入损耗。现在国内外研究定向耦合器都 向体积小、功率容量大、频带宽、插入损耗小， 有良好的驻波比和方向性等发展。 如今已研制出的高性能的耦合器， 如中国电子科技集团公司第四十一研究所研制 的耦合器，频率范围可从30kHz 达到 110GHz，耦合度也有 3dB、10dB、20dB 各种型号，且它的功率有的可以达到10KW，例如 AV70606 耦合器，它在保证 方

2、向性大于 30dB 的情况下，功率就可达到10KW。甚至有些公司在耦合度控制 在 10dB 的情况下， 它的回波损耗可以低于 -50 到-60dB，甚至更低。 然而在某些 特性场合，对耦合器的要求也是越来越高， 因而更加优良的耦合器也有待我们去 研究。 关键词 : 传输线；微带线；定向耦合器；耦合度；奇模；偶模 1 引言 在一些电桥及平衡混频器等元件中， 常用到分支线定向祸合器分支线电桥或定向 藕合器由两根平行传输线所组成，通过一些分支线实现拐合它们 在 中心 频 率上 分 支 线 的 长度 及 其 间 的 间 隔 全 都 是 四 分之 一 波 长。由于徽带线分支定向祸合器在结构和加工制造方面

3、都比波导和同轴 线简便得多，因此在徽带电路，分支线电桥和定向祸合器得到了较多的应用。 随着定向耦合器技术的发展， 它应用到了更多更广泛的领域当中去，例如相控阵 雷达等，越来越多的人开始关注这项技术，这更使定向耦合器得到了长足发展， 随着时间的推移它在电子技术领域占到了越来越重要的地位。 2 微带定向耦合器的种类 微带定向耦合器的种类有很多，例如：平行耦合微带线定向耦合器、微波3dB 微带双分支定向耦合器、宽带微带定向耦合器等。 2.1 平行耦合微带线定向耦合器 图12所示， 是平行耦合微带线定向耦合器的示意图。 当端口信号激励时， 端口为隔 离端无输出 、 而耦合端口 及直通端口有 输出。 根

4、据奇 、 偶模分析 方法 可知 ， 耦合端口 及直通端口的输出电压分别为， 式中：Z0e和 Z00分别为耦合微带线的偶模和奇模特性阻抗，e 和分别是耦合 微带线的偶模和奇模的电长度，Z0是端口的端接阻抗。 根据（1）式可知定向耦合器的耦合度为， 而根据（2）式可得传输系数为， 但需要满足一下条件，即： 如果假设耦合微带线中传输的是TEM 波 （ 而 不 是 准TEM 波） ， 则可忽略奇 、 偶模相速的 差别而认为 : e= ，此时（ 1）（ 4）式可以改写成以下形式，即： 式中： 但需要满足一下条件，即： 根据（ 5）（9）式可知，此时的耦合度和传输系数分别变为， 而中心频率的耦合度为， 2

5、、耦合区的长度 根据 （ 11 ） 式可知， 当耦 合区的电长度度时， 耦合度C 最大， 耦 合器 获得 最大的耦合 输出。因此图 12中“耦合区”的几何长度应取中心工作频率的四分之一波长，即： 对于工作在准TEM 波的耦合微带线的奇、偶模的相速不相等，应取： 式 中： 分别为“奇模”和“偶模”波导波长，而 ee和 e0分别是“奇模”和“偶模”的有介电 常数。 注意：当工作频率较高时“耦合区”的几何长度将非常短、制作困难，此时可取： 即可以将“耦合区”的几何长度设计成中心工作频率的四分之一波长的奇数倍，具体 取多少倍应视具体情况而定。 2.2.1 3dB 微带分支线定向耦合器 定向 耦合器广泛

6、应用与射频系统中， 特别市3dB定向耦合器更使一个不可或缺的重 要元件，其大量使用于射频电路。但是，传统的微带分支线定向耦合器占电路面积太 多，在迅速发展的微波集成电路（ MIC)和单片微波集成电路（ MMIC) 中，微带元器件 的小型化扮演着不可或缺的角色。降低成本，提高集成度是微带元器件的小型化理论 成为发展的趋势。微波耦合器是现代微波、毫米波通信技术和电子战等应用中一个极 其重要的部分，是微波、毫米波系统中的核心器件，因而定向耦合器成为制约系统性 能和技术水平的关键部件，其性能的优劣将直接影响到整个系统的质量。 、 图2-1标准3dB微带分支线定向耦合器板图 （1）1、2、3、4四个口都

7、是匹配的，即： S 14=S22=S33=S44=0 (2) 当各口接以匹配负载是，1、4口之间，2、3口之间都彼此隔离，即 S 14=S23=0 (3)1 臂至2、3臂，4臂至2、3臂，功率完全平均分，即 |S 21|=|S31|= |S 24|=|S34|= 反过来亦然，即2臂进入的功率平分地进入1、 4臂， 3臂进入的功率也平分地进入1、 4臂。 |S 12|=|S42|= |S13|=|S 43|= 由定向耦合器的耦合度C=10log(1/|S31|2)dB 和 C=3dB 得|S31|2=1/2, 即：功 率平均，实际上 3dB 定向耦合器为功率平均器。 对于我们经常提到定向耦合器的

8、输入端口、直流端口、耦合端口和隔离端口 与定向耦合器上标出的Port1、Port2、Port3 和 Port4 是一一对应的，如图2-2 所示，同时我们也可以看到耦合器里输入信号功率的常规流向。 2.2.2 标准（传统） 3dB微带分支线定向耦合器的参数 在小型化微带分支线定向耦合器时，首先理论计算设计出电路板图，然后软 件仿真和测量S 参数频率特性曲线。微带分支线定向耦合器的S 参数频率特性 曲线如图 2-3 所示和定向耦合器的直通端口和耦合端口的相位差如图2-4 所示。 通过 S 参数频率特性曲线和直通端口和耦合端口的相位差来表示小型化理论的 正确性，设计出电路板图后， 很据制作实际电路板

9、材料的参数计算出微带线的实 际尺寸，然后做出电路板进行测试。 图 2-3 标准 3dB 微带分支线定向耦合器的S 参数特性曲线 2.2.3 定向耦合器电路的散射参量S S 参量是由归一化入射波电压和归一化反射波电压来定义的，因此它容易进 行测量。故 S 参量是微波网络中应用最多的一种参量。 如图 2-5 所示，设 an代表网络第 n 个端口的归一化入射波电压， bn 代表第 n 个端口的归一化反射波电压，它们与同端口的电压关系为 式中， Zcn 为第 n 个端口的参考阻抗。 图 2-5 S 参量网络 假设网络是线性的， a 与 b 有着线性的关系，对两端口网络可写成 b1=S11a1+S12a

10、2 b2=S21a1+S22a2 （2-2） 或b=Sa （2-3） 式中，（2-4） 称为散射矩阵，其各参量的物理意义为： 表示端口 2 匹配时，端口 1 的反射系数； 表示端口 1 匹配时，端口 2 的反射系数； 表示端口 1 匹配时，端口 2 到端口 1 的传输系数； 表示端口 2 匹配时，端口 1 到端口 2 的传输系数。 式中，ai=0(i=1,2)表示第 i 个端口接匹配负载，因而没有从负载反射回来的 波。 2.3 一种宽带微带定向耦合器 微带线定向耦合器支持纯TEM 或准 TEM 模的传输，在传输过程中相互作用 产生耦合的两种模式：偶模和奇模。平面TEM 传输线定向耦合器有窄边耦

11、合和 宽边耦合，一般对于微带线为窄边耦合，带状线为宽边耦合。 微带线 介质基板 地平面 图 1 窄边耦合的微带耦合器 输出端 2 输出端 1 图 2 单节耦合器 输入信号可以分为奇偶两种模式，在偶模时，输入和耦合端输入电压幅度和相 位都相同，此时，两条微带线之间存在一个理想磁壁；在奇模时，输入和耦合端 输入电压幅度相同，相位相反，此时，两条微带线之间存在一个理想电壁。单节 耦合器的耦合度定义为： （1） 式中， Zoo 和 Zoe 分别为单节耦合器的归奇模和偶模。并且有ZoeZoo=Zo2,Zo 为耦合器的负载，一般为50 欧姆。 通过利用奇偶模对耦合器进行理论分析，最后对参量进行优化。多节非

12、对 称耦合器的分析是再单节耦合器的基础上进行的。如图3 所示。 图 3 n 节非对称定向耦合器 图 3 中的 Zoo 和 Zoe 分别为每节耦合器的归一化奇模和偶模，关系为 ZooZoe=1，为每节的电长度即信号在耦合器的相移。对称耦合器相比于非对 称耦合器在耦合端口和输出端口相位差为90 度，且与频率无关。这种特性在相 位控制中很重要，但是非对称耦合器相比之下却又更宽的带宽。 多节耦合器可以看做是电长度为和特性阻抗为Zr(r=1,2,.,n) 的单节耦合 器级联而成的，假定为无耗网络时，它的传输矩阵为： （2） 多节耦合器中插入损耗计算公式为： （3） 多节耦合器的带宽设置为 0 到- 0，

13、相应插入损耗可以写为： （4） 式（4）一般作为实特性阻抗的阶梯阻抗滤波器。式中的Tn 为 n 阶第一类切比 雪夫函数， cos 0= 。把式（ 3）和（ 4）进行相应的联 合可以得到 n 个对于变量 Zr(r=1,2,.,n) 的表达式，通过计算表达就可以得到耦 合器的相应参数，当n 大于 3 时，一般借助于计算机处理。 根据 Richards 变换，把复阻抗映射到满足Brunet 条件的阻抗域 Z(t） 。由式 （3）得到的插入损耗的表达式可以得到反射系数： （5） 由式 Z(t）的条件限制，此时 （t) 为正实数的 n 阶多项式，输入阻抗Z(t) 的计算公式为： （6） 根据设计要求宽带

14、BW ，耦合度 C和纹波 R得到计算条件。 （7） 其中，。由式（ 6）和式（ 7）可 以得到关于 和 h 的等式，求解出着两个变量，就可以得到耦合器的每节特性 阻抗和它的奇偶模。 在前面的分析中， 根据耦合器的设计要求如带宽、耦合度和带内纹波， 可以 得到不同节数的耦合器对应的奇偶模和特性阻抗。本文设计的耦合器节数n=6， 带宽比（- 0）/ 0=10，纹波变化 R=0.5dB ，根据上面的计算得到耦合器的参 数为： 表 1 计算得到的耦合器奇偶模 根据得到的理论数值奇偶模， 用耦合线的计算方法得到耦合微带线的线宽和线 的间隙。对所得到的数值在ADS 中进行理想情况下得仿真优化，得到耦合度曲

15、 线图。 图 4 耦合度 ADS 仿真结果 从 图 4中 可 以 看 出 板 在 理 想 微 带 耦 合 线 时 ， 得 到 耦 合 器 的 带 宽 为 7005000MHz ，纹波为 0.4dB （其中不考虑微带线厚度和损耗及介基板影响）。 将 ADS 中优化后的结果在HF-SS 软件中进行建模，对所得到的耦合器微带线的 宽度和线间隙用软件中的遗传算法进行再次优化计算。 3 结束语 不同种类的耦合器有不一样的特点， 具有各自的优缺点。然而在某些特性场合， 对耦合器的要求也是越来越高，因而更加优良的耦合器也有待我们去研究。 参考文献 1 梁昌洪 . 计算微波 . 西安电子科技大学出版社.1985.pp.164-167. 2 顾其诤等著 . 微波集成电路设计 . 北京. 人民邮电出版社 .1978.pp.295-298 3 清 华 大 学 . 微 带 电 路 编 写 组 . 微 带 电 路 . 北 京 . 人 民 邮 电 出 版 社.1978.pp.189-196