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第6章定向耦合器;6.1定向耦合器基本原理; (3)耦合度:
描述耦合输出端口与主路输入端口百分比关系,通惯用分贝表示,dB值越大,耦合端口输出功率越小。耦合度大小由定向耦合器用途决定。
(4)方向性:
描述耦合输出端口与耦合支路隔离端口百分比关系。抱负情况下,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百分比关系。抱负情况下,隔离度为无限大。
? 描述定向耦合器特性三个指标间有严格关系,即方向性＝耦合度-隔离度。; 6.1.2定向耦合器原理
? 定向耦合器是个四端口网络结构,如图6-1所表示。
;图6-1定向耦合器方框图; 信号输入端1功率为P1,信号传播端2功率为P2,信号耦合端3功率为P3,信号隔离端4功率为P4。若P1、P2、P3、P4皆用毫瓦（mW）来表示,定向耦合器四大参数则可定义为：
插入损耗
;6.2集总参数定向耦合器;图6-2L-C分支线型耦合器
(a)低通式；(b)高通式; 集总参数定向耦合器设计环节下列：
环节一:拟定耦合器指标,包括耦合系数C(dB)、端口等效阻抗Z0（Ω）、电路工作频率fc。
环节二：利用下列公式计算出k、Z0s及Z0p:
; 环节三:利用下列公式计算出元件值:
（1）低通L-C式:
（2）高通L-C式:; 环节四:利用模拟软件检查,再通过微调以满足设计要求。
6.2.2集总参数定向耦合器设计实例
设计一个工作频率为400MHz10dB低通L-C支路型耦合器。Z0=50Ω,要求S11≤-13dB,S21≥-2dB,S31≤-13dB,S41≥-10dB。
环节一:拟定耦合器指标,C=-10dB,fc=400MHz,Z0=50Ω。
环节二:利用下列公式计算K、Z0s、Z0p：; 环节三:利用下列公式计算元件值：
环节四:进行仿真计算,如图6-3所表示。
;图6-3低通L-C支路型耦合器等效电路;仿真结果如图6-4所表示。;6.3耦合微带定向耦合器;图6-5平行线型耦合器; 同时由于i1交变磁场作用,在线4—3上感应有电流iL。
依据电磁感应定律,感应电流iL方向与i1方向相反,如图6-6所表示。因此能量从1口输入,则耦合口是4口。
而在3口由于电耦合电流ic3与磁耦合电流iL作用相反而能量互相抵消,故3口是隔离口。
6.3.2平行耦合线耦合器设计办法
平行线耦合定向耦合器设计环节下列:
环节一:拟定耦合器指标,包括耦合系数C(dB)、各端口特性阻抗Z0（Ω）、中心频率fc、基板参数（εr,h）。
环节二：利用下列公式计算奇模阻抗和偶模阻抗Z0e和Z0o。;;
环节三:依据设计使用基板参数（εr,h）,利用软件Mathcad11计算出Z0e、Z0o微带耦合线宽度及间距（W,S）和四分之一波长长度（P）。
环节四:利用模拟MicrowaveOffice软件检查,再通过微调以满足设计要求。; 6.3.3平行耦合线耦合器设计实例
设计一个工作频率为750MHz10dB平行线型耦合器(Z0=50Ω)。
环节一:拟定耦合器指标,包括C=-10dB,fc=750MHz,FR4基板参数εr=4.5,h=1.6mm，tanδ=0.015,材料为铜(1mil)。
环节二:计算奇偶模阻抗：; 环节三:
电路拓扑如图6-7所表示,利用Mathcad11软件计算,得出耦合线宽度W=2.38mm,间距S=0.31mm,长度P=57.16mm,且50Ω微带线宽度W50=2.92mm。
;图6-7平行线型耦合器电路图; MicrowaveOffice软件仿真结果如图6-8所表示,图中自上而下便是S21、S31、S41、S11dB值,这些值能够在附录1试验中测量作比较。
;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基础上,能够得到各种变形结构,如图6-9所表示。结构越复杂,计算越困难。在正确概念指导下,试验仍然是这类电路设计有效办法。;图6-9耦合线变形;图6-9耦合线变形;图6-9耦合线变形;图6-9耦合线变形;6.4分支线型定向耦合器;图6-10分支线耦合器; 假如分支线耦合器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口相位差为90°,功率大小由主线和支线阻抗决定。
6.4.2分支线型定向耦合器设计
分支线型定向耦合器设计
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