Lp
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步骤四: 利用模拟软件检验,再微调。
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 dB,S41≤-10 dB 步骤一: 确定耦合器的指标,C=-10dB,fc=400MHz, Z0=50 Ω 步骤二: 计算K、Z0s、 Z0p：
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RF&MW ④
③
图 6-5平行线型耦合器
1
i1 2
C ic 4 4 iL
m
ic 3 3
图6-6
耦合线方向性的解释
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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。
C / 20 C / 20
C / 20
Z 0o Z 0
C / 20
步骤三: 依据基板参数（εr, h）,利用软件 Mathcad11 计算Z0e、Z0o的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。
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6.3.3 平行耦合线耦合器设计实例
各端口匹配且网络无耗互易，则S矩阵为
0 0 j 0 j 0 0 j 0 j 0 0
S
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展开，得
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b1 e b3 e
S 11 S14 2 S 12 S13 2
b 2 e b 4 e
S 12 S13 2 S 11 S14 2
引入偶模反射系数和传输系数
C / 20 C / 20
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69 . 37
C / 20
Z 0o Z 0
C / 20
36 . 04
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步骤三: 建立图示电路拓扑, 计算得W=2.38mm,S=0.31mm, P=57.16mm,且50Ω微带线宽度W50=2.92mm。
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k 10
c / 10
Z 0s Z 0 Z0p Z0
1 k 1 k k
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步骤三: 利用下列公式计算出元件值: （1） 低通L-C式:
Ls Z 0s 2 f c 1 2 f 2） 高通L-C式:
Cs 1 2 f c Z 0 s Z0p 2 f c
S
在耦合臂和直通臂之间存在着 / 2 的相位差 对于第二类，假设端口1和3完全隔离，由于对 称，端口2和4也完全隔离，即
S13 S 24 S 31 S 42 0
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由结构对称，还有
S 1 4 S 2 3 , S 1 2 S 4 3
图 6-7平行线型耦合器电路图
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dB(S(4,1)) dB(S(3,1)) dB(S(2,1)) dB(S(1,1))
m1 m1 0 freq=750.0MHz dB(S(2,1))=-0.629 m2 m2 freq=750.0MHz -10 dB(S(4,1))=-10.147
偶模激励时，有
b1 e S 1 1 S 1 2 S 1 3 S 1 4 1 / 2 b2 e S 1 2 S 1 1 S 1 4 S 1 3 0 b3 e S 1 3 S 1 4 S 1 1 S 1 2 0 b4 e S 1 4 S 1 3 S 1 2 S 1 1 1 / 2
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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。
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6.1.2 定向耦合器的原理
2 P 定 向 耦 合 器 4 P4 3 P3
1 P1
2
图 6-1 定向耦合器方框图
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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 P2 P1 P3 P1 P4 P1 P3 P4 10 lg 1 S 21 10 lg 1 S 31 10 lg 1 S 41 10 lg 1 S 41
2 2 2 2
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C ( dB ) 10 lg
I ( dB ) 10 lg
6.4 RF&MW 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
a1 1
a1 1 / 2
a1 1 / 2
a4 1 / 2
a4 1 / 2
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考虑对称性和互易性，其 S矩阵为 RF&MW
S 1 1 S 1 2 S 1 3 S 1 4 S 1 2 S 1 1 S 1 4 S 1 3 S S 1 3 S 1 4 S 1 1 S 1 2 S 1 4 S 1 3 S 1 2 S 1 1
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网络无耗
S
H
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S S I
2 2
H
的第一行乘以 S
S12 ＋ S13 1
S
H
的第一行乘以 S
S 12 S 13 S13 S12 0
* *
此式也可写作 即
S 13 S12
*
S13 S12
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第6章 定向耦合器
6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7
定向耦合器的基本原理 集总参数定向耦合器 耦合微带定向耦合器 应用奇偶模理论分析定向耦合器 分支线型定向耦合器 环形桥定向耦合器 波导定向耦合器
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RF&MW 6.1 定向耦合器的基本原理
D ( dB ) 10 lg
10 lg
1 S 31
2
I ( dB ) C ( dB )
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RF&MW 6.2 集总参数定向耦合器
6.2.1
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。
问题： RF&MW 1.可变衰减器的衰减量动态范围和平坦度 2.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？
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问题： RF&MW 3.对称无耗匹配理想的定向耦合器的S矩阵是？ 分两类：第一类，假设端口1和4完全隔离，由于对 称，端口2和3也完全隔离，即
-20
m3
m3 freq=750.0MHz m4 m4 -30 freq=750.0MHz dB(S(3,1))=-24.785 dB(S(1,1))=-34.557
-40 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
freq, GHz
图 6-8平行线型耦合器仿真结果
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1 P1 C 4 P C L
4 s
Z0
Ls
2 P2
1 P1
Z0
Cs
2 P2
p
p
L 3 P 4 P
p
L C
s
p
3
4
3 P
3
(a )
(b )
图 6-2 L-C (a) 低通式； (b) 高通式
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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:
6.3.1
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1—2中 有交变电流i1流过的时候,由于4—3线和1—2线相互靠 近,4—3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4—3中引起的电流为ic4和ic3。
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k 10
C /10
0 .1 1 k 4 7 .4 3 1 k k 150
Z 0s Z 0 Z0p Z0
步骤三: 利用下列公式计算元件值：
C1 1 2 f c Z 0 s Z0p 2 f c 8 . 59 pF