步骤四: 利用模拟软件检验,再微调。
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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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k 10C /10 0.1 Z 0 s Z 0 1 k 47.43 Z0 p Z0 1 k 150 k
步骤三: 利用下列公式计算元件值：
1 C1 8.59 pF 2f c Z 0 s L2 Z0 p 2f c 56.68nH
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6.4.2 平行耦合线耦合器设计方法
平行线耦合定向耦合器的设计步骤: 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：计算奇模阻抗和偶模阻抗Z0e和Z0o。
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1 To (1 j ) 2
o 0
奇偶模叠加，得
B1 0B2 j / 2 B3 1/ 2 B4 0
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当频率在中心频率附近变化10%时，相差也改变 ±50，由于超出带宽10%外的隔离度不能接受，其有用 带宽限制在10%，理论上能设计成3～9dB的耦合度。
b
串联臂 Zs 2 Z0
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1
gp
4
a1
并联臂
a2
Zp
4
3
gs
4
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接上页
k 10
C /10
b
1 1 k 2
a1 a1 bk a2 R
分支线定向耦合器
R k b a1 a2 1 0.707 1.414 1 1 0.75 0.614 1.61 1 1.34 0.5 0.5 2 1 2 1 3 1/3
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Z 0e Z 0
1 C 1 C
1 C Z 0o Z 0 1 C Z 0e Z 0o (C S14 ) Z 0e Z 0o
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。
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取
Z Z0
的结果
可提供更宽的带宽，但需接地点
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分支线耦合 器的另一类 型：圆形分 支线耦合器
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6.4 RF&MW 耦合线定向耦合器
6.4.1 平行耦合线耦合器基本原理
(5) 隔离度:
描述主路输入端口与耦合支路隔离端口的比例关 系。理想情况下,隔离度为无限大。
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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 混合接头与耦合器的原理
以四端口网络结构为例
1 P1 4 P4 2 P2 定向耦合器 3 P3
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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
如图示,各条支线在中心频率上是四分之一波 导波长,由于微带的波导波长还与阻抗有关,故图中 支线与主线的长度不等,阻抗越大, 尺寸越长。
Zs 1 串联臂 Z0 Zp 2
gp
4 并联臂
4
3
gs
4
图 6-5分支线耦合器
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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。
D(dB) 10 lg
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6.2 集总参数定向耦合器 RF&MW
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 Z0 P1 Cp 4 P4 Ls Ls 2 P2 Cp 3 P3 4 P4 1 Z0 P1 Lp Cs Cs 2 P2 Lp 3 P3
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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AB 10 0 j / 2 10 1 j CD j1 j 1 j 1 e j / 20
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。
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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。
A B C D e 0 A B C D
2 1 Te (1 j ) A B C D 2
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对于奇模， AB
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1 j CD j1 o
Zc sin ( ) Z cos Cb Zc
1
cos jZ sin 10 AB 10 jC 1 CD jC 1 j sin cos b b Z
1/ 6
6
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分支线耦合器可增加节数以拓展带宽
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RF&MW 尺寸压缩的准集中式分支线耦合器
0 jZ c AB CD j 0 Z c
(a )
(b )
图 6-2 L-C分支线型耦合器 (a) 低通式； (b) 高通式
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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:
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RF&MW 步骤四 : 仿真计算。
图 6-3低通L-C支路型耦合器等效电路
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6.3 分支线型定向耦合器 RF&MW
6.3.1 分支线型定向耦合器原理
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步骤三: 计算特性阻抗：
1 1 Za 50 Ya aY0 1 1 Zb 35.3 Yb bY0
步骤四: 计算微带实际尺寸: 支线 50Ω W=0.83 mm, L=6.02mm 主线 35.3Ω W=1.36 mm, L=5.84 mm
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
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RF&MW ④
③
图 6-6平行线型耦合器
i1 1 Cm ic3 3 iL 2
ic4 4
图6-7
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。