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第6章 混合接头与耦合器 6.1 引言 6.2 集总参数定向耦合器 6.3 分支线定向耦合器 6.4 耦合线定向耦合器 6.5 环形桥定向耦合器 6.6 孔定向耦合器 6.1 引言 6.1.1 混合接头与耦合器的技术指标 包括频率范围、 插入损耗、 耦合度、 方向性、 隔离度、幅度平衡度、相位一致性等。 (1) 工作频带: 定向耦合器的功能实现主要依靠波程相位的关系,也就是说与频率有关。 (2) 插入损耗： 主路输出端和主路输入端的功率比值,包括耦合损耗和导体介质的热损耗。 (3) 耦合度: 描述耦合输出端口与主路输入端口的比例关系,通常用分贝表示,dB值越大,耦合端口输出功率越小。耦合度的大小由定向耦合器的用途决定。 (4) 方向性: 描述耦合输出端口与耦合支路隔离端口的比例关系。理想情况下,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的比例关系。理想情况下,隔离度为无限大。 6.1.2 混合接头与耦合器的原理 ? 以四端口网络结构为例 定向耦合器的参数则可定义为： 6.2 集总参数定向耦合器 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。 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: 步骤三: 利用下列公式计算出元件值: （1） 低通L-C式: （2） 高通L-C式: 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： 步骤三: 利用下列公式计算元件值： 6.3 分支线型定向耦合器 6.3.1 分支线型定向耦合器原理 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。 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。 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: 步骤三: 计算特性阻抗Za和Zb和相应的波导波长。 步骤四: 用软件计算微带实际尺寸。 6.3.3 分支线型定向耦合器设计实例 设计3dB分支线耦合器,负载为50Ω,中心频率为 5GHz,基板参数为εr＝9.6,h=0.8mm。 步骤一: 确定耦合器指标。 步骤二: 计算归一化导纳: b= , a=1 步骤三: 计算特性阻抗： 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 6.3.4 如何直接写出其S矩阵（3dB）？ 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。 接上页 分支线耦合器可增加节数以拓展带宽 6.4 耦合线定向耦合器 6.4.1 平行耦合线耦合器基本原理 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。 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。