3dB_耦合器设计入门
基于耦合带线超宽带耦合器的分析与设计
基于耦合带线超宽带耦合器的分析与设计谢成发,彭高森,郑智潜,胡善祥 (华东电子工程研究所,安徽合肥230031)摘 要:介绍了一种基于耦合带线超宽带耦合器的分析与设计。
实际设计的超宽带3dB 耦合器在1.2～4.2G Hz 相对带宽110%的频带内,插入损耗小于0.5dB ,带内波纹大于-0.25dB 小于+0.35dB ,端口隔离大于17dB ,端口驻波小于1.3。
关键词:耦合器超宽带耦合带线中图分类号:T N81113 文献标识码:A 文章编号:1009-0401(2008)03-0026-03The analysis and design of an ultra 2br oadband couplerbased on coup ling stri p lineXIE Cheng 2fa,PEN G Ga o 2sen,ZHENG Zhi 2qia n,HU Sha n 2xia ng(E ast Ch ina R e search I ns titu te of E lectr on ic E ng ineering,Hefei 230031,Ch ina )A bstra ct :I n this paper,the analysis and design of an ultr a 2br oadband coup ler ba sed on coup ling stri p 2line is intr oduced .I n the frequency r ange of 1.2～4.2G H z and w ithin the rela tively bandwidth 110%,the results of the design are:loss <0.5d B ;20.25d B <ripple <+0.35;isolati on >17dB;VS W R <1.3.Keywor ds:coup ler ;ultra 2br oad band;coup ling stri p line1 引 言随着雷达、通信、电子对抗等领域的发展,宽带、超宽带技术得到了广泛的应用。
3db定向耦合器原理
3db定向耦合器原理引言3db定向耦合器是一种常见的微波器件，广泛应用于无线通信、雷达系统和微波电路中。
本文将介绍3db定向耦合器的原理及其在实际应用中的作用。
一、3db定向耦合器的基本原理3db定向耦合器是一种四端口器件，由两个耦合器和两个耦合器之间的传输线构成。
其基本原理是利用微波信号在传输线上的传播特性，实现耦合和分离的功能。
1.1 耦合和分离耦合器是一种能够将输入信号分为两个输出的器件，其中一个输出端口为主输出端口，另一个为耦合输出端口。
耦合输出端口输出的信号是从主输出端口输入信号中耦合出来的一部分。
耦合器的耦合度决定了主输出端口和耦合输出端口之间的功率分配比例。
1.2 传输线的特性传输线上的电磁波在传播过程中会发生反射和透射，这取决于传输线的特性阻抗和长度。
当传输线的特性阻抗等于负载的阻抗时，传输线上的信号将完全传输到负载上；当传输线的特性阻抗不等于负载的阻抗时，部分信号将被反射回来。
二、3db定向耦合器的工作原理3db定向耦合器是通过将两个耦合器和两个传输线相互耦合连接而成的。
其工作原理如下：2.1 信号的耦合和分离当输入信号通过传输线进入耦合器时，一部分信号将从主输出端口输出，另一部分信号将从耦合输出端口输出。
耦合输出端口输出的信号是通过传输线之间的耦合实现的。
在理想情况下，耦合输出端口输出的功率占输入功率的一半，即耦合度为3dB。
2.2 信号的相位差由于两个传输线之间存在一定的相位差，导致从主输出端口输出的信号和耦合输出端口输出的信号之间存在相位差。
这个相位差可以通过调整传输线的长度来实现。
2.3 信号的分离通过调整传输线的长度，可以使主输出端口和耦合输出端口之间的信号达到90度的相位差，从而实现信号的分离。
2.4 功率的分配3db定向耦合器在主输出端口和耦合输出端口之间实现了功率的分配，主输出端口输出的功率为输入功率的一半，耦合输出端口输出的功率也为输入功率的一半。
三、3db定向耦合器的应用3db定向耦合器广泛应用于微波电路和射频系统中，常见的应用包括：3.1 功率分配由于3db定向耦合器可以将输入功率分配到主输出端口和耦合输出端口，因此可以用于实现功率的分配和控制。
三分贝定向耦合器
三分贝定向耦合器摘要：3dB定向耦合器是通信、广播电视系统中重要的器件之一，本文介绍了描述定向耦合器的性能指标参数，详细介绍了3dB定向耦合器的基本结构及特性。
Abstract: 3dB coupler is one of the important components in communication and broadcasting system. In this paper, the specifications of directional coupler are presented,and the basic structures and properties of 3dB coupler are presented in detail.1.引言在广播电视和通信系统中，经常需要耦合部分的射频功率，以满足各种需要。
定向耦合器是一种具有方向性的功率分配器，它能从主传输线系统的正向波中按一定比例分出部分功率，实现功率的分支、分配或合成。
三分贝耦合器是一种特殊的定向耦合器，它广泛应用于功率合成，恒阻滤波器和多工器等系统中。
下面介绍定向耦合器的性能参数，并详细介绍三分贝耦合器的特性。
2. 定向耦合器的基本参数定向耦合器可等效成四端口网络。
它的基本工作原理借助图1来描述。
图1 定向耦合器原理自端口1入射的功率中部分功率从直通端口2输出，另外一部分被耦合到端口3，在理想情况下，没有功率送到隔离端口4。
描述定向耦合器性能的参数主要有耦合度、隔离度、方向性、插入衰减、输入驻波比、频带宽度等。
其中耦合度表征了耦合的强弱。
理想的定向耦合器端口驻波比为1，即端口没有反射；隔离度为无穷大，即隔离端没有输出功率。
设定向耦合器输入端的输入功率为，主线输出端(简称为直通端)的输出功率为，耦合输出端(简称为耦合端)的输出功率为，隔离端的输出功率为，则定向耦合器的有关参数的定义如下。
耦合度C：输入功率与耦合端的输出功率之比，一般用分贝表示，即上式中P1/P3称为功率耦合系数。
6～18GHz带状线渐变结构3dB耦合器的设计
５０．０１５
４９．９８５
１．４２０
５．３２６
３．３７３
１．９５３
－７．５８４８
５０．１１７４
４９．８８２９
１．４２０
４．１２９
２．７７５
１．３５５
－７．１６３４
５０．３７４４
４９．６２８３
１．４２０
３．４５４
２．４３７
１．０１７
－６．７４２０
５０．８０７
４９．２０５８
１．４２０
３．０１１
２．２１６
０．７９６
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆ ＥｑｕｉｐｍｅｎｔＣｏ．Ｌｔｄ，Ｍｉａｎｙａｎｇ６２１０１０，Ｓｉｃｈｕａｎ，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎｅｗ６－１８ＧＨｚ３ｄＢｓｔｒｉｐｌｉｎｅｃｏｕｐｌｅｒｂａｓｅｄｏｎｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙｔａｐｅｒｅｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂｙａｄｏｐｔｉｎｇａｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎｗｉｄｅｅｄｇｅｃｏｕｐｌｅｄｓｔｒｉｐｌｉｎｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｔｈｅｏｒｙｏｆｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｌｉｎｅ ｃｏｕｐｌｉｎｇ，ｏｄｄｅｖｅｎｍｏｄｅａｎａｌｙｓｉｓｔｈｅｏｒｙａｎｄｔｈｅｄｅｓｉｇｎｔｈｅｏｒｙｏｆｇｒａｄｉｅｎｔｌｉｎｅｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｃｏｕｐｌｅｒ，ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｂｔａｉｎｅｄｔｈｅａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅｗｅｉｇｈｔｉｎｇｆａｃｔｏｒｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｌｅａｓｔｓｑｕａｒｅｍｅｔｈｏｄ，ａｎｄｔｈｅｎ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｔｏｇｅｔｉｎｉｔｉａｌｉｍｐｅｄａｎｃｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅｃｏｕｐｌｅｒ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｔｈａｔｍｅｔ ｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｗｅｒｅｏｂｔａｉｎｅｄｔｈｒｏｕｇｈＨＦＳＳｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ．Ｂｅｓｉｄｅｓ，ｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍ ａｎｃｅｏｆｔｈｅｃｏｕｐｌｅｒｓｉｎｔｈｅｈｉｇｈｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｃｒｅａｔｉｖｅｌｙｉｎｃｒｅａｓｅｄ４８ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｂｒａｎｃｈｅｓｏｎ ｔｈｅｇｒａｄｉｅｎｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｂａｓｉｃａｌｌｙｔｈａｔｔｈｅｉｎｓｅｒｔｉｏｎｌｏｓｓｏｆ３ｄＢｃｏｕｐｌｅｒｉｓｌｏｗｅｒｔｈａｎ０．７ ｄＢ；ｉｔｓｐｈａｓｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｉｓｌｅｓｓｔｈａｎ７°，ｔｈｅｐｏｒｔｍａｔｃｈｉｎｇｄｅｇｒｅｅｉｓｍｏｒｅｔｈａｎ１５ｄＢ；ａｎｄｉｓｏｌａｔｉｏｎｄｅ ｇｒｅｅｉｓｇｒｅａｔｅｒｔｈａｎ１８ｄＢ．Ｓｕｃｈｒｅｓｕｌｔｓｗｅｒｅｂａｓｉｃａｌｌｙｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔｗｉｔｈｔｈｅｂａｓｉｃｔｈｅｏｒｙｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｃｏｕｐｌｅｒ；Ｇｒａｄｉｅｎｔ；Ｓｔｒｉｐｌｉｎｅ；Ｂｒｏａｄｂａｎｄ
耦合器设计--基本理论
式中f0是耦合器中心频率。
0 2f 0 C1 C2 Z 0o
平面结构的螺旋耦合器、折叠线型耦合器
9
耦合器结构型式众多，图5-50a是平面结构的螺旋耦合 器，b是折叠线型耦合器。
（a）
（b）
图5-50 （a）螺旋耦合器；（b）折叠线型耦合器
3dB交叉指lange耦合器
Z 0o R Z 0e
7
图5-48 集中电容补偿微带耦合器
平行耦合线耦合器
对于准TEM模，输入匹配条件为 Z sin e Z 0 o sin o Z 0 0e Z sin Z
12
Z 0e Z 0o
l 90
1 2 e o 以及 2
图5-45
混合环和耦合器的性能由耦合系数、方向性以及负载特性决定， 通常隔离端口接匹配负载。
微带分支电桥的工作原理
/4 y01=1 y02=1/R B y0 = b y0 = b D y04=1 （a） C y03=1/R 短路 y0 = a2 (3)
5
(1)
对称 平面 (4) y0 = a1
A
1
耦合器设计
2
微带耦合器
微带耦合器
3
耦 合 器 couplers( 有 时 又 叫 混 合 环 Hybrids) 是微波电路中常用的 无源器件，把电路元 件直接连起来即可构 成混合环，而耦合器 一般由靠得很近的传 输线构成，它们一般 有四个端口，且每一 端口为匹配负载端接， 也就是说在给定频率 范围内，端口的反射 图5-44 微波混合环与耦合器 是很小的，反射系数 （a）分支线混合环； （b）集总参数分支混合环； 一般小于0.1。
10
图5-44(d)所示3dB交叉指lange耦合器。端口1输入，端口2和3输出功率相等， 但有90相移，其特点是频带宽，设计公式为
高功率三阶3dB介质定向耦合器的分析与设计
。年 ， 第 。 第 卷
第 期
３ １
ｌａｔ＆ ａｐｉ ｔ 器件与应用
图 ６中直通 强于耦 合 ， 二者并 未平 衡 ， 反射 和隔 离
达到 了 １ Ｂ以下 ， 合器 开始进入谐 振状 态 。在 此基 ０ｄ 耦 础上 ， ６～ ６ 对 １ ６ 进行微调 ， 并对 ｄ ｈ ， 和 进行 相应调节 ，
【 ｓ ａｔ ｃｏｄｎ ｏｔｅ ｏ ｅ ｔ ｎ ｐｉｃ ｌ ａｄ ｒｑ ｉ ｍ ｎｓｏ ｄｒｃ ｏａ ｃｕ ｌｒ ｈｒ－ｒｅ Ｂ ｄ ｅｔ ｎｌｃｕｌｒ Ａｂｔ ｃ 】Ａ ｃｒｉｇ ｔ ｈ ｐｒ ｉ ｒ ｉ ｅ ｎ ｅｕｒ ｅ ｔ ｆ ｉ ｔ ｎｌ ｏ ｐｅｓ ｔｉ ｏｄｒ３ ｄ ｉ ｃｉ ａ ｏｐｅ ｒ ａｏ ｎｐ ｅ ｅｉ ，ａ ｄ ｒ ｏ
耦合度响应 。
．
６０
频 率， ｚ ＭＨ
２ 高功率三阶３ｄ 介质耦合器 的设计与 Ｂ 测 试
如 图３ 和图４ 示 ， 所 这是一个无介质 的三阶定向耦合 器 ， 阶长度相等 ， 三 均为 ７ 。中间节 上下板之 间空气 ６ｍｍ
图５ 无 介 质 三 阶 ３ｄ Ｂ定 向耦 合 器 的 Ｓ 数 曲线 １ 参
耦合端 口２ 和直通端 口４的总电压为
： ～ ＋
图３ 无 介 质 三 节 ３ｄ Ｂ定 向耦 合器 尺 寸 图
√ 一 ｌ Ｏ０ ｊｉ０ １ ｋ ＣＳ ＋ ｎ ｓ
一— 。 ＋
√ 一ｊ ＣＳ ＋ ｎ １ ． Ｏ０ ｊｉ０ ｝ ２ ｓ
一
—
ｚ ｊ
（０ １）
√ 一３ ｏ ＋ ｎ １ ｓ ｊｉ０ ｃ ｓ
ｗ ｔ ａｒ ｓ ｏ ｐ ｉ ｇ ｉ ｈ ｉ ａ ｃ ｕ ｌ ｍｅ ｉ ｍ ｓ ｎ ｌｚ ｄ ｎ ｄ ｓ ｎ ｄ ｉ ｔ ｅ ｓ ｇ ｏ ＨＦ Ｓ Ｏｎ ｈ ｓ ａ ｉ， ｕ ｉ ｇ ｃ ｒ ｍｉ ｓ ｈ ｐ ｓ ｎ ｄ ｕ ｉ ａ ａｙ ｅ ａ ｄ ｅ ｉ ｅ ｗ ｔ ｈ ｕ ａ ｅ ｆ ｇ ｈ Ｓ． ｔ ｉ ｂ ｓｓ ｓｎ ａ ｅ ａ ｃ ｃ ｉ ａ ｃ ｕ ｌｎ ｍｅ ｉ ｍ．ａ ｈ ｇ — ｏ ｅ ｈ ｒ — ｒ ｅ ３ Ｂ ｉｅ ｔ ｎ ｌ ｏ ｐ ｅ ｓ ｎ ｌ ｚ ｄ ｎ ｄ ｓｇ ｅ ．Ｔ ｉ ｅ ａ ｃ ｃ ｎ ｉ ｓ ｏ ￣ ３ ｏ ｐｉｇ ｄｕ ｉｈ ｐ ｗ ｒ ｔ ｉｄ ｏ ｄ ｒ ｄ ｄ ｒ ｃｉ ａ ｃ ｕ ｌ ｒ ｉ ｏ ａ ａ ｙ ｅ ａ ｄ ｅ ｉｎ ｄ ｈ ｓ ｒ ｍｉ ｓ ｏ ｓｓ ｆ Ａｌ ． ｃ ｔ Ｏ Ｏｎ ｔ ｅ ｐ ｅ ｓ ｆ ｅ ｏ ｇ ａ ｄ ｄ ｈ ｈ ｅ ａ ｃ ｈ ｐ ｃ ｎ ｉ ｒ ｖ ｈ ａ ａ ｉ ｔ ｆ ｖ ｌ ｇ ｒ ｓｓ ｎ ｅ ｆ ｔ ｅ ｃ ｕ ｌ ｒ ｎ ｈ ｈ ｒ ｍｉｅ ｏ ｎ ｕ ｈ ｂ ｎ ｗｉ ｔ ，ｔｅ ｃ ｒ ｍｉ ｓ ｃ ｉ ａ ｍｐ ｏ ｅ ｔ ｅ ｃ ｐ ｂ ｌ ｙ ｏ ｏｔ ｅ ｅ ｉｔ ｃ ｏ ｈ ｏ ｐ ｅ ，ａ ｄ ｔ ｅ ｉ ａ ａ ｈ ｇ — ｏ ｒ ｃ ｕ ｌ ｇ ｉ ａ ｈ ｅ ｅ ．Ｔ ｉ ｏ ｐ ｅ ａ ｅ ｕ ｅ ｎ ｔ ｅ ｈ ｇ － ｏ ｒ ｂ ｏ ｄ ａ ｔ ｇ ｔａ ｓ ｔ ｒ ｓ ｓ ｍ． ｉｈ ｐ ｗｅ ｏ ｐ ｉ ｓ ｃ ｉ ｖ ｄ ｈ ｓ ｃ ｕ ｌ ｒ ｃ ｎ ｂ ｓ ｄ ｉ ｈ ｉ ｈ ｐ ｗｅ ｒ ａ ｃ ｓｉ ｒ ｎ ｍｉ ｅ ｙ ｔ ｎ ｎ ｔ ｅ
耦合器设计-基本理论
根据不同的分类标准，耦合器可以分为多种类型。例如，根据传输信号的类型， 可以分为模拟耦合器和数字耦合器；根据功率分配方式，可以分为一分二、一 分四、一分八等不同类型。
耦合器的作用与重要性
作用
耦合器在通信、雷达、电子战、测量等领域中有着广泛的应用，主要用于功率分 配、信号合成、信号分离等。
该方法精度高，适用于对性能要求较高的耦合 器设计，但计算量大，设计周期较长。
基于经验公式的近似设计
01
经验公式是根据大量实验数据总结得出的近似公式，可以快速 计算出耦合器的性能参数。
02
基于经验公式的近似设计方法简单、快速，适用于对性能要求
不高、设计周期较紧的情况。
但该方法精度较低，可能无法满足高性能耦合器的设计要求。
集成化
将耦合器与其他电子元件集成在同一芯片上，可以提高设备 的可靠性和稳定性，降低成本。
高性能、低成本的设计目标
高性能
追求高效率、低损耗、高线性度等高 性能指标，以提高耦合器的传输质量 和稳定性。
低成本
通过优化设计、选用合适的材料和工 艺，降低耦合器的制造成本，提高性 价比和市场竞争力。
THANKS FOR WATCHING
电磁波的传播速度在真空中等 于光速，在其他介质中的传播 速度取决于介质的折射率。
电磁波的传播方向、电场和磁 场的方向相互垂直，遵循右手 螺旋定则。
耦合器的传输特性
耦合器是一种将信号从一根传 输线耦合到另一根传输线的装 置，其传输特性包括插入损耗
、隔离度、工作带宽等。
插入损耗是指耦合器对信号的 衰减程度，通常以分贝(dB)为
单位表示。
隔离度是指耦合器对非目标传 输线的抑制能力，即防止信号 泄漏的能力。
基于dgs的超宽带3db定向耦合器的仿真设计
12.50
15.00
Freq [GHz]
Y1
XY Plot 2
daiduankou-3DGS ANSOFT
2.80
Curve Info
VSWR(1)
2.60
Setup1 : Sw eep
VSWR(2)
Setup1 : Sw eep
2.40
VSWR(3)
Setup1 : Sw eep
2.20
VSWR(4)
Curve Info
dB(S(2,1)) Setup1 : Sw eep
dB(S(3,1)) Setup1 : Sw eep
Y1 Y1
-37.50 0.00
17.50 15.00 12.50 10.00
7.50 5.00 2.50 0.00
0.00
2.50 2.50
5.00 5.00
7.50
10.00
VSWR(2) Setup1 : Sw eep
VSWR(3) Setup1 : Sw eep
VSWR(4) Setup1 : Sw eep
12.50
15.00
1.耦合度不够3dB 2.通带窄
当务之急
达到3dB的 强耦合
Y1
DGS超宽带3dB定向耦合器设计
加入金属化过孔的3dB定向耦合器
孔的半径0.2mm
Curve Info
dB(S(3,1)) Setup1 : Sw eep banjing='0.15mm'
dB(S(3,1)) Setup1 : Sw eep banjing='0.17mm'
dB(S(3,1)) Setup1 : Sw eep banjing='0.19mm'
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MTI
ISO 9001 Certified
.tr/~microwave/programs/magnetic/dcoupler/dcoupler.htm
Directional Coupler(4)
Step 3: To design the Length of parallel line Odd mode Wavelength Even mode Wavelength
Step 1: According to “Coupling Factor” to decide “Even mode Impedance” and “Odd mode Impedance”
Coupling factor decide by designer
c = 10
− C / 20
Odd mode Impedance
Homework exercise 2
Design Directional Coupler Design
Regarding to your sustaining product to design one directional coupler By paper or power point
Or Design Divider/ Quadrature (90º) Hybrid
3dB_耦合器设计入门
52-5120 Training Course
- Passive Component Design -Coupler/Power divider
Prepare by: Peter Huang Date: 07/21/2005
MTI
ISO 9001 Certified
Contents
Regarding to your sustaining product to design one divider or 90 hybrid By pape1 Certified
References
David M. Pozar, “Microwave Engineering” .tw/chu/e-medi@waves.htm .tr/~microwave/program s/magnetic/dcoupler/dcoupler.htm
MTI
ISO 9001 Certified
Office2000
Measuring Coupler Directivity
Pc C Load
Pc M= Pmax Pmax m= Pmin
Vi,Pi
Pmax, Pmin Sliding Load
Directivity : D
C/D
C
MTI
Vi,Pi
ISO 9001 Certified
λ0 λgo = ε eff ,o
the Length of parallel line
λ0 λge = ε eff ,e
1 ( λgo + λge ) l= × 4 2
Step 4: According to w, s, and l to simulation the directional coupler by Microwave
Z0
λ
4
Z0
2Z 0
MTI
ISO 9001 Certified
100 ohm
The Quadrature (90º) Hybrid
1
Z0
Z0 2
2
Z0
λ
4
RS E RS E I=2 DR I=1 DR R10Om R10Om =0 h =0 h
Z0
Z0 2
3
λ
4
MTI
ISO 9001 Certified
RF, RFIC & Microwave Theory, Design
MTI
ISO 9001 Certified
MTI
ISO 9001 Certified
Directional Coupler(1)
Input Through
Coupled
Isolated
MTI
ISO 9001 Certified
2
21
Directional Coupler(2)
Directional Coupler Design Step:
Directional Coupler Measuring Coupler Directivity Lenge Coupler Lenge Coupler example The Wilkinson Power Divider The Quadrature (90º) Hybrid Homework exercise 2
2m D = M( ) m +1
Lenge Coupler
MTI
ISO 9001 Certified
Lenge Coupler-example
MTI
ISO 9001 Certified
Lenge Coupler Simulation
MTI
ISO 9001 Certified
The Wilkinson Power Divider
Even mode Impedance
Z 0o = Z 0
MTI
ISO 9001 Certified
1− c 1+ c
Z 0e = Z 0
1+ c 1− c
Directional Coupler(3)
Step 2: According to “Even mode Impedance” and “Odd mode Impedance” to calculate the Wide and Gap width of Coupling line