3dB定向耦合器的仿真设计与应用
定向耦合器的原理与应用
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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。
Ka波段3dB定向耦合器的设计与仿真
Ka波段3dB定向耦合器的设计与仿真摘要：定向耦合器广泛地用在现代微波系统中，文中介绍了两种应用在平衡式放大器中的3dB定向耦合器。
首先对微带分支线耦合器与波导耦合器进行了理论分析，然后利用电磁仿真软件HFSS，对两种耦合器进行了建模仿真、仿真结果验证了这两种定向耦合器的可实现性，最后比较了两种耦合器的性能，并且总结了各自的特点。
关键词：Ka波段；定向耦合器；分支线耦合器；波导耦合器1 引言在微波通信系统中定向耦合器是一种用途广泛的微波器件，比如可以用在在信号发生器中的功率临视装置，以及接收机中的混频器。
另外，自动增益控制、平衡式放大器、反射计以及调相器和微波阻抗电桥等测量仪器也要用到定向耦合器。
构成定向耦合器的结构有波导、微带线、带状线、同轴线等。
因此，定向耦合器的种类很多，但是不同种类的定向耦合器差异很大。
平衡式放大器的稳定性很好，输入输出驻波也很低，而且由于良好的低噪声特性，平衡结构的放大器在微波波段的低噪声放大器中被普遍采用。
因此对于平衡式放大器中定向耦合器的研究就具有很高的现实意义。
本文对微带分支线耦合器和波导E面耦合器做了理论分析，然后利用电磁仿真软件进行了建模仿真，通过对仿真结果做了比较，最后得出结论。
2 耦合器的分析与设计(1)主要设计指标工作频带：29GHz～31GHz同波损耗：≤-20dB输出端口幅度不平衡度：≤1 dB输出端口隔离度：≤-20dB(2)分支线耦合器的分析与仿真如图1所示，分支线定向耦合器有主线、副线和两条分支线组成，其中分支线的长度和间距均为中心频率工作波长的。
设主线入口线1的特性阻抗为Z1=Z0，主线出口线2的特性阻抗Z2=Z0k(k为阻抗变换比)，副线隔离端4的特性阻抗为Z4=Z0，副线耦合端3的特性阻抗为Z3=Z0k，平行连接线的特性阻抗为ZOP，两个分支线特性阻抗分别为Zt1和Zt2。
假设输入电压信号从端口1经A点输入，则达到D点的信号有两路，一路是由分支线直达，其波行程为λg／4，另一路由A→B→C→D，波行程为3λg／4；故两条路径到达的波行程差为λg／2，相应的相位差为π，即相位相反。
3分贝定向耦合器的原理及其应用
中图分类号 :TN948.12 文献标识码 :B 文章编号 :1007 -7022(2010)02 -0207 -02
· 经验点滴 ·
3分贝定向耦合器的原理及其应用
◆蒋 琦 1 , 罗正明2
(1.贵州省广播电视局 794台 , 贵州 六枝特区 553400;2.贵州省广播电视局 761台 , 贵州 贵阳 550002)
图 3 定向耦合器原理图
中便会耦合有能量 , 此能量 是既通过电场 (以耦合电
容 CM表示 )又通过 磁场 (以耦合 电感表 示 )耦合 过 来的 。
假设主线上电压为 V1 , 则电压 V1 通过耦合电容 CM 产生一流入副线 2 ～ 3 的位移电流为 ic2 和 ic3 。 同 时由于 i1 交变磁场的作用在 2 ～ 3线中感应有电流 iL, 根据电磁感应定律 , iL产生的磁通应阻止 i1 产生的磁 通量的变化 , 所以 iL 与 i1 方向相反 , 如图 3 所示 。 由 图 3可以看出 :能量由 1端输入 , 因电耦合电流 ic2和磁 耦合电流 iL作用相同 , 所以 2 端有输出 , 而在 3 端因
图 2 定向耦合器内部结构图 定向耦合器为什么会有方向性呢 ? 假设是横电磁 波系统 , 则我们可以用耦合波原理来定性地加以解释 。 要具有方向性 , 必须要有两种以上的耦合因素起作用 , 使耦合到副线某口的能量能够互相抵消 , 现在我们取 图 2中一小段平行线加以分析 , 如图 3(没画出接地面 金属外框 )所示 。 当导线 1 ～ 4中有交变电流 i1 流过 时 , 由于副线 2 ～ 3和主线 1 ～ 4互相靠近 , 故 2 ～ 3线
D=10 lgP P23 式中 P2 为端口 2的功率 , P3 为端口 3的功率 。 D 越大说明定向性越好 , 或者说输入端口与隔离端口隔 离越好 。理想情况下 , P3※0, D※∞, 实用中常对通带 内 D提出要求 。 (3)输出平衡度 当 l端口输入 , 2、4端口输出时 , 理论上讲 , 1端口 电压分别与 2、4 端口电 压之比 , 用分贝 表示即 20 lg (E1 /E2 )和 20 lg(E1 /E4 )都应等于 3 dB, 但实际中总 有一定误差 , 一般要求通带内 2、4 端最大功率偏差 ≤ 0.5 dB。 4 定向耦合器的工作过程和基本原理 图 2是内导体等于 1/4波长 、耦合度为 3 dB时的 定向耦合器 , 它的工作过程是 :当各端接匹配负载时 , 若 1端加信号 , 则 2、4 端有输出 , 在理想情况 下 , 2、4 端为等值信号输出 , 而 3 端输出为零 。如果从 2端加 入信号 , 则 1、3端有等值信号输出 , 4端没输出 , 依次 类推 , 3端或 4端加入信号也有类似结果 。除此之外 , 每个输入端均有较宽的带宽 , 若多个 1/4波长的耦合 器相级联 , 可以得到带宽更宽的定向耦合器 。
3dB定向耦合器及其在调频广播中的应用
3dB定向耦合器及其在调频广播中的应用张文波【摘要】In this paper, the principle and structure of 3 dB directional coupler are qualitatively analyzed. The current function, main performance index and technical parameters of 3 dB directional coupler are introduced. The application of 3 dB directional coupler for all solid state FM broadcasting transmitter is described. The wild application and diversity of 3 dB directional coupler are illustrated. The method provided a reference for design of 3 dB directional coupler in RF circuits.%定性地对3 dB定向耦合器原理及结构特性进行说明分析；介绍了3 dB定向耦合器现行功用、主要性能指标参数.通过3 dB定向耦合器在全固态调频广播发射机中的应用介绍,说明3 dB定向耦合器在使用性能上的多元化以及应用的广泛化,为3 dB定向耦合器在射频电路设计思路上提供一些借鉴.【期刊名称】《现代电子技术》【年(卷),期】2012(035)011【总页数】3页(P105-107)【关键词】3dB定向耦合器;耦合度;隔离度;调频发射【作者】张文波【作者单位】辽宁省广播电视传输发射中心033台,辽宁沈阳 110016【正文语种】中文【中图分类】TN622-340 引言在微波、雷达、广播电视、通信系统中，经常会遇到需要耦合射频功率的问题，定向耦合器就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一部分功率，实现功率的分支、分配或反向合成。
S波段宽带3dB定向耦合器的设计
明耦合 到副通 道 的能 量越少 ， 耦合越 弱 。
１ ２ 定 向性 系 数 ．
图 ２ 平 行 耦 合 线 定 向 耦 合 器 的耦 合 机 理
当导 带条 １ ４中有 电流 ｉ 流 过 时 ， ～ 由于 ２ — ３ 与１ 线 —４靠近 ， ２ 故 —３线 中会 耦 合有 能 量 ， 此
要 设计 宽带 定 向耦合 器就 需要用 １ ４波长 等 ／ 效 阶梯 阻抗 滤 波器 的最 优 等 波纹 多 项 式 ， 即切 比 雪 夫多 项式 ［ 。综 合 出来 的结果 还需要 进行 软 件 １ ］
的仿 真分 析 ， 化 设计 ， 终 得 出加工 电路 ， 优 最 然后
生 产实 物 。
向耦 合器 的设计 。
０ 引 言
定 向耦合 器是 一种 广泛 应用 于微 波 系统 中的 微波 器件 ， 例如 在矢 量 网络分 析仪 、 波接 收机 中 微 的混频 器 、 微波 功 率 放 大器 等 都 要 应 用 定 向耦 合 器 。近年来 ， 随着 耦合 器 的广 泛应 用 ， 其带 宽 的 对 要 求也 越来 越高 ， 此 宽带 的设 计 就 显 得 非 常 重 因
能量 时既通过 电场 又通过磁 场耦合 而来 的 。通过 在 理想 的情 况 下 ， 通道 中一个 端 口有 输 出 副
时 ， 一个相 反 端 口应 没 有输 出 。但 实 际上 由于 另
设计 或结构 不佳 ， 另一 端 口常 有 一些 输 出。用 此
Ｃ 的耦合 ， 在传 输 线 ２ ３中耦合 而得 的 电流 为 — ｉ 及 ｉ ， 同时通 过耦 合 电感 耦 合 到 ２ ３中的 感 。 — 应 电流 ｉ 的方 向与 ｉ 反 。 由此 可 见 ， 辅 线 相 在 ２ —３中由于 电耦 合 电流 ｉ 和磁耦 合 电流 ｉ 在 ２ 口叠 加 ， 而在 ３口是 互相抵 消 的 ， 故而 ２口是耦 合
E面波导3dB耦合器的设计
２ 仿 真 结果 和 分 析
根 据项 目需要 ， 文 设 计 的定 向耦合 器 的 指标 本 如 表 １ 示 ， 要求 从端 口 １输 入 ， 口 ３和端 口 ４ 所 且 端
囤 二 Ｑ ！
通 过 以上 测试 结 果 可 以看 出 ， 多 数 指标 均 达 大 到或超 过设计 要求 。遗憾 的是 Ｓ 特 性有 点差 ， 因 原
中 图分 类 号 ： Ｎ ２ Ｔ ６２ 文献 标 识 码 ： Ａ 文 章 编 号 ：０ ２ ８ ３ （ ０ １ Ｏ —０ ４ — ０ １ ０ － ９ ５ ２ １ ）２ ０ ０ ３
在无线 电发送 设 备 中 ， 了保 证 足够 远 的传输 为
均能 等功率 输 出 。
距离 ， 待传 输信号 需要 经过 功率放 大 、 功率合 成直 至
料制作 腔体 ， 在 内部镀 银 ， 项指标 一定 可 以得到 并 此 很大改 善 。
［ ］ＸｅＸａ ｑ ｎ ， ｈ ｏＣ ｅ ｇ ｉ Ｄｉ ｉ Ａ Ｍｉｉ ｔｒ ４ ｉ ｉ ｉ ｇ Ｚ ａ ｈｎ ｘ， ａ Ｒｕ ｏａ ｏ ． ｌｍｅｅ－ ｌ
输 入和输 出要 求 ， 一般 的结 构进行 了改进 ， 各个 对 将 端 口弯 曲 ， 然后 通过 波导 同轴转 换 ， 实现信 号 的输入
和输 出 ， 图 ２所 示 ， 了加 强 耦 合 ， 针是 经 过 改 如 为 探 进 的 ， 端被 做成 圆盘状 ， 顶 图中波导 型号 为 Ｂ １ ０ Ｊ０ 。
空 电 子技 术 ，０ ９ （ ） ６ — ６ ． ２ ０ ，１ ： １ ３
［ ］李军 ， 宝 富 ．腔 体 滤 波 器 调 试 技 术研 究 ｉ］ 空 电 子 ３ 贾 － ．真 Ｊ
技术 ， ０ ９ （ ） ９ ｌ ． ２ ０ ，２ ： 一 ２
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