定向耦合器的研究分析

定向耦合器的研究 ——几种微带定向耦合器结构与分析 摘 要 定向耦合器是一种通用的微波/毫米波部件，可用于信号的隔离、分离和混合，如功率的监测、源输出功率稳幅、信号源隔离、传输和反射的扫频测试等。主要技术指标有方向性、驻波比、耦合度、插入损耗。现在国内外研究定向耦合器都向体积小、功率容量大、频带宽、插入损耗小，有良好的驻波比和方向性等发展。如今已研制出的高性能的耦合器，如中国电子科技集团公司第四十一研究所研制的耦合器，频率范围可从30kHz达到110GHz，耦合度也有3dB、10dB、20dB各种型号，且它的功率有的可以达到10KW，例如AV70606耦合器，它在保证方向性大于30dB的情况下，功率就可达到10KW。甚至有些公司在耦合度控制在10dB的情况下，它的回波损耗可以低于-50到-60dB，甚至更低。然而在某些特性场合，对耦合器的要求也是越来越高，因而更加优良的耦合器也有待我们去研究。 关键词: 传输线；微带线；定向耦合器；耦合度；奇模；偶模

1引言 在一些电桥及平衡混频器等元件中，常用到分支线定向祸合器分支线电桥或定向藕合器由两根平行传输线所组成，通过一些分支线实现拐合它们在中心频率上分支线的长度及其间的间隔全都是四分之一波长。由于徽带线分支定向祸合器在结构和加工制造方面都比波导和同轴线简便得多，因此在徽带电路，分支线电桥和定向祸合器得到了较多的应用。 随着定向耦合器技术的发展，它应用到了更多更广泛的领域当中去，例如相控阵雷达等，越来越多的人开始关注这项技术，这更使定向耦合器得到了长足发展，随着时间的推移它在电子技术领域占到了越来越重要的地位。 2 微带定向耦合器的种类 微带定向耦合器的种类有很多，例如：平行耦合微带线定向耦合器、微波3dB微带双分支定向耦合器、宽带微带定向耦合器等。 2.1 平行耦合微带线定向耦合器 图12所示，是平行耦合微带线定向耦合器的示意图。当①端口信号激励时，③端口为隔离 端 无 输 出、而 耦 合 端 口②及直通端口④有 输 出 。根 据 奇、偶 模 分 析 方 法 可 知，耦 合 端 口 ②及直通端口④的输出电压分别为，

式中：Z0e和Z00分别为耦合微带线的偶模和奇模特性阻抗，e和分别是耦合微带线的偶模和奇模的电长度，Z0是端口的端接阻抗。

根据（1）式可知定向耦合器的耦合度为，

而根据（2）式可得传输系数为，

但需要满足一下条件，即：

如果假设耦合微带线中传输的是TEM波（而不是准TEM波），则 可 忽 略 奇、偶 模 相 速 的差别而认为:e==，此时（1）～（4）式可以改写成以下形式，即： 式中： 但需要满足一下条件，即： 根据（5）～（9）式可知，此时的耦合度和传输系数分别变为，

而中心频率的耦合度为，

2、耦合区的长度

根 据（11）式 可 知，当 耦 合区 的电长度度时，耦 合度C最大，耦 合器 获得 最大的耦合输出。因此图12中“耦合区”的几何长度应取中心工作频率的四分之一波长，即 ：

对于工作在准TEM波的耦合微带线的奇、偶模的相速不相等，应取： 式 中： 分别为“奇模”和“偶模”波导波长，而ee和e0分别是“奇模”和“偶模”的有介电常数。 注意：当工作频率较高时“耦合区”的几何长度将非常短、制作困难，此时可取：

即可以将“耦合区”的几何长度设计成中心工作频率的四分之一波长的奇数倍，具体取多少倍应视具体情况而定。 2.2.1 3dB微带分支线定向耦合器 定向 耦合器广泛应用与射频系统中，特别市3dB定向耦合器更使一个不可或缺的重要元件，其大量使用于射频电路。但是，传统的微带分支线定向耦合器占电路面积太多，在迅速发展的微波集成电路（MIC)和单片微波集成电路（MMIC)中，微带元器件的小型化扮演着不可或缺的角色。降低成本，提高集成度是微带元器件的小型化理论成为发展的趋势。微波耦合器是现代微波、毫米波通信技术和电子战等应用中一个极其重要的部分，是微波、毫米波系统中的核心器件，因而定向耦合器成为制约系统性能和技术水平的关键部件，其性能的优劣将直接影响到整个系统的质量。

、 图2-1标准3dB微带分支线定向耦合器板图 （1）1、2、3、4四个口都是匹配的，即： S14=S22=S33=S44=0 (2)当各口接以匹配负载是，1、4口之间，2、3口之间都彼此隔离，即 S14=S23=0 (3)1臂至2、3臂，4臂至2、3臂，功率完全平均分，即

|S21|=|S31|= |S24|=|S34|= 反过来亦然，即2臂进入的功率平分地进入1、4臂，3臂进入的功率也平分地进入1、4臂。

|S12|=|S42|= |S13|=|S43|= 由定向耦合器的耦合度C=10log(1/|S31|²)dB和C=3dB 得|S31|²=1/2,即：功率平均，实际上3dB定向耦合器为功率平均器。 对于我们经常提到定向耦合器的输入端口、直流端口、耦合端口和隔离端口

与定向耦合器上标出的Port1、Port2、Port3和Port4是一一对应的，如图2-2所示，同时我们也可以看到耦合器里输入信号功率的常规流向。 2.2.2标准（传统）3dB微带分支线定向耦合器的参数 在小型化微带分支线定向耦合器时，首先理论计算设计出电路板图，然后软

件仿真和测量S参数频率特性曲线。微带分支线定向耦合器的S参数频率特性曲线如图2-3所示和定向耦合器的直通端口和耦合端口的相位差如图2-4所示。通过S参数频率特性曲线和直通端口和耦合端口的相位差来表示小型化理论的正确性，设计出电路板图后，很据制作实际电路板材料的参数计算出微带线的实际尺寸，然后做出电路板进行测试。

图2-3 标准3dB微带分支线定向耦合器的S参数特性曲线 2.2.3定向耦合器电路的散射参量S S参量是由归一化入射波电压和归一化反射波电压来定义的，因此它容易进

行测量。故S参量是微波网络中应用最多的一种参量。 如图2-5所示，设an代表网络第n个端口的归一化入射波电压，bn代表第n个端口的归一化反射波电压，它们与同端口的电压关系为 式中，Zcn为第n个端口的参考阻抗。 图2-5 S参量网络 假设网络是线性的，a与b有着线性的关系，对两端口网络可写成 b1=S11a1+S12a2 b2=S21a1+S22a2 （2-2） 或 b=Sa （2-3）

式中， （2-4） 称为散射矩阵，其各参量的物理意义为：

表示端口2匹配时，端口1的反射系数； 表示端口1匹配时，端口2的反射系数； 表示端口1匹配时，端口2到端口1的传输系数； 表示端口2匹配时，端口1到端口2的传输系数。 式中，ai=0(i=1,2......)表示第i个端口接匹配负载，因而没有从负载反射回来的波。 2.3 一种宽带微带定向耦合器 微带线定向耦合器支持纯TEM或准TEM模的传输，在传输过程中相互作用

产生耦合的两种模式：偶模和奇模。平面TEM传输线定向耦合器有窄边耦合和宽边耦合，一般对于微带线为窄边耦合，带状线为宽边耦合。

微带线

介质基板 地平面 图1 窄边耦合的微带耦合器

输出端2 输出端1

图2 单节耦合器 输入信号可以分为奇偶两种模式，在偶模时，输入和耦合端输入电压幅度和相位都相同，此时，两条微带线之间存在一个理想磁壁；在奇模时，输入和耦合端输入电压幅度相同，相位相反，此时，两条微带线之间存在一个理想电壁。单节耦合器的耦合度定义为：

（1） 式中，Zoo和Zoe分别为单节耦合器的归奇模和偶模。并且有ZoeZoo=Zo²,Zo为耦合器的负载，一般为50欧姆。 通过利用奇偶模对耦合器进行理论分析，最后对参量进行优化。多节非对

称耦合器的分析是再单节耦合器的基础上进行的。如图3所示。

图3 n节非对称定向耦合器 图3中的Zoo和Zoe分别为每节耦合器的归一化奇模和偶模，关系为ZooZoe=1，θ为每节的电长度即信号在耦合器的相移。对称耦合器相比于非对称耦合器在耦合端口和输出端口相位差为90度，且与频率无关。这种特性在相位控制中很重要，但是非对称耦合器相比之下却又更宽的带宽。 多节耦合器可以看做是电长度为θ和特性阻抗为Zr(r=1,2,.....,n)的单节耦合器级联而成的，假定为无耗网络时，它的传输矩阵为： （2） 多节耦合器中插入损耗计算公式为：

（3） 多节耦合器的带宽设置为θ0到π-θ0，相应插入损耗可以写为：

（4） 式（4）一般作为实特性阻抗的阶梯阻抗滤波器。式中的Tn为n阶第一类切比

雪夫函数，cosθ0= 。把式（3）和（4）进行相应的联合可以得到n个对于变量Zr(r=1,2,...,n)的表达式，通过计算表达就可以得到耦合器的相应参数，当n大于3时，一般借助于计算机处理。 根据Richards变换，把复阻抗映射到满足Brunet条件的阻抗域Z(t）。由式（3）得到的插入损耗的表达式可以得到反射系数：

（5） 由式Z(t）的条件限制，此时Γ（t)为正实数的n阶多项式，输入阻抗Z(t)的计算公式为：

（6） 根据设计要求宽带BW，耦合度C和纹波R得到计算条件。

（7） 其中，。由式（6）和式（7）可以得到关于β和h的等式，求解出着两个变量，就可以得到耦合器的每节特性阻抗和它的奇偶模。 在前面的分析中，根据耦合器的设计要求如带宽、耦合度和带内纹波，可以得到不同节数的耦合器对应的奇偶模和特性阻抗。本文设计的耦合器节数n=6，带宽比（π-θ0）/θ0=10，纹波变化R=0.5dB，根据上面的计算得到耦合器的参数为： 表1 计算得到的耦合器奇偶模