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1、耦合线定向耦合器设计,概述,定向耦合器是微波电路中的一个重要器件。如果根据使用的传输线来分，定向耦合器可以分为同轴线定向耦合器、矩形波导/圆波导波导定向耦合器、带状线定向耦合器、微带线/悬置微带线定向耦合器、共面波导定向耦合器和介质波导定向耦合器等。如果根据工作原理来划分，定向耦合器又可分为倍兹孔耦合定向耦合器、分支线定向耦合器、和耦合线定向耦合器。耦合线定向耦合器是一种在通讯系统中最常见的定向耦合器结构。所以在这一节，我们将重点介绍耦合线定向耦合器的工作原理，主要类型、设计方法和发展趋势。在设计过程中，摈弃了过去常用的查表法。利用商用软件AWR、HFSS、CST和ADS设计大大加快了设计速度
2、。另外，我还要介绍电容加载、电感补偿和重入式带状线的设计方法。,纲 要,耦合线定性耦合器的基本参数；耦合线定向耦合器的基本类型；定向耦合器的主要技术指标；耦合线特征参数的计算；常见的耦合线类型；双导体传输线的基本模式；耦合线参数的计算方法耦合线定向耦合器的基本结构；单级定向耦合器；定向耦合器的级联；宽带定向耦合器及补偿；微带定向耦合器重入式定向耦合器宽带定向耦合器的设计方法,耦合线定性耦合器的基本参数,耦合线定向耦合器的基本类型,耦合线定向耦合器有各种类型，按传输线的类型分为同轴线定向耦合器、带状线定向耦合器和微带线定向耦合器等；按耦合结构可分为对称阶梯耦合、非对称阶梯耦合和连续耦合等。,定向
3、耦合器的基本类型,假如口是入射端口。后向耦合口是耦合端口。口是隔离端口。口是直通端口。前向耦合口是耦合端口。口是隔离端口。口是直通端口。,反向耦合,前向耦合,定向耦合器的主要技术指标,定向耦合器的主要技术指标：耦合度；耦合度表示从端口输入的功率和被耦合到端口4部分的比值，表示为：或,输入端口,直通端口,耦合端口,隔离端口,定向耦合器的主要技术指标,定向耦合器的主要技术指标：方向性；端口4的输出功率和端口3输出功率之间的比值定义为方向性，表示为：或,输入端口,直通端口,耦合端口,隔离端口,定向耦合器的主要技术指标,定向耦合器的主要技术指标：隔离度；在理想的定向耦合器中，端口是没有功率输出的，而实
4、际上总会有一些功率从这个端口泄漏出来，这就是隔离度的指标，表示为：或,输入端口,直通端口,耦合端口,隔离端口,定向耦合器的主要技术指标,定向耦合器的主要技术指标：插入损耗；插入损耗表示从端口到端口的能量损耗，表示为：或工作频率；输入驻波比等。,输入端口,直通端口,耦合端口,隔离端口,定向耦合器的主要技术指标,请注意端口的输入功率有一部分功率是被耦合到端口4的，所以应导入一个“耦合损耗”的概念，下面是各种耦合度下的耦合损耗值： 通常所说的从端口到端口的插入损耗是传输损耗和耦合损耗之和。,定向耦合器的主要技术指标,定向耦合器的主要技术指标：反射损耗或输入驻波比（）；反射损耗,输入端口,直通端口,耦
5、合端口,隔离端口,某公司定向耦合器产品指标,耦合线特征参数的计算,普通传输线的基本参数,传播常数：衰减常数；相位常数相位速度波长特性阻抗,耦合带状线及耦合微带线,(coupled stripline and coupled microstrp line),耦合传输线：两根或多根彼此靠的很近的非屏蔽传输线系统,常见的耦合线类型,常见的耦合形式：,多导体传输系统的电容矩阵,对多导体传输系统通常用传输线单位长度的电荷、单位长度的电容与线上的电压来描述。,多导体传输系统的电容矩阵,假定，第 i 根传输线单位长度的电荷为Qi 。其中，Vj 是第 j 根导体相对于地的电压。Csij是第 I 根导体和第 j
6、 根导体之间的短路电容。从短路电容，我们可以得到第 i 根导体的自电容和第 i 根与第 j 根导体之间的互电容。,多导体传输系统的电容矩阵,对由m根多导体组成的传输系统电容矩阵为，同样可以确定由m根多导体组成的传输系统的特性阻抗为，,双导体传输线的基本模式,通常，双导体传输线有两个独立的传播模式。对于结构对称、均匀介质填充的双导体传输线这两个模式分别被称作奇模和偶模。这两个模式的传播常数相同。但是其场结构分别具有奇对称和偶对称的特点。,双导体传输线的奇耦模分析方法利用对称性,奇模激励(odd-mode excitation):大小相同，方向相反的电流对耦合线两导带的激励（中心电壁）偶模激励(e
7、ven-mode excitation):大小相同，方向相同的电流对耦合线两导带的激励（中心磁壁）,V=0,H=0,V,-V,均匀填充双导体传输线的奇模特性参数,耦合系数,奇模阻抗,双线特性阻抗,单线特性阻抗,偶模阻抗,均匀填充双导体传输线的偶模特性参数,均匀填充双导体传输线的特性参数,耦合系数的分贝耦合度为:,差分阻抗与共模阻抗,差分阻抗是指在耦合传输线中差分驱动时，在两条传输线中测试得到的阻抗。差分阻抗失奇模阻抗的2倍。Zdiff=2XZodd共模阻抗是指耦合传输线并联在一起时的此案路阻抗。共模阻抗是偶摸阻抗的一半。Zcom=Zeven/2,耦合线参数的计算方法（1）,利用电路软件中的传输
8、线计算工具计算。,耦合线参数的计算方法(2),利用三维仿真软件对结构上具有对称性的传输线建模计算传输线参数，可以从对称面剖开，分别建立模型。并把对称面分别设置为电壁和磁壁。,磁壁,电壁,耦合线参数的计算方法(3),利用三维仿真软件对结构上不具有对称性的传输线建模计算传输线参数，可以直接计算 。但需要注意的是端口模式数应设置2个以上，并且此时计算出的阻抗分别是差分阻抗和共模阻抗。,计算结果,模式1,模式2,Z1,Z2,CST计算结果（模式1）,CST计算结果（模式2）,ADS计算结果,结果比较,注意:利用三维软件计算端口的特性阻抗分别是差分阻抗（ Z1）和共模阻抗（ Z2）。并不是C模和模阻抗！
9、偶模的阻抗为：Ze=2XZ2奇模的阻抗为： Zo=Z1/2,耦合线定向耦合器的基本结构,单级定向耦合器的S参数：其中，是耦合线段的电长度。端口2和端口3之间的分压比K为，,单级定向耦合器,在耦合带状线中奇/偶模的相位常数相同：当电长度=90时，定向耦合器的S参数化简为，当端口2和端口3之间的分压比K为1时，要求C,单级定向耦合器（续）,定向耦合器的级联,从前面的分析可以看到，如果想获得大的耦合量则需要耦合线的奇/偶模阻抗有较大差异。这意味着耦合线之间的耦合要很大。在实际工程中，这一要求实现起来并不容易。因此可以采用级联方式实现较大的耦合量。,定向耦合器的级联（续）,级联后的S参数，对一个=90
10、的3dB定向耦合器，由上式得，解出，或者，这样就可以用两个耦合量为8.34dB的定向耦合器构造一个3dB定向耦合器。,兰格定向耦合器,宽带对称定向耦合器,对称带状线定向耦合器的补偿,过渡段寄生电感,补偿电容C1和C2,补偿前后的仿真结果比较,补偿前,补偿后,补偿后的电路版图和测试结果,宽带非对称定向耦合器,非对称带状线定向耦合器的补偿,不连续段,补偿电容,补偿前后的仿真结果比较,补偿前,补偿后,补偿后的电路版图和测试结果,使用微带线或悬置微带线制作定向耦合器时，微带线和带状线相比，最大的区别在于微带线的奇/偶模相位常数不同。由于奇模的场大部分都分布在介质与空气交接的区域，偶模的场大部分都分布于
11、介质内部。所以奇模的相位速度大于偶模的相位速度。因此，微带线定向耦合器的带宽受到一些限制。通常，需要采取一些补偿措施抵消其影响。最常见的补 偿措施包括：波纹耦合线；电容加载；电感加载；微带-孔耦合；,微带线定向耦合器,一种高性能超宽带3dB定向耦合器,采用微带-孔耦合结构,采用类似技术的3dB定向耦合器,重入式定向耦合器,微带重入式定向耦合器,优点是方便装配,宽带定向耦合器的设计方法,设计过程,第一步：电路原理图优化根据给定设计指标利用基本电路原理图优化；第二步：耦合线基本结构设计根据优化结果得出的奇/偶模阻抗设计耦合线的基本结构；第三步：三维仿真模型优化根据电路原理图给出的电路结构和耦合线的
12、尺寸建立仿真模型，并在此基础上优化。,7级对称定向耦合器电路模型,文件名： First_step_symmetric.emp,7级对称定向耦合器优化结果,4级非对称定向耦合器电路模型,文件名： First_step_asymmetric.emp,优化结果,电容加载定向耦合器电路模型,文件名： First_step_asymmetric_Cap.emp,优化结果,结果比较,7级对称和4级非对称每一级的电长度基本相同。通过4级非对称定向耦合器的优化结果比较，发现加载后定向耦合器的长度明显减小。,7级对称,4级非对称,4级电容加载,设计耦合线结构,通常确定耦合线的结构从耦合最强的一级开始。实现强耦合
13、通常选择宽边耦合带状线或重入式结构。这两种结构都没有现成的传输线计算软件，只能使用三维仿真软件优化。由于HFSS软件计算过程中模式不稳定，通常用CST来做。,宽边耦合带状线分析,在宽边耦合微带线中，基片厚度h、导带宽度w和偏移量s主要影响奇模阻抗。宽边耦合带状线中，偶模阻抗受影响的因素比较多，但是当横向尺寸较大（a较大）且导带居中时，偶模阻抗主要由b、w、s和h决定。,强耦合段基片厚度和导带宽度初值,根据强耦合段奇模阻抗值，选择合适的基片厚度（h）和导带宽度 （w）的值。H=0.254mm。,确定耦合线宽度和高度,利用强耦合段偶模阻抗确定耦合线宽度（a）和高度（b）。,偶模阻抗的调整,通常，介
14、质板的厚度不是连续可变的。只能选取一些固定的系列。此时可以通过改变横向尺寸（a）或通过横向添加翼片改变偶模阻抗。,翼片对奇模阻抗的影响,翼片不影响奇模阻抗,其他耦合段的计算模型,其他耦合段，可以通过改变线宽（w）和耦合线的偏移（s）改变奇偶模的阻抗以达到设计要求。,优化设置,优化自变量,优化设置,优化目标,优化设置,选择优化器,建立三维仿真模型,每一段设计完成后，可以建立三维仿真模型。注意此时的过渡段应尽可能缩短或添加容性短截线。容性短截线可以先固定线宽（例如1mm）。然后用下式确定线长。其中， 和 分别是短 截线的传播常数和特性阻 抗 。 是短截线的长度。 和 分别是中心频 率和要求的加载电容量。,三维仿真结果,结束语,利用优化方法设计耦合线定向耦合器可以摆脱复杂的数学计算。设计速度和精度都比传统方法好。其中耦合线的设计阶段需要认真选择合适的耦合形式和横向尺寸。对重入式结构也可以采用类似的方法设计。第三阶段可以用三维仿真的优化，也可以人工调整。,
