定向耦合器分析和仿真

定向耦合器是射频电路设计中常用的一种射频无源器件

将线路中传输的射频功率耦合到另一个线路里

概述

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　　四端口无源可逆网络。

　　理论上，定向耦合器是无耗电路，而且其各个端口均应是匹配的。

　　图1定义了定向耦合器各端口的属性。当信号从端口1输入时，大部分信号从端口2直通输出，其中一小部分信号从端口3耦合出来，端口4通常接一个匹配负载。

如果要将定向耦合器反过来使用，则端口1和2，端口3和4的属性要互换定义。

　　定向耦合器可以由同轴，波导，微带和带状线电路构成。

　　用途：

  1. 信号取样以进行测量和监测
  2. 信号分配及合成
  3. 作为网络分析仪，天线分析仪等测试仪器的核心部分，所起的作用是正向和反射信号的取样

定向耦合器的指标

　　在理想情况下，当信号功率从端口1输入时，输出功率只应出现在端口2和端口3，而端口4是完全隔离的，没有功率输出。但在一些情况下，还是会有一些功率会到端口4.

　　设端口1的输入功率为P1，端口2，3和4的输出功率分别为P2，P3和P4

　　定向耦合器的特性可以由耦合度，插入损耗，隔离度和方向性等四项指标来表征，单位为dB。

　　（请注意在以下的描述中，所有的指标均表示为正数，而在实际应用中，则是用负数来进行各种计算的）

耦合度

　　耦合度表示从端口1输入的功率和被耦合到端口3部分的比值，表示为：

　　耦合度(C) = 10×log(P1 /P3)

　　耦合度是一项设计指标，是根据需求所选定的，通常为6，10，20和30dB。

插入损耗

　　插入损耗表示从端口1到端口2的能量损耗，表示为：

　　插入损耗(IL)= 10×log(P1 /P2)

　　请注意端口1的输入功率有一部分功率是被耦合到端口3的，所以应导入一个“耦合损耗”的概念，下表表示了在各种耦合度下的耦合损耗值：

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　　这里注意到耦合度越高，其dB是越小的。通常插入损耗=传输损耗+耦合损耗。

　　当定向耦合器用于测试和测量时，其耦合度是很小的，比如20dB或者30dB；而作为功率合成系统或者信号分配系统时，则会采取比较大的耦合度，比如3dB，5dB，7dB。

隔离度

　　前面提到，在理想的定向耦合器中，端口4是没有功率输出的，而实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：

　　隔离度(I) = 10×log(P1 /P4)

方向性

　　端口3的输出功率和端口4输出功率之间的比值定义为方向性，表示为：

　　方向性(D) = 10×log(P3 /P4)

　　这里可以发现，方向性=隔离度-耦合度

　　由于方向性在大部分定向耦合器中是一个常数，同时耦合度是一项设计指标，所以隔离度可以通过计算得到。如：

　　耦合度(C) = 30dB，

　　方向性(D) = 25dB，

　　则隔离度(I) = 30 + 25 = 55dB

几种常见的耦合器

平行耦合器

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分支线耦合器

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　　分支线定向耦合器的分析

波导定向耦合器

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Lange 耦合器

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　　"定向耦合器设计"[1]

定向耦合器的应用

定向耦合器用于功率合成系统

　　在多载频合成系统中，通常会用到3dB的定向耦合器（俗称3dB电桥），如图。

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　　这类应用要求耦合器有很强的方向性。也就是要求较好的隔离度。以避免信号源之间产生额外的互调分量。

用于信号取样和监测

　　发射机的在线测量和监测可能是定向耦合器最为广泛的应用之一。

　　图3是一个蜂窝基站的典型测量应用，如果发射机的输出功率为43dBm（20W），定向耦合器的耦合度为30dB，插入损耗（线路损耗加耦合损耗）为0.15dB，则耦合端有13dBm（20mW）的信号送到基站测试仪，定向耦合器的直通输出为42.85dBm（19.3W），而泄漏到隔离端的功率则被一个负载吸收掉了

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用于功率和VSWR测量（反射功率计）

　　作为通过式功率计的核心器件，定向耦合器可用于正向和反射功率的取样，见图4。

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　　其中端口3用于检测正向功率，端口4用于检测反射功率。请注意在这种应用场合，定向耦合器的方向性（隔离度）指标对测试精度至关重要，尤其是反射功率的测试精度。假设发射机的输出功率为50dBm（100W），被测负载的驻波比为1.5（反射功率为4W），定向耦合器的耦合度为30dB。假如隔离度为无穷大，则在端口4测到的功率即为反射功率（4mW）。

　　但由于隔离度不可能为无穷大，出现在端口4的除了真正的反射功率以外，还有一部分从端口1泄漏过来的功率，这二部分功率矢量叠加后，功率计认为这些都是反射功率，从而导致了测试误差。

　　

  1. 定向耦合器设计

    普通的平行耦合微带线定向耦合器一般用于较弱的耦合情况（即耦合系数<-10dB）

    设计基础

    本次设计了一个Lange耦合器（又称为交指耦合器），可用于耦合较强的情况，通常设计为3dB耦合。

    Lange耦合器不仅能有效克服平台耦合性耦合器耦合时过于松散的缺点，而且具有一个倍频程或更宽的带宽。

    本文以常见的微带型Lange耦合器为例，在介绍其工作原理的基础上，用ADS设计和仿真。

    基本工作原理

    Lange耦合器输入端口1的输入功率一部分直接传输给直通端口2，另一部分耦合到耦合端口3，还有一部分在端口4处损耗。

    Lange耦合器的直通端口2与耦合端口3之间有90°的相位差，于是Lange耦合器也叫正交耦合器。

    ​

    Lange耦合器的耦合系数影响参数：

    1. 线宽比率W/H
    2. 缝隙宽度比率S/H
    3. 基板介电常数E_r
    4. 导体厚度比率T/H
    5. 频率

    其中，H为微带型基板的厚度，T为导体的厚度，W为微带线的宽度，S为微带线间的间距

    基本设计指标

    耦合度

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    隔离度

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    定向度

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    插入损耗

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    输入驻波比

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    工作带宽

    以上指标都符合要求下，定向耦合器的工作频率范围。

    定向耦合器的设计，仿真和优化

    参考

    (30条消息) 基于ADS的功分、耦合器的设计_ASH_GUARDIAN的博客-CSDN博客_ads 耦合器 ↩︎

posted @ 2022-09-14 19:40  heart-z  阅读(4305)  评论(0)    收藏  举报