实验五：方向耦合器（Directional Coupler）.doc

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1、实验五：方向耦合器（实验五：方向耦合器（DirectionalDirectional CouplerCoupler） * *一实验目的： 1.了解方向耦合器的原理及基本设计方法。 2.利用实验模组实际测量以了解方向耦合器的特性。 3.学会使用微波软件对方向耦合器进行设计和仿真，并分析结果。二预习内容： 1、熟悉耦合原理的理论知识。 2、熟悉方向耦合器的原理的理论知识。三实验设备： 项次设备名称数量备注1MOTECH RF2000 测量仪1 套亦可用网络分析仪2方向耦合器模组2 组RF2KM5-1A、RF2KM5-2A350 BNC 接头2 个THRU450负载端子2 个LOAD-1、LOAD-

2、2550 BNC 连接线2 条CA-1、CA-261M BNC 连接线2 条CA-3、CA-47 MICROWAVE 软件1 套微波软件四、理论分析： （一）方向耦合器的原理： 方向耦合器是个四端口网络结构（4port network） ，如图 51 所示。图 5-1 方向耦合器方框图 其信号输入端（Port-1，Input Port）的功率为 P1，信号传输端 （Port-2，Transmission Port）的功率为 P2，信号耦合端（Port- 3，Coupling Port）的功率为 P3，而信号隔离端（Port-4，Isolation Port）的功率为 P4。若 P1、P2、P3

3、、P4 皆用毫瓦（mW）来表示，定向耦 合器的四大参数，则可定义为：Directional CouplerPort-1 P1Port-2 P2Port-2 P3Port-4 P4传输系数：12log10)(PPdBTonTransmissi耦合系数：13log10)(PPdBCCoupling隔离度：14log10)(PPdBIIsolation方向性：)()()(dBCdBIdBDyDirectivit常见的定向耦合器可分成支路型和平行线型两种。其设计方法如下： 1、支路型（Branch-line Coupler） 其电路根据组成元件可再分为低通 L-G 式、高通 L-G 式和传输线式，如图

4、 5-2(a)(b)(c)所示。图 5-2(a)低通 L-C 式支线型耦合器; (b) 高通 L-C 式支线型耦合器其设计步骤如下： 步骤一：决定耦合器的规格。包括耦合系数 C(dB)、端口的等效阻抗 Zo（ohm） 、电路使用的中心频率，fc（Hz） 。Port-1P1P3Port-3Port-2P2LsLsCpCpZo(a) low-pass typeP4Port-4Port-1 P1Port-2 P2P3 Port-3CsCsLpLpZo(b) high-pass typeP4Port-4Port-1 P1 Port-2P2P4 Port-4P3 Port-3图 5-2 (d) 平行线型

5、耦合 器/ 4ZoeZoeZooZooPort-1 P1Port-2 P2P3 Port-3P4 Port-4ZoZoZoZoZoZosZoZopZopZoZosZo/ 4图 5-2 (c)传输线式支线型耦合器/4步骤二：利用下列公式计算出 K、Z0S及 Z0P :KKZoZKZoZKpsC11100010/步骤三：利用下列公式计算出所需的值: （a）低通 L-C 式pcP cs SZfCfZL00 21 2（b）高通 L-G 式cp P scSfZLZfC22100（c）传输线式 若选用微带线来设计，则依据使用基板参数（Er、h 等）利用软件计算出 Zos 及 Zop 的微带线宽度（W1、W

6、2）和四分之一波长的长度（P1、P2） 。步骤四：利用模拟软件检验，再经过微调以满足设计要求。2、平行线型（Parallel-line Coupler） 此电路结构如图 5-2（d）所示，常用微带线（Microstrip line）来设计。 其设计步骤如下： 步骤一：决定耦合器规格。包括耦合系数 C(dB)、各端口的特性阻抗 Zo（ohm） 、电路使用的中心频率，fc（Hz） 、基板参数（Er，h） 。 步骤二：利用下列公式计算出 Zoe及 Zoo。20/20/20/20/101101101101CCooCCoeZoZZoZ步骤三：依据设计使用的基板参数（Er，h） ，利用软件计算出符合步骤二

7、 所算出（Zoe、Zoo）的微带耦合线的宽度及间距（W、S）和四分之一波长的长 度（P） 。 步骤四：利用模拟软件检验，再经过微调以满足设计要求。五、硬件测量: 1对支路型方向耦合器的 S11 及 S21 测量以了解支路型方向耦合器的特性。 对平行线型方向耦合器的 S11 及 S21 测量以了解平行线型方向耦合电路 的特性。 2准备电脑，测量软件，RF2000,相关模组，若干小器件等。 3测量步骤： MOD-5A 的 P1 端子的 S11 测量：设定频段：BAND-3；将 LOAD-1 及 LAOD- 2 分别接在模组 P2 及 P4 端子上；将于 RF2000 RF-IN 端子连接的 CA-

8、1 接在模 组 P3 端子上；对模组 P1 端子做 S11 测量，并将测量结果记录于表（6-1）中。 MOD-5A 的 P1 及 P2 端子的 S21 测量：设定频段：BAND-3； 将 LOAD-1 及 LOAD-2 分别接在模组 P3 及 P4 端子上；对模组 P1 及 P2 端子做 S21 测量，并将测量结果记录于表（6-2）中。 MOD-51 的 P1 及 P3 端子的 S21 测量：设定频段：BAND-3；将 LOAD-1 及 LOAD-2 分别接在模组 P2 及 P4 端子上；对模组 P1 及 P3 端子做 S21 测量，并将 测量结果记录于表（6-3）中。 MOD-5A 的 P1

9、 及 P4 端子的 S21 测量：设定频段：BAND-3 将 LAOD-1 及 LOAD-2 分别接在模组 P2 及 P3 端子上；对模组 P1 及 P4 端子做 S21 测量，并将 测量结果记录于表（6-4）中。 MOD-5B 的 P1 端子的 S11 测量：设定频段：BAND-4；将 LOAD-1 及 LOAD- 2 分别接在模组 P2 及 P4 端子上；将于 RF-2000 RF-IN 端子连接的 CA-1 接在模 组 P3 端子上；对模组 P1 端子做 S11 测量，并将测量结果记录于表（7-1）中。 MOD-5B 的 P1 及 P2 端子的 S21 测量：设定频段：BAND-4；将

10、LOAD-1 及 LOAD-2 分别接在模组 P3 及 P4 端子上；对模组 P1 及 P2 端子做 S21 测量，并将 测量结果记录于表（7-2）中。 MOD-5B 的 P1 及 P3 端子的 S21 测量：设定频段：BAND-4；将 LOAD-1 及 LOAD-2 分别接在模组 P2 及 P4 端子上；对模组 P1 及 P3 端子做 S21 测量，并将 测量结果记录于表（7-3）中。 MOD-5B 的 P1 及 P3 端子的 S21 测量：设定频段：BAND-4；将 LOAD-1 及 LOAD-2 分别接在模组 P2 及 P3 端子上；对模组 P1 及 P4 端子做 S21 测量，并将 测

11、量结果记录于表（7-4）中。 4实验纪录：表 6-1、6-2、6-3、6-4 均为以下此表：5硬件测量的结果建议如下为合格： RF2KM5-1A MOD-5A(40050MHZ) S11-13dBS21-2dBS31-13dBS41-10dB RF2KM5-2A MOD-5B(75050MHZ) S11-12dBS21-10dBS31-1.5dBS41-14dB 6待测模组方框图：支路型方向耦合器平行线型方向耦合器六、软件仿真： 1、按公式计算出相应的元件值。 2、在原理图上设计好相应的电路，设置好端口，完成频率设置、尺寸规范、 器件的加载、仿真图形等等的设置。 3、最后进行仿真，结果应接近实

12、际测量所得到的仿真图形。4、电路图如图 5-2（b）高通 L-C 式支路型耦合器。七、实例分析：（一）设计一个工作频率为 400MHz 的 10dB 的高通 L-C 支路型耦合器。 （Zo=50ohm） 解: C = -10dB，fc = 400MHz150143.4711 . 0100010/KKZoZKZoZKpsCnHfZLpFZfCcp PscS68.59239. 82100（二）设计一个工作频率为 750MHz 的 10dB 的平行线型耦合器。 （Zo=50ohm）解： C= -10dB , fc=750MHz , 04.3610110137.6910110120/20/20/20/

13、CCooCCoeZoZZoZ选用 FR4 基板，其参数为 Er=4.5、h=1.6mm、TAND=0.015、Metal=Cu， 1mil、HU=10mm。 经软件计算出其耦合线宽度 W=2.38mm，间距 S=0.31mm 及长度 P=57.16mm，且 50ohm 微带线宽度 W50=2.92mm。八、Mathcad 分析： 见 mathcad 的分析结果。开头为关于设计一个使用于 500MHz 的 10dB 的平 行线型耦合器。(Z0=50ohm),接下来是相关的物理尺寸，后面是相关的合成公式。程序见文件夹中文 mcd里面的文件耦合器.mcd和支路型耦合器. mcd 。 根据源程序编制程序，改变参数来完成耦合器设计。