微波射频学习笔记12-------单节/多节定向耦合器的设计

平行线耦合器
一、基本原理

两根紧挨着的微带线，一根通信号，因为电磁场的相互作用，另一根会有功率耦合。
当电磁波通过主线时，本身是携带电场和磁场的，由于两根传输线距离很近，类似电容，所以主线上的交变电流通过电容，将两股方向相反的电流耦合到耦合线上；同时根据电磁感应定律，磁场中的导线会产生方向相反的感应电流，故上图②端口和下图4端口会产生叠加的功率，而③口，因为电场和磁场产生电流的方向相反而抵消。正因此，③口称为隔离端，另一个口称为耦合端。

二、单节平行线耦合器结构

1.① 为信号输入；② 为耦合端口；③ 为隔离端口；④ 输出端口；
2.两线耦合段线长1/4波长，线宽为50Ω匹配（耦合部分，可稍细）；
3.因为是对称设计，输入输出端口可反，同时耦合隔离也会反过来。

三、设计指标
1.插入损耗：输入输出直通的S21/S12；
2.电压驻波比：主要看S11和S22，S33和S44一般较好；
3.耦合度：耦合能量的大小，和线距离远近有很大关系（能有多近，看加工精度）；
4.隔离度：隔离端口的损耗值，耦合的能量越小越好；
5.方向性 = |隔离度| - |耦合度|，① 耦合段改成锯齿状②带状线耦合可提高方向性。（因为微带线奇偶模两种模式相速不同，在空气-介质界面有不同的场结构，所以降低了方向性）。
6.承受功率：线越宽，承受功率自然就越高。

四、HFSS仿真验证
仿真模型如下：

仿真结果如下：

从仿真图上可以看到，损耗极小，耦合度在26dB左右；隔离度在37dB左右，所以方向性为11dB，符合理论，有实际效果，但方向性太差。下图的模型可以稍稍提高一点方向性。

五、耦合器设计过程
和Wilkinson功分器一样，单节1/4波长传输线带宽太窄，宽带需要多节设计。

1.单节耦合器（带宽窄）
（1）已知耦合度和特征阻抗Z0
第一步：算出耦合系数C
C = 10-M/20（M为耦合度）
第二步：算出偶模和奇模的特征阻抗Z0e和Z0o
Z0e = Z0√（（1+C）/（1-C））
Z0o = Z0√（（1-C）/（1+C））
第三步：算出线长、线宽和耦合度

软件Genesys中的小工具Tline计算得出（公式计算，过于复杂）
（2）已知耦合度和特征阻抗Z0
可以直接用小工具：哈哈哈哈哈哈哈，那我为啥还要写（1），哈哈哈哈，太蠢了。

2.多节耦合器设计
设计方法来自于《现代滤波器的结构与设计》第15.5（对称型）、15.6（设计实例）和15.7节（非对称型）。耦合器的设计方法在滤波器的书里，真是有毒…网上查了很多资料，大部分人都是根据这书里的表格做设计，然后在用HFSS优化优化的。
多节耦合器有两种结构：一、对称型（间距从中间向两端扩散）；二、不对称型（间距向一端扩散）。
表格内容太多，就不抄了，感兴趣的自己去看吧。
其实就算不根据表格，就在HFSS里面不断调整宽宽和间距，一样可以设计出来。