详解平行耦合线定向耦合器
上文我们学到了定向耦合器的相关理论和设计指标，以及最常用的一款分支线定向耦合器的设计方法。那么我们今天接着学习另外一种常见的定向耦合器——平行耦合线定向耦合器。
如果对上文不太了解的读者，请翻阅一下推文，完成学习。今天我们要学习的参考书依然是栾秀珍老师等撰写的《微波技术与微波器件》一书。该书由清华大学出版社出版发行。如上图所示，平行耦合线定向耦合器是由两段靠的很近的，相互平行的传输线组成，一段作为信号的主传输线，另一端作为信号的耦合线。这个传输线既可以是微带线，也可以是带状线。大功率，低损耗的耦合线定向耦合器常常由空气腔体耦合带状线构成，如下图所示。上图是一款常见的平行线定向耦合器，其耦合线长度为L。我们假设端口1是射频信号的输入口，端口2，毋庸置疑，就是信号的直通端。那么我们来定性分析一下端口3 和端口4 的射频信号的特性，以确定哪个是耦合端，哪个是隔离端？我们先回忆一下分支线型定向耦合器的定性分析。我们是利用信号的相位差来确定耦合端和隔离端的。那么看下图，大家知道那个是隔离端口，哪个是耦合端口吗？对于射频工程师，建议记牢这个。那么对于耦合线型的耦合器，怎么快速判断耦合端口和隔离端口呢？第一，对于靠的很近的两条线，他们之间的有个耦合电容C。并且靠的越近，电容越大。电容耦合电流ic3和ic4分辨沿着耦合线向两端传输。第二，对于电磁信号传输主线上的射频信号i1，根据电磁感应定律会在耦合线上有一个感应电流iL，iL的方向与i1的方向相反。
这样在端口3，电容耦合电流ic3和感应电流iL3同向叠加。在端口4，电容耦合电流ic4和感应电流iL4方向相反互相抵消。在理想情况下，端口4 的两个电流抵消为0，没有信号输出，为隔离端。端口3 为耦合端。和分支线定向耦合器不同的是，平行耦合线定向耦合器的耦合端和直通端是反向的，因此又称为“反向型定向耦合器“。平行线定向耦合器的分析方法依然是奇偶模分析法。详细过程如下：然后经过几百字的分析（此处省略1000字，详细推导过程，请翻阅参考书《微波技术与微波器件》）得出设计公式：继续圈重点。
设计一平行耦合线定向耦合器，指标为：中心频率3.5GHz，耦合度C=15dB，引出线特性阻抗为50Ω，介质基片εr=9.6，h=1mm。
W1/h=0.97, W1=0.97mm； s/h=0.62, s=0.62mm耦合线段的长度近似认为等于未耦合单根线的1/4波长。根据微带线公式计算出微带线宽度：W0=0.99mm
结论：在中心频率3.5GHz处，回波损耗 | s11|<-33.5dB，隔离度-| s41|=23dB，耦合度-|s31| ≈12dB，基本满足设计要求。
为了获得更大的带宽，使用多个λ/ 4耦合部分。这种耦合器的设计与分布式元件滤波器的设计大致相同。耦合器的各部分被视为滤波器的部分，通过调整每个部分的耦合系数，可以使耦合端口具有任何经典滤波器响应，例如最大平坦（巴特沃斯滤波器）， 等纹波（椭圆函数滤波器）或指定纹波（切比雪夫滤波器）响应。纹波滤波器是通带中耦合端口输出的最大变化，通常用标称耦合因子作为正或负的dB值。耦合器的形式多种多样，但常见的就是这两种，分支线型和耦合线型。还有一种实现紧耦合形式的微带定向耦合器Lange耦合器。我们在之后的推文学习。 著作权归作者所有，欢迎分享，未经许可，不得转载
首次发布时间：2023-03-05
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