分支线耦合器的建模

Fanny Littmarck 2014年 3月 14日

分支线耦合器,是一种 90 度正交 混合耦合器,由于其制造工艺简单且易于设计,被广泛应用于各个行业。分支线耦合器是无源器件,常用于单天线发射器系统和 I/Q 信号分配器/合路器。让我们了解一下这类耦合器的基本工作原理及一些重要的设计要素。

关于分支线耦合器

分支线耦合器被用于分配及合并功率。这类耦合器由两个相位差为 90 度的耦合端口组成。功率从一个输入端口进入,然后被平均分配给两个输出端口。第四个端口为隔离端口。

Branch line coupler 分支线耦合器的建模
分支线耦合器几何图形。图中,传输线是水平的,分支线是垂直的。

如上图中的几何图形所示,分支线耦合器是对称性设计,这就意味着将任意端口作为输入端口时,仍然要能够实现相同频率的功率输出。在上图所示的几何图形中,位于左下角的端口被选为输入端口,我们可以互换输入端口和隔离端口,也可以将图中的几何图形水平翻转,使两个输出端口位于左侧,输入端口和隔离端口位于右侧。

在单天线发射器/接收器系统中,输入端口(1)处设有一个发射器,端口(2)设有一个 50 欧姆的终端,另一个输出端口(3)处设有一根天线,隔离端口(4)处设有接收器。在这里,功率在正交相位中从发射器向天线移动,随后天线向接收器发送一个返回信号。接收器与发射器互不影响。

重要设计要素

为确保分支线耦合器功能正常,在设计过程中须遵循以下原则:

  • 高隔离度
    • 最大限度地提高隔离度,但需要注意的是,永远无法达到 100%
  • 任意端口都可被设置为输入端口、隔离端口或输出端口,且依然能够实现相同的频率输出能力
    • 正交相位差(S参数)

示例模型

如果您想设计一个精确的分支线耦合器,可以借助 COMSOL Multiphysics 以及 “RF 模块”来进行建模。为了帮助您入门,我们在网站的“案例下载”及“RF 模块”的模型库中提供了一个示例模型供您参考(可以在“无源器件”下找到)。

按照模型文件的说明进行操作,就可以计算出S参数,同时还能估算出相差以确认其为 90 度。您还可以分析工作频率内,端口的匹配、隔离及耦合情况。

Branch line coupler ports 分支线耦合器的建模
图像显示了输入功率(红色)被平均分配给两个输出端口(黄色)。隔离端口显示为蓝色

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