忽发奇想——集总参数有源定向耦合器（原创） [复制链接]

前些天做了几个集总参数定向耦合器，效果都不太理想，只能保证20db多一些的隔离度。查阅了一些文献，发现很多文献都认为做到这种水平就已经算不错了。
但问题是20db的隔离度对于电压驻波比的测量是非常不够的，20db的隔离度意味着反射系数的测量误差为10%：即使实际反射系数为零，我们的测量结果可能是1.22；反之，测量结果为零，实际的电压驻波比为1.22。

经过分析，发现主要问题在于变压器的有限电感量。电感量有限导致的幅度误差还好办，但问题是这会导致相位误差，要补偿相位误差就麻烦了，虽然理论上可以用全通网络来补偿，但实在太麻烦……

我突发奇想，发现可以考虑用电阻网络来取样，这样可以避免出现相位误差。为了避免负载阻抗对电阻网络的影响，可以采用电压跟随器隔离，于是就得到了一种有源定向耦合器。
对于这种有源定向耦合器来说，隔离度完全取决于电阻网络的精度。如果电阻网络的综合精度（可以认为这个精度为每个电阻精度除以电阻的数量，实际电阻数量为3）为1%，那么定向耦合器的隔离度可以达到40db。40db的隔离度意味着反射系数的测量误差为1%，或者说当vswr测量结果为1的时候，实际vswr不大于1.02。

我最近不太可能做这个东西，做起来并不复杂，主要问题是需要找高精度电阻，少量的高精度电阻还真不好找。
不知道有没有人对此感兴趣，如果需要我改天把电路图传上来(还没画)。

关于隔离度和测量误差的关系，参见：http://www.hellocq.net/forum/attachment.php?attachmentid=274303
需要特别注意的是，我这里所说的隔离度相当于参考资料里面的方向性，不能与资料中的隔离度混淆

图中：
r1、r2组成一个分压电路，将输入电压降低到一个合适的电压。
r3为检流电阻，a为检流放大器。这个检流放大器类似于一个一起放大器，或者说类似于电源电路中使用的高端检流放大器，它将悬浮的电压变换成一个对地电压。
图中标示为“+1”，“-1”的两个放大器分别是一个电压跟随器和一个反相放大器，这里主要起一个阻抗隔离的作用，防止后面的电路阻抗影响分压比。图上这样画是为了简便，实际上反相器的输入端接到电压跟随器的输出可能更合适。
r5、r6、r7，r8、r9、r10分别和两个反相放大器组成加法电路。两个加法电路的输出就是我们需要的两个定向耦合输出。
r4的作用是和r1、r2、r3一起组成一个Π形网络，保证电路两端的视在阻抗为50Ω。

图中给出的电阻值对应的耦合度为-21db，或者说电阻消耗输入功率的1/125。
对应的插入损耗为0.034db。
隔离度主要取决于电阻的精度。

用户被禁言,该主题自动屏蔽!

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关键是无法解决(克服)变压器电感之间的耦合.这才是隔离度不大于20db的原因

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变压器之间的耦合是可以解决的，可以用金属屏蔽罩。
我这儿给出的方案和一般的集总参数一样，都是利用电流和电压抵消的方法。

对于用变压器耦合的方案，理想变压器本身的感抗为无穷大，且不存在漏感，所以对理想变压器来说，可以做到无穷大的隔离度。
当变压器的电感与电路阻抗可以相比的时候，实际上相当于在电祖上并联了一个感抗，这个感抗不但会导致幅度误差，还必然会导致相位误差。幅度误差其实是很容易补偿的，而如果电流信号和电压信号有相位误差，那么肯定无法通过调整幅度做到100%的抵消。

似乎没有人感兴趣？无论如何，继续发吧。

我前面法的那个原理图，从原理上说是可行的，但实际上那个检流放大器恐怕很难得到——即不太可能找到现成的芯片，自己搭也很难满足性能的要求。因为这个放大器需要在有很大的共模电压，获得一个较小的同频差模信号。

所以，我现在能想得到的方法就是用一变压器解决这个问题。
前面说过，变压器的有限电感量可能严重影响定向耦合器的性能。不过在这儿问题并不是太严重，因为检流电阻的阻抗很低，所以不需要很大的电感量就可以保证误差足够小。
比如，对于频率f=1mhz，r3=0.2Ω。如果变压器电感量为0.2μh，阻抗误差约1.2%，相位误差约0.01°如果变压器电感量为1μh，阻抗误差约0.04%，相位误差约0.02°。

下面给出一个部分电路示意图，图中x，y分别得到检流电阻的压降的一半，并且相位相反。这里电阻r2a、r2b的阻抗实际上是r2的一部分，实际有效的检流电阻值是r2a+r2b//r2。
如果要求不是太高，可以考虑直接将x、y两端的电压分别与分压器获取的电压相加，分别得到正向和反射电压值。
考虑到变压器的分布电容回将电压信号耦合到r2a、r2b上，因此直接采用x、y两端得到的电压会出现误差，假定r2a=r2b，这个误差就是x、y两端的电压差。采用一个差分输入的放大器获得x、y两端的电压差值，则可以避免由此产生的误差。
在实际设计、制作中，可以通过测量x、y两端的电压差值来判断是否需要采用差分输入放大器。

因为引入了变压器，所以在很大程度上变压器的性能决定了这个电路最终所能达到的性能。
前面已经大致分析了变压器绕组电感的影响，需要指出的是：变压器的漏感同样重要。实际上，变压器绕组电感决定了这个电路的频率下限，而变压器的漏感决定了频率上限。

为了尽量减小漏感，我认为最好采用1:1的变压器。变压器的绕组用绞合线或者细同轴电缆来绕制，特别是同轴电缆，我曾经在一份文献上看到过用同轴电缆绕制的变压器耦合度达0.9996。

关于漏感如何影响精度（以及频率上限），将在后面继续讨论。

感兴趣，请楼主继续下文

这个帖子看起来是没多少什么人看了，想来也是，没头没脑的。
过段时间有空了重新来过，从一般的定向耦合器分析开始，说清楚为什么这些定向耦合器无法得到更好的隔离度。

实际上，按照我的方法，我们可以得到一个性能很好，而且基本上不需要调整的定向耦合器！特别是和业余制作。

大概看了一下，是不是把 "電流的方向" 和 "波的行進方向" 混淆了？

[quote=hk大飛]大概看了一下，是不是把 "電流的方向" 和 "波的行進方向" 混淆了？[/quote]
不明白，那儿反了？

不懂，听讲课！

[quote=一异]因为引入了变压器，所以在很大程度上变压器的性能决定了这个电路最终所能达到的性能。
前面已经大致分析了变压器绕组电感的影响，需要指出的是：变压器的漏感同样重要。实际上，变压器绕组电感决定了这个电路的频率下限，而变压器的漏感决定了频率上限。

为了尽量减小漏感，我认为最好采用1:1的变压器。变压器的绕组用绞合线或者细同轴电缆来绕制，特别是同轴电缆，我曾经在一份文献上看到过用同轴电缆绕制的变压器耦合度达0.9996。

关于漏感如何影响精度（以及频率上限），将在后面继续讨论。[/quote]
很好的话题怎么没人顶?

我觉得用电阻这种方法很好

可以实现很宽的带宽

缺点就是会有功率损耗

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我觉得用电阻这种方法很好
可以实现很宽的带宽
缺点就是会有功率损耗

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其实，所有定向耦合器都会消耗功率，消耗的功率多少取决于耦合度。
比如一个-20db的定向耦合器，它将1%的功率从主回路耦合到了耦合器的输出，它必然导致主回路1db（1.0233db）的插入损耗。

原文：比如一个-40db的定向耦合器，它将1%的功率从主回路耦合到了耦合器的输出，它必然导致主回路1db（1.0233db）的插入损耗。

个人认为,性能不在耦合度而是在于方向性,合理的耦合度可以提高测量的精度,不是说耦合度高测量精度就高,也不是说耦合度低测量精度就高,而在于方向性和测量的设备,举个例子,输入0db信号,耦合度为40db,如果你的测量只能达到-60db,那么可以测出这个信号,可是你的测量设备只能测-30db,那么就不能测出从耦合端口出来的-40db信号,因此,合理的耦合度是根据输入功率和测量设备来决定最佳的偶合度,而不是一味追求达到某个标准.另外刚才说了测量的精度在于方向性,有关资料可以在本论坛中找到.
往往我们测量的信号,都是非常小的,比如在设计lna的时候,我们恰恰为了能够测到信号,反而希望耦合度非常小,如果输入-60db的信号,耦合度为-40db,那么检测设备能够拾到-100db,这就非常困难了,而往往-60db已经是比较大了,如果输入信号是-80db呢?要求会更高!

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个人认为,性能不在耦合度而是在于方向性,合理的耦合度可以提高测量的精度,不是说耦合度高测量精度就高,也不是说耦合度低测量精度就高,而在于方向性和测量的设备,举个例子,输入0db信号,耦合度为40db,如果你的测量只能达到-60db,那么可以测出这个信号,可是你的测量设备只能测-30db,那么就不能测出从耦合端口出来的-40db信号,因此,合理的耦合度是根据输入功率和测量设备来决定最佳的偶合度,而不是一味追求达到某个标准.另外刚才说了测量的精度在于方向性,有关资料可以在本论坛中找到.
往往我们测量的信号,都是非常小的,比如在设计lna的时候,我们恰恰为了能够测到信号,反而希望耦合度非常小,如果输入-60db的信号,耦合度为-40db,那么检测设备能够拾到-100db,这就非常困难了,而往往-60db已经是比较大了,如果输入信号是-80db呢?要求会更高!

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你所说的方向性也就是我说的隔离度。你的意见我很赞成，实际上我的意思就是用电阻网络更容易得到好的隔离度（方向性）。
至于耦合度，当然要看要检测的信号功率来设计，我在这儿实际上没怎么讨论这个问题。需要注意的是：耦合度高意味着插入损耗大，意味着对原来的电路工作影响也大。

最近我在找个 2-4g的 耦合器 可惜太难找了

没办法自己参考资料画了一个

过几天送出去做

这个隔离度大概在20db以上

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最近我在找个 2-4g的 耦合器 可惜太难找了
没办法自己参考资料画了一个
过几天送出去做
这个隔离度大概在20db以上

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是自己計算的還是抄圖紙的？

3-section 的，還要做鋸齒平衡奇模和偶模的速度。如果是計算出來的應該不錯。

p.s. 說的"隔離度".....應該是指 directivity 罷。
20db的要求好像不算高，2-4g也只1-octave，最簡單1-section沒有鋸齒的做不到嗎？

[quote=hk大飛]是自己計算的還是抄圖紙的？

3-section 的，還要做鋸齒平衡奇模和偶模的速度。如果是計算出來的應該不錯。

p.s. 說的"隔離度".....應該是指 directivity 罷。
20db的要求好像不算高，2-4g也只1-octave，最簡單1-section沒有鋸齒的做不到嗎？ [/quote]


目前还不会仿真
ads hfss都不会用

http://www.physik.unizh.ch/~avollhar/english.html

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最近我在找个 2-4g的 耦合器 可惜太难找了
没办法自己参考资料画了一个
过几天送出去做
这个隔离度大概在20db以上

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如果效果不错的话，能不能给我一片？
请做出来后，给个测试的结果！期待能早点完成！