功分器定向耦合器和混合環(huán)

1、功分器定向耦合器和混合環(huán)第1頁，共41頁，2022年，5月20日，14點34分，星期一圖5.1 功率分路和合路器第2頁，共41頁，2022年，5月20日，14點34分，星期一5.1 功分器、耦合器和混合接頭的基本特性5.1.1 三端口網絡（T型接頭）任意三端口網絡的散射矩陣有9個獨立元件（5.1） 一個三端口網絡不可能同時滿足無損、互易和所有端口匹配的條件。如果這三個條件允許有一個不滿足，則在物理上是可能實現(xiàn)的。第3頁，共41頁，2022年，5月20日，14點34分，星期一5.1.2 四端口網絡（定向耦合器和混合接頭）一個各端口匹配的互易四端網絡的S矩陣形式如下 （5.9） 在四個端口的三個端

2、口上選擇適當?shù)南辔粎⒖济妫梢院喕厦娴木仃?。令，其中和是實?shù)，而和是待定相位常數(shù)?？赏瞥鍪Ｓ嗟南辔怀?shù)之間的關系為 （5.16） 第4頁，共41頁，2022年，5月20日，14點34分，星期一如忽略2的整數(shù)倍，通常在實際中出現(xiàn)兩種特殊選擇：對稱耦合器（）具有幅度為的相位選成相等，則散射矩陣形式為 （5.17） 不對稱耦合器（ = 0, =/2）（5.18） 第5頁，共41頁，2022年，5月20日，14點34分，星期一任何互易的、無損耗的、四端口匹配的網絡是一種定向耦合器。定向耦合器的基本原理，如圖5.4所示。圖5.4 兩個通用的定向耦合器符號和端口的定義第6頁，共41頁，2022年，5月2

3、0日，14點34分，星期一表征定向耦合器性能的三個量：耦合度 方向性 隔離度 耦合度表示輸入功率被耦合到輸出端的部分。方向性表示耦合器隔離正向和反向波的能力，如同隔離度。三者之間的關系為混合耦合器有兩種類型：二分支耦合器魔T混合接頭或微帶混合環(huán) 第7頁，共41頁，2022年，5月20日，14點34分，星期一5.2 T型接頭和微帶功分器5.2.1 T型接頭功分器T型接頭功分器是一種簡單的三端口網絡，它可以用來分配和組合功率，實際上可以用任一種傳輸線來實現(xiàn)。圖5.5表示一些通用的用波導、微帶或帶狀線形式實現(xiàn)的T型接頭。這里表示的傳輸線無損耗，即為無損耗接頭。圖5.5 各種T型接頭功分器第8頁，共4

4、1頁，2022年，5月20日，14點34分，星期一無損耗分路器圖5.5所示的無損T型接頭可以全部模型化為三根傳輸線的接頭，如圖5.6所示。圖5.6 無損耗T型接頭的傳輸線模型第9頁，共41頁，2022年，5月20日，14點34分，星期一電阻功分器圖5.7是采用集中電阻元件的一種功分器電路，該功分器是一種等功分器（3dB）。圖5.7 等分的三端口電阻功分器第10頁，共41頁，2022年，5月20日，14點34分，星期一5.2.2 微帶功分器（Wilkinson功分器）微帶功分器通常用微帶或帶線做成，當輸出端口匹配時，它具有無損特性，只損耗反射功率。微帶功分器可以進行任意比例的功率分配，這里先考慮

5、等功分（3dB）情況，如圖5.8（a）所示，對應的傳輸線電路如圖5.8（b）?？梢詫⑺鼩w結為兩個簡單的電路，在輸出端分別用對稱和反對稱源激勵來進行分析。這就是奇、偶模分析技術。 圖5.8 Wilkinson功分器第11頁，共41頁，2022年，5月20日，14點34分，星期一奇-偶模分析圖5.9 歸一化、對稱形式的Wilkinson功分器第12頁，共41頁，2022年，5月20日，14點34分，星期一第13頁，共41頁，2022年，5月20日，14點34分，星期一圖5.11 用于導出S11的微帶功分器分析第14頁，共41頁，2022年，5月20日，14點34分，星期一微帶不等分和N路微帶功分器

6、微帶型功分器也可以做成功率不等分的，微帶圖形如圖5.13所示。圖5.13 用微帶形式實現(xiàn)的功率不等分功分器第15頁，共41頁，2022年，5月20日，14點34分，星期一微帶功分器也可用于實現(xiàn)N路分路器或合路器，如圖5.14所示。其缺點是當N3時，功分器要求電阻交迭。功分器也可用多極階梯阻抗變換形式制作，以增加帶寬。四節(jié)功分器的實際結構表示在圖5.15上。圖5.14 N路等分微帶功分器 第16頁，共41頁，2022年，5月20日，14點34分，星期一圖5.15 用微帶形式實現(xiàn)的四節(jié)微帶功分器第17頁，共41頁，2022年，5月20日，14點34分，星期一5.3 定向耦合器5.3.1 波導定向耦

7、合器用波導實現(xiàn)的定向耦合器是最早實現(xiàn)的耦合器，它通常在波導的公用編上用小孔（或小槽）來實現(xiàn)耦合。小孔耦合器（Bathe孔）圖5.16 兩種Bathe孔耦合器第18頁，共41頁，2022年，5月20日，14點34分，星期一多孔耦合器設計雙耦合器的工作原理：如圖5.18所示。它是兩個平行波導共享一個公共寬壁，兩個小孔相隔 ，而且耦合著兩個波導。送入到端口1的波大部分傳送到端口2，但有一些功率通過兩個孔耦合到上面的波導。5.18 雙孔定向耦合器工作原理第19頁，共41頁，2022年，5月20日，14點34分，星期一多孔耦合器：如圖5.19所示。兩個平行波導間有N + 1個等間隔小孔。入射波幅度A自下

8、部波導左邊輸入，對小孔耦合情況，通過小孔的波的幅度基本上是相同的。圖5.19 N + 1孔波導定向耦合器結構第20頁，共41頁，2022年，5月20日，14點34分，星期一5.3.2 分支線（90）耦合器分支耦合器是3dB方向耦合器，在直通和耦合端口有90相位差。這種類型的耦合器也被稱為分支線混合接頭，通常用微帶或帶線形式制作，如圖5.21所示。圖5.21 分支線耦合器結構第21頁，共41頁，2022年，5月20日，14點34分，星期一分支線耦合器的基本工作情況如下，當所有端口都匹配時，送入到1端的功率平均地在端2和端3之間分配，這些輸出端口之間具有90相位移，沒有功率耦合到端口4。S矩陣的形

9、式為第22頁，共41頁，2022年，5月20日，14點34分，星期一奇偶模分析圖5.22是以歸一化形式表示的分支線耦合器簡圖。圖5.22 歸一化形式分支線耦合器電路第23頁，共41頁，2022年，5月20日，14點34分，星期一圖5.23 分支線耦合器分解為奇模激勵和偶模激勵第24頁，共41頁，2022年，5月20日，14點34分，星期一圖5.24 三節(jié)微帶分支線耦合器第25頁，共41頁，2022年，5月20日，14點34分，星期一5.3.3 耦合線定向耦合器耦合傳輸線：當兩根無屏蔽的傳輸線緊靠在一起時，由于各根線電磁場的相互作用，線之間可能產生功率耦合。圖5.26畫出了幾種耦合傳輸線的結構。

10、 圖5.26 各種耦合傳輸線結構第26頁，共41頁，2022年，5月20日，14點34分，星期一耦合線理論圖5.26所示耦合線或任何其他三線傳輸線，可以用圖5.27的結構來表示。圖5.27 三線耦合傳輸線和它的等效電容網絡第27頁，共41頁，2022年，5月20日，14點34分，星期一現(xiàn)在考慮耦合線的兩種專門激勵情況：偶模帶線上的電流幅度相等，而且方向相同；奇模帶線上的電流幅度相等，但方向相反。這兩種情況的電力線如圖5.28所示。圖5.28 耦合線的偶、奇模激勵和它的等效電容網絡第28頁，共41頁，2022年，5月20日，14點34分，星期一對偶模情況，電場相對中心線是對稱的，沒有電流在兩根帶

11、線之間流動。這導致了所示的等效電路中C12等效為開路。如果假定兩根帶線的尺寸和位置一致，任一根線對地的總電容為且偶模的特性阻抗為式中v是線上的傳輸速度。對奇模情況，電力線相對于中心線是奇對稱的，在兩帶線之間存在有電壓零點。可以認為地平面通過C12的中間，得所示的等效電路。任一根帶線和地之間的等效電容為而奇模的特性阻抗為（5.63） （5.60） （5.61） （5.62）第29頁，共41頁，2022年，5月20日，14點34分，星期一耦合線耦合器的設計利用前面偶模和奇模特性阻抗的定義，可以將偶-奇模分析法用到一段耦合線上，以獲得用于單節(jié)耦合線耦合器的設計方程。這段傳輸線如圖5.31所示。圖5.

12、31 單節(jié)耦合線耦合器第30頁，共41頁，2022年，5月20日，14點34分，星期一單節(jié)耦合線耦合器偶模特性阻抗的設計方程為：單節(jié)耦合線耦合器奇模特性阻抗的設計方程為：第31頁，共41頁，2022年，5月20日，14點34分，星期一多節(jié)耦合線耦合器設計多節(jié)耦合線耦合器如圖5.35所示。圖5.35 N節(jié)耦合線耦合器第32頁，共41頁，2022年，5月20日，14點34分，星期一5.3.4 Lange耦合器一般講，耦合線耦合器的耦合較松，很難做到3dB或6dB耦合度。增加邊緣耦合線耦合的一種方法是采用幾條線彼此并行，以使得線的兩邊都產生耦合。實際應用這種概念來實現(xiàn)時，最常見的是如圖5.37a所示

13、的Lange耦合器。這里四根耦合線采用相互連接以提供緊耦合。這種耦合器很容易做到3dB耦合度，具有一個或多個倍頻程帶寬。設計思路是補償偶模和奇模速度的不等，也改善了帶寬。輸出線（端口2和3）之間具有90相位差，以使這種耦合器是一種典型的90分支耦合器。其主要缺點是在實用上線很窄，而且靠得近，古制作很困難，另外還需要粘接跳線。這種類型的耦合線結構也被稱為交指型耦合器，亦能用于濾波電路。第33頁，共41頁，2022年，5月20日，14點34分，星期一圖3.73 Lange耦合器第34頁，共41頁，2022年，5月20日，14點34分，星期一5.4 180混合環(huán)5.4.1 180混合環(huán)混合接頭是一種

14、四端口網絡，它的兩個輸出端口之間具有180相移，也可以運行在輸出同相位狀態(tài)。圖5.40為180混合接頭符號。加到1端口的信號，將被均等地在端口2和3剖分為兩個同相分量，端口4降為隔離端口。如輸入信號從4端口送入，它將被等分為兩根具有180相位差的分量在端口2和3輸出，端口1為隔離端口。當用作功率合成時，將輸入信號加在端口2和3，在端口1形成輸入信號之和，在端口4形成它們之差。因此端口1和4對應地稱為和、差端口。第35頁，共41頁，2022年，5月20日，14點34分，星期一圖5.40 180混合接頭符號理想的3dB、180混合接頭的散射矩陣具有下述形式第36頁，共41頁，2022年，5月20日，14點34分，星期一混合接頭的制作形式：混合環(huán)（或rat-race）：如圖5.41和5.42（a）所示圖5.41 微帶混合環(huán)第37頁，共41頁，2022年，5月20日，14點34分，星期一采用漸變匹配線和耦合線制作的平面180混合接頭：如圖5.42（b）所示。第38頁，共41頁，2022年，5月20日，14點34分，星期一混合波導接頭（魔T）：如圖5.42（c）所示第39頁，共41頁，2022年，5月20日，14點34分，星期一5.4.2 波導魔T接頭首先考慮一個TE10模自端口1入射，Ey力線如圖5.46（a）所示。由圖可見，它相對波導