功分器定向耦合器和混合環(huán)

功分器定向耦合器和混合環(huán)第一頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D5.1功率分路和合路器第二頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日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(wǎng)絡(luò)（T型接頭）任意三端口網(wǎng)絡(luò)的散射矩陣有9個(gè)獨(dú)立元件（5.1）一個(gè)三端口網(wǎng)絡(luò)不可能同時(shí)滿足無(wú)損、互易和所有端口匹配的條件。如果這三個(gè)條件允許有一個(gè)不滿足，則在物理上是可能實(shí)現(xiàn)的。第三頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日5.1.2四端口網(wǎng)絡(luò)（定向耦合器和混合接頭）一個(gè)各端口匹配的互易四端網(wǎng)絡(luò)的[S]矩陣形式如下（5.9）在四個(gè)端口的三個(gè)端口上選擇適當(dāng)?shù)南辔粎⒖济?，可以?jiǎn)化上面的矩陣。令，其中α和β是實(shí)數(shù)，而θ和φ是待定相位常數(shù)。可推出剩余的相位常數(shù)之間的關(guān)系為（5.16）第四頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日如忽略2π的整數(shù)倍，通常在實(shí)際中出現(xiàn)兩種特殊選擇：對(duì)稱耦合器（）具有幅度為β的相位選成相等，則散射矩陣形式為（5.17）不對(duì)稱耦合器（θ=0,φ=π/2）（5.18）第五頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日 任何互易的、無(wú)損耗的、四端口匹配的網(wǎng)絡(luò)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(gè)通用的定向耦合器符號(hào)和端口的定義第六頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日表征定向耦合器性能的三個(gè)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(guān)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)第七頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日5.2T型接頭和微帶功分器5.2.1T型接頭功分器T型接頭功分器是一種簡(jiǎn)單的三端口網(wǎng)絡(luò)，它可以用來(lái)分配和組合功率，實(shí)際上可以用任一種傳輸線來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖5.5表示一些通用的用波導(dǎo)、微帶或帶狀線形式實(shí)現(xiàn)的T型接頭。這里表示的傳輸線無(wú)損耗，即為無(wú)損耗接頭。圖5.5各種T型接頭功分器第八頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日無(wú)損耗分路器圖5.5所示的無(wú)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(wú)損耗T型接頭的傳輸線模型第九頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日電阻功分器圖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十頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日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(dāng)輸出端口匹配時(shí)，它具有無(wú)損特性，只損耗反射功率。 微帶功分器可以進(jìn)行任意比例的功率分配，這里先考慮等功分（3dB）情況，如圖5.8（a）所示，對(duì)應(yīng)的傳輸線電路如圖5.8（b）?？梢詫⑺鼩w結(jié)為兩個(gè)簡(jiǎn)單的電路，在輸出端分別用對(duì)稱和反對(duì)稱源激勵(lì)來(lái)進(jìn)行分析。這就是奇、偶模分析技術(shù)。圖5.8Wilkinson功分器第十一頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日奇-偶模分析圖5.9歸一化、對(duì)稱形式的Wilkinson功分器第十二頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日第十三頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D5.11用于導(dǎo)出S11的微帶功分器分析第十四頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日微帶不等分和N路微帶功分器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(shí)現(xiàn)的功率不等分功分器第十五頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日微帶功分器也可用于實(shí)現(xiàn)N路分路器或合路器，如圖5.14所示。其缺點(diǎn)是當(dāng)N≧3時(shí)，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(shí)際結(jié)構(gòu)表示在圖5.15上。圖5.14N路等分微帶功分器第十六頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D5.15用微帶形式實(shí)現(xiàn)的四節(jié)微帶功分器第十七頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日5.3定向耦合器5.3.1波導(dǎo)定向耦合器用波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)的定向耦合器是最早實(shí)現(xiàn)的耦合器，它通常在波導(dǎo)的公用編上用小孔（或小槽）來(lái)實(shí)現(xiàn)耦合。小孔耦合器（Bathe孔）圖5.16兩種Bathe孔耦合器第十八頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日多孔耦合器設(shè)計(jì)雙耦合器的工作原理：如圖5.18所示。它是兩個(gè)平行波導(dǎo)共享一個(gè)公共寬壁，兩個(gè)小孔相隔，而且耦合著兩個(gè)波導(dǎo)。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(guò)兩個(gè)孔耦合到上面的波導(dǎo)。5.18雙孔定向耦合器工作原理第十九頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日多孔耦合器：如圖5.19所示。兩個(gè)平行波導(dǎo)間有N+1個(gè)等間隔小孔。入射波幅度A自下部波導(dǎo)左邊輸入，對(duì)小孔耦合情況，通過(guò)小孔的波的幅度基本上是相同的。圖5.19N+1孔波導(dǎo)定向耦合器結(jié)構(gòu)第二十頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日5.3.2分支線（90o）耦合器分支耦合器是3dB方向耦合器，在直通和耦合端口有90o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(jié)構(gòu)第二十一頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日分支線耦合器的基本工作情況如下，當(dāng)所有端口都匹配時(shí)，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90o相位移，沒有功率耦合到端口4。[S]矩陣的形式為第二十二頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日奇偶模分析圖5.22是以歸一化形式表示的分支線耦合器簡(jiǎn)圖。圖5.22歸一化形式分支線耦合器電路第二十三頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D5.23分支線耦合器分解為奇模激勵(lì)和偶模激勵(lì)第二十四頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D5.24三節(jié)微帶分支線耦合器第二十五頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日5.3.3耦合線定向耦合器耦合傳輸線：當(dāng)兩根無(wú)屏蔽的傳輸線緊靠在一起時(shí)，由于各根線電磁場(chǎng)的相互作用，線之間可能產(chǎn)生功率耦合。圖5.26畫出了幾種耦合傳輸線的結(jié)構(gòu)。圖5.26各種耦合傳輸線結(jié)構(gòu)第二十六頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日耦合線理論圖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(jié)構(gòu)來(lái)表示。圖5.27三線耦合傳輸線和它的等效電容網(wǎng)絡(luò)第二十七頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日 現(xiàn)在考慮耦合線的兩種專門激勵(lì)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(lì)和它的等效電容網(wǎng)絡(luò)第二十八頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日對(duì)偶模情況，電場(chǎng)相對(duì)中心線是對(duì)稱的，沒有電流在兩根帶線之間流動(dòng)。這導(dǎo)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(duì)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(duì)奇模情況，電力線相對(duì)于中心線是奇對(duì)稱的，在兩帶線之間存在有電壓零點(diǎn)?？梢哉J(rèn)為地平面通過(guò)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）第二十九頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日耦合線耦合器的設(shè)計(jì) 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(shè)計(jì)方程。這段傳輸線如圖5.31所示。圖5.31單節(jié)耦合線耦合器第三十頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日單節(jié)耦合線耦合器偶模特性阻抗的設(shè)計(jì)方程為：?jiǎn)喂?jié)耦合線耦合器奇模特性阻抗的設(shè)計(jì)方程為：第三十一頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日多節(jié)耦合線耦合器設(shè)計(jì)多節(jié)耦合線耦合器如圖5.35所示。圖5.35N節(jié)耦合線耦合器第三十二頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日5.3.4Lange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(chǎn)生耦合。實(shí)際應(yīng)用這種概念來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)，最常見的是如圖5.37a所示的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(gè)或多個(gè)倍頻程帶寬。設(shè)計(jì)思路是補(bǔ)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90o相位差，以使這種耦合器是一種典型的90o分支耦合器。其主要缺點(diǎn)是在實(shí)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(jié)構(gòu)也被稱為交指型耦合器，亦能用于濾波電路。第三十三頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D3.73Lange耦合器第三十四頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日5.4180o混合環(huán)5.4.1180o混合環(huán) 混合接頭是一種四端口網(wǎng)絡(luò)，它的兩個(gè)輸出端口之間具有180o相移，也可以運(yùn)行在輸出同相位狀態(tài)。圖5.40為180o混合接頭符號(hào)。加到1端口的信號(hào)，將被均等地在端口2和3剖分為兩個(gè)同相分量，端口4降為隔離端口。如輸入信號(hào)從4端口送入，它將被等分為兩根具有180o相位差的分量在端口2和3輸出，端口1為隔離端口。當(dāng)用作功率合成時(shí)，將輸入信號(hào)加在端口2和3，在端口1形成輸入信號(hào)之和，在端口4形成它們之差。因此端口1和4對(duì)應(yīng)地稱為和、差端口。第三十五頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D5.40180o混合接頭符號(hào)理想的3dB、180o混合接頭的散射矩陣具有下述形式第三十六頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日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)第三十七頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日采用漸變匹配線和耦合線制作的平面180o混合接頭：如圖5.42（b）所示。第三十八頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日混合波導(dǎo)接頭（魔T）：如圖5.42（c）所示第三十九頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日5.4.2波導(dǎo)魔T接頭 首先考慮一個(gè)TE10模自端口1入射，Ey力線如圖5.46（a）所示。由圖可見，