功分器定向耦合器和混合环

功分器定向耦合器和混合环第一页，共四十一页，编辑于2023年，星期日图5.1功率分路和合路器第二页，共四十一页，编辑于2023年，星期日5.1功分器、耦合器和混合接头的基本特性5.1.1三端口网络（T型接头）任意三端口网络的散射矩阵有9个独立元件（5.1）一个三端口网络不可能同时满足无损、互易和所有端口匹配的条件。如果这三个条件允许有一个不满足，则在物理上是可能实现的。第三页，共四十一页，编辑于2023年，星期日5.1.2四端口网络（定向耦合器和混合接头）一个各端口匹配的互易四端网络的[S]矩阵形式如下（5.9）在四个端口的三个端口上选择适当的相位参考面，可以简化上面的矩阵。令，其中α和β是实数，而θ和φ是待定相位常数。可推出剩余的相位常数之间的关系为（5.16）第四页，共四十一页，编辑于2023年，星期日如忽略2π的整数倍，通常在实际中出现两种特殊选择：对称耦合器（）具有幅度为β的相位选成相等，则散射矩阵形式为（5.17）不对称耦合器（θ=0,φ=π/2）（5.18）第五页，共四十一页，编辑于2023年，星期日 任何互易的、无损耗的、四端口匹配的网络是一种定向耦合器。定向耦合器的基本原理，如图5.4所示。图5.4两个通用的定向耦合器符号和端口的定义第六页，共四十一页，编辑于2023年，星期日表征定向耦合器性能的三个量：耦合度方向性隔离度耦合度表示输入功率被耦合到输出端的部分。方向性表示耦合器隔离正向和反向波的能力，如同隔离度。三者之间的关系为混合耦合器有两种类型：二分支耦合器魔T混合接头或微带混合环第七页，共四十一页，编辑于2023年，星期日5.2T型接头和微带功分器5.2.1T型接头功分器T型接头功分器是一种简单的三端口网络，它可以用来分配和组合功率，实际上可以用任一种传输线来实现。图5.5表示一些通用的用波导、微带或带状线形式实现的T型接头。这里表示的传输线无损耗，即为无损耗接头。图5.5各种T型接头功分器第八页，共四十一页，编辑于2023年，星期日无损耗分路器图5.5所示的无损T型接头可以全部模型化为三根传输线的接头，如图5.6所示。图5.6无损耗T型接头的传输线模型第九页，共四十一页，编辑于2023年，星期日电阻功分器图5.7是采用集中电阻元件的一种功分器电路，该功分器是一种等功分器（－3dB）。图5.7等分的三端口电阻功分器第十页，共四十一页，编辑于2023年，星期日5.2.2微带功分器（Wilkinson功分器） 微带功分器通常用微带或带线做成，当输出端口匹配时，它具有无损特性，只损耗反射功率。 微带功分器可以进行任意比例的功率分配，这里先考虑等功分（3dB）情况，如图5.8（a）所示，对应的传输线电路如图5.8（b）。可以将它归结为两个简单的电路，在输出端分别用对称和反对称源激励来进行分析。这就是奇、偶模分析技术。图5.8Wilkinson功分器第十一页，共四十一页，编辑于2023年，星期日奇-偶模分析图5.9归一化、对称形式的Wilkinson功分器第十二页，共四十一页，编辑于2023年，星期日第十三页，共四十一页，编辑于2023年，星期日图5.11用于导出S11的微带功分器分析第十四页，共四十一页，编辑于2023年，星期日微带不等分和N路微带功分器微带型功分器也可以做成功率不等分的，微带图形如图5.13所示。图5.13用微带形式实现的功率不等分功分器第十五页，共四十一页，编辑于2023年，星期日微带功分器也可用于实现N路分路器或合路器，如图5.14所示。其缺点是当N≧3时，功分器要求电阻交迭。功分器也可用多极阶梯阻抗变换形式制作，以增加带宽。四节功分器的实际结构表示在图5.15上。图5.14N路等分微带功分器第十六页，共四十一页，编辑于2023年，星期日图5.15用微带形式实现的四节微带功分器第十七页，共四十一页，编辑于2023年，星期日5.3定向耦合器5.3.1波导定向耦合器用波导实现的定向耦合器是最早实现的耦合器，它通常在波导的公用编上用小孔（或小槽）来实现耦合。小孔耦合器（Bathe孔）图5.16两种Bathe孔耦合器第十八页，共四十一页，编辑于2023年，星期日多孔耦合器设计双耦合器的工作原理：如图5.18所示。它是两个平行波导共享一个公共宽壁，两个小孔相隔，而且耦合着两个波导。送入到端口1的波大部分传送到端口2，但有一些功率通过两个孔耦合到上面的波导。5.18双孔定向耦合器工作原理第十九页，共四十一页，编辑于2023年，星期日多孔耦合器：如图5.19所示。两个平行波导间有N+1个等间隔小孔。入射波幅度A自下部波导左边输入，对小孔耦合情况，通过小孔的波的幅度基本上是相同的。图5.19N+1孔波导定向耦合器结构第二十页，共四十一页，编辑于2023年，星期日5.3.2分支线（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。这种类型的耦合器也被称为分支线混合接头，通常用微带或带线形式制作，如图5.21所示。图5.21分支线耦合器结构第二十一页，共四十一页，编辑于2023年，星期日分支线耦合器的基本工作情况如下，当所有端口都匹配时，送入到1端的功率平均地在端2和端3之间分配，这些输出端口之间具有90º相位移，没有功率耦合到端口4。[S]矩阵的形式为第二十二页，共四十一页，编辑于2023年，星期日奇偶模分析图5.22是以归一化形式表示的分支线耦合器简图。图5.22归一化形式分支线耦合器电路第二十三页，共四十一页，编辑于2023年，星期日图5.23分支线耦合器分解为奇模激励和偶模激励第二十四页，共四十一页，编辑于2023年，星期日图5.24三节微带分支线耦合器第二十五页，共四十一页，编辑于2023年，星期日5.3.3耦合线定向耦合器耦合传输线：当两根无屏蔽的传输线紧靠在一起时，由于各根线电磁场的相互作用，线之间可能产生功率耦合。图5.26画出了几种耦合传输线的结构。图5.26各种耦合传输线结构第二十六页，共四十一页，编辑于2023年，星期日耦合线理论图5.26所示耦合线或任何其他三线传输线，可以用图5.27的结构来表示。图5.27三线耦合传输线和它的等效电容网络第二十七页，共四十一页，编辑于2023年，星期日 现在考虑耦合线的两种专门激励情况：偶模－带线上的电流幅度相等，而且方向相同；奇模－带线上的电流幅度相等，但方向相反。这两种情况的电力线如图5.28所示。图5.28耦合线的偶、奇模激励和它的等效电容网络第二十八页，共四十一页，编辑于2023年，星期日对偶模情况，电场相对中心线是对称的，没有电流在两根带线之间流动。这导致了所示的等效电路中C12等效为开路。如果假定两根带线的尺寸和位置一致，任一根线对地的总电容为且偶模的特性阻抗为式中v是线上的传输速度。对奇模情况，电力线相对于中心线是奇对称的，在两带线之间存在有电压零点。可以认为地平面通过C12的中间，得所示的等效电路。任一根带线和地之间的等效电容为而奇模的特性阻抗为（5.63）（5.60）（5.61）（5.62）第二十九页，共四十一页，编辑于2023年，星期日耦合线耦合器的设计 利用前面偶模和奇模特性阻抗的定义，可以将偶-奇模分析法用到一段耦合线上，以获得用于单节耦合线耦合器的设计方程。这段传输线如图5.31所示。图5.31单节耦合线耦合器第三十页，共四十一页，编辑于2023年，星期日单节耦合线耦合器偶模特性阻抗的设计方程为：单节耦合线耦合器奇模特性阻抗的设计方程为：第三十一页，共四十一页，编辑于2023年，星期日多节耦合线耦合器设计多节耦合线耦合器如图5.35所示。图5.35N节耦合线耦合器第三十二页，共四十一页，编辑于2023年，星期日5.3.4Lange耦合器 一般讲，耦合线耦合器的耦合较松，很难做到3dB或6dB耦合度。增加边缘耦合线耦合的一种方法是采用几条线彼此并行，以使得线的两边都产生耦合。实际应用这种概念来实现时，最常见的是如图5.37a所示的Lange耦合器。这里四根耦合线采用相互连接以提供紧耦合。这种耦合器很容易做到3dB耦合度，具有一个或多个倍频程带宽。设计思路是补偿偶模和奇模速度的不等，也改善了带宽。输出线（端口2和3）之间具有90º相位差，以使这种耦合器是一种典型的90º分支耦合器。其主要缺点是在实用上线很窄，而且靠得近，古制作很困难，另外还需要粘接跳线。这种类型的耦合线结构也被称为交指型耦合器，亦能用于滤波电路。第三十三页，共四十一页，编辑于2023年，星期日图3.73Lange耦合器第三十四页，共四十一页，编辑于2023年，星期日5.4180º混合环5.4.1180º混合环 混合接头是一种四端口网络，它的两个输出端口之间具有180º相移，也可以运行在输出同相位状态。图5.40为180º混合接头符号。加到1端口的信号，将被均等地在端口2和3剖分为两个同相分量，端口4降为隔离端口。如输入信号从4端口送入，它将被等分为两根具有180º相位差的分量在端口2和3输出，端口1为隔离端口。当用作功率合成时，将输入信号加在端口2和3，在端口1形成输入信号之和，在端口4形成它们之差。因此端口1和4对应地称为和、差端口。第三十五页，共四十一页，编辑于2023年，星期日图5.40180º混合接头符号理想的3dB、180º混合接头的散射矩阵具有下述形式第三十六页，共四十一页，编辑于2023年，星期日混合接头的制作形式：混合环（或rat-race）：如图5.41和5.42（a）所示图5.41微带混合环第三十七页，共四十一页，编辑于2023年，星期日采用渐变匹配线和耦合线制作的平面180º混合接头：如图5.42（b）所示。第三十八页，共四十一页，编辑于2023年，星期日混合波导接头（魔T）：如图5.42（c）所示第三十九页，共四十一页，编辑于2023年，星期日5.4.2波导魔T接头 首先考虑一个TE10模自端口1入射，Ey力线如图5.46（a）所示。由图可见，