微帶功分器耦合器設(shè)計(jì)

1、1微帶功分器、耦合器設(shè)計(jì)2微帶功分器可以進(jìn)行任意比例的功率分配，下面只考慮等功分（3dB）情況，見圖5-36a，其對(duì)應(yīng)的傳輸線電路示于圖5-36b，我們將它歸結(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5-36Wilkinson功分器31奇偶模分析為簡(jiǎn)化起見，將所有阻抗對(duì)特性阻抗Z0歸一化，且重新繪出圖5-36（b）的電路，輸出端具有的信號(hào)源如圖5-37。該網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)于中間平面是對(duì)稱的，兩個(gè)歸一化值為2的源電阻并聯(lián)組合，以歸一化值為1的電阻代表匹配源阻抗。/4線具有的歸一化特性阻抗為z，并聯(lián)電阻具有歸一化值為r；可以證明對(duì)等分功分器，這些值應(yīng)為和r=2

2、，如圖5-36所示。圖5-37歸一化、對(duì)稱形式的Wilkinson功分器2z現(xiàn)在對(duì)圖5-37的電路定義兩個(gè)獨(dú)立的激勵(lì)模式：偶模Vg2=Vg3=2V，奇偶Vg2=Vg3=2V。然后，將這兩種模式相疊加，其有效激勵(lì)為Vg2=4V，Vg3=0，由此，可獲得此網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)。下面我們分別討論這兩種模式。4（1）偶模對(duì)偶模激勵(lì)，Vg2=Vg3=2V，所以V2=V3，沒(méi)有電流流過(guò)r/2電阻或端口1兩根傳輸線入口之間短接。因此，我們可將圖5-37的網(wǎng)絡(luò)對(duì)分，在這些點(diǎn)具有開路終端，以得出圖5-38（a）的電路（/4線的接地邊沒(méi)有示出）。這時(shí)，從端口2看入得到的阻抗為：Z0=Z2/2因而，從傳輸線看上去，如同一個(gè)

3、/4變換器。因此，如果z=2，端口2是匹配的，全部功率將到接在端口1的負(fù)載。為了求S參量S12，需要電壓V1，它可由傳輸線方程求得。如讓端口2處x=0，端口1處x=/4則線上電壓可寫為在端口1處看向歸一化值為2的電阻上的反射系數(shù)為和因此，由對(duì)稱性，我們亦有S33=0和S13=j0.707 VVVVeeVxVxjxj210 1/114/1jVjVVV2222211jVV 707. 02/2112jjVVS圖5-38圖5-37電路的切開5（2）奇模奇模激勵(lì)時(shí)，Vg2=Vg3=2V，所以V2=V3，在圖5-37電路的中間有電壓零點(diǎn)。因此，我們可以用一個(gè)接地平面來(lái)切開此電路，給出圖5-38（b）的網(wǎng)絡(luò)

4、。向端口2看去的阻抗為r/2。由于平行連接傳輸線長(zhǎng)為/4，而且在端口1處短路，所以看上去在端口2為開路點(diǎn)。因此，沒(méi)有功率送到端口1。這樣，總結(jié)一下，我們已導(dǎo)出下列S參量：圖5-38圖5-37電路的切開S22=S23=0（因?qū)煞N模式激勵(lì)時(shí)，端口2和3都是匹配的）；S12=S21=0.707（因互易網(wǎng)絡(luò)的對(duì)稱性）；S13=S31=0.707（因互易網(wǎng)絡(luò)的對(duì)稱性）；S23=S32=0（因等分上為短路或開路）。這最后結(jié)果意味著端口2和3之間是隔離的。6最后，我們還必須導(dǎo)出S11，用來(lái)確定當(dāng)端口2和3為匹配負(fù)載時(shí)，微帶功分器在端口1的輸入阻抗。最后結(jié)果如圖5-39（a）所示，從圖上可見它與偶模激勵(lì)V2

5、=V3時(shí)情況類似。因此，沒(méi)有電流流過(guò)歸一化值為2的電阻，它可以取走，剩下的電路如圖5-39（b）所示?，F(xiàn)在，有兩個(gè)/4波長(zhǎng)變換器的并聯(lián)連接，終端接在歸一化負(fù)載上。故輸入阻抗為而S11=0。注意：當(dāng)功分器在端口1激勵(lì)，且負(fù)載匹配時(shí)，電阻上沒(méi)有功率損耗。因此，當(dāng)輸出匹配時(shí)，功分器是無(wú)損耗的；只有從端口2和3來(lái)的反射功率消耗在那電阻上。圖5-39用于導(dǎo)出S11的微帶功分器分析12/22inZ7設(shè)計(jì)一個(gè)頻率為f0、用于50系統(tǒng)阻抗的等分微帶功分器，并且繪出回波損耗S11、插入損耗（S21=S31）和隔離度（S23=S32）與頻率（從0.5f0到1.5f0-）的關(guān)系曲線。解：由圖5-36和上述的推導(dǎo)，功

6、分器中的/4傳輸線應(yīng)具有的特性阻抗為并聯(lián)電阻為R=2Z0=100在頻率f0傳輸線長(zhǎng)為/4。采用微波電路分析中的機(jī)輔設(shè)計(jì)程序，可算出S參量幅度，并且繪在圖5-40上。圖5-40等分微帶功分器的頻響圖5-41用微帶形式的功率不等分功分器7 .7020ZZ82功率不等分和N路微帶功分器微帶型功分器亦可做成功率不等分的，微帶圖形如圖5-41所示，如端口2和3之間的功率比為K=P3/P2，則可應(yīng)用下列設(shè)計(jì)方程：如K=1，則上述結(jié)果歸結(jié)為等分情況。另外還見到，輸出線被匹配到阻抗R2=Z0K和R3=Z0/K，而不是阻抗Z0，可用阻抗變換器來(lái)變換這些輸出阻抗。2003202320031/1KKZZKZKKZZ

7、KKZR/109微帶功分器亦可用于實(shí)現(xiàn)N路分路器或合成器，如圖5-42所示。這電路可使所有端口匹配，且使所有端口隔離。但是，缺點(diǎn)是當(dāng)N3時(shí)，功分器要求電阻交迭。這導(dǎo)致較難以用平面形式制作。功分器亦可用多級(jí)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5-43上。圖5-42N路等分微帶功分器圖5-43用微帶形式實(shí)現(xiàn)的四節(jié)微帶功分器10混合環(huán)（Hgbrids）和耦合器（couplers）是微波電路中常用的無(wú)源器件，把電路元件直接連起來(lái)即可構(gòu)成混合環(huán)，而耦合器一般由靠得很近的傳輸線構(gòu)成，它們一般有四個(gè)端口，且每一端口為匹配負(fù)載端接，也就是說(shuō)在給定頻率范圍內(nèi)，端口的反射是很小的，反射系

8、數(shù)一般小于0.1。圖5-44微波混合環(huán)與耦合器（a）分支線混合環(huán)；（b）集總參數(shù)分支混合環(huán)；（c）定向耦合器；（d）3dBlange耦合器11混合環(huán)或耦合器可看成四端口網(wǎng)絡(luò)。四個(gè)端口是輸入端口、直通端口、耦合端口與隔離端口。設(shè)P1是由匹配源饋入端口1功率，P2、P3、P4分別在端口2、3、4可得到的功率，描述該端口的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)主要有四個(gè)：耦合系數(shù)（dB）方向性（dB）隔離度（dB）通過(guò)功率（dB）混合環(huán)跟耦合器的性能由耦合系數(shù)、方向性以及負(fù)載特性決定。通常隔離端口接匹配負(fù)載。1243InputDirectIsolatedCoupled31log10PPC 43log10PPD CDPPI41lo

9、g1012log10PPT 圖5-4512ABDC/4y01=1y02=1/R/4y0=by0=by0=a1y0=a2y04=1y03=1/R對(duì)稱平面(1)(2)(4)(3)（a）/4/8/81b1/Ra1a2AB（d）/4/8/81b1/Ra1a2AB（e）（b）開路（c）短路圖2-46微帶雙分支定向耦合器13對(duì)于3dB耦合器，并聯(lián)臂和串聯(lián)臂的阻抗分別為Z0、Z0/，Z0是輸入端和輸出端特征阻抗。所以串聯(lián)臂微帶線導(dǎo)帶寬度比并聯(lián)臂寬，如圖5-47a。微帶雙分支定向耦合器也可作成圓形結(jié)構(gòu)，叫做環(huán)形分支電橋，如圖5-47b。從1臂輸入功率平分到左右兩個(gè)分支，它們到4臂路徑相差半個(gè)波長(zhǎng)，即/2，相位

10、相反，故4臂沒(méi)有輸出，為隔離臂。從1臂到2臂、3臂功率相等，但路徑相差/4，因而有90相位差。方形分支電橋、環(huán)形分支電橋、在混頻器電路中應(yīng)用甚廣。圖5-47（a）方形分支電橋；（b）圓形分支電橋214平行耦合線耦合器（見圖5-48）具有對(duì)稱性，對(duì)稱面上電流=0，電壓最大，相當(dāng)于開路，稱為偶對(duì)稱，另一種分布，對(duì)稱面上電壓=0，電流最大，相當(dāng)于短路，稱為奇對(duì)稱。耦合線上任何場(chǎng)分布都可看成奇模與偶模場(chǎng)分布的組合。基于奇、偶模分析可得到耦合線結(jié)構(gòu)3dB定向耦合器的設(shè)計(jì)方程。圖5-48集中電容補(bǔ)償微帶耦合器15對(duì)于準(zhǔn)TEM模，輸入匹配條件為以及耦合器的耦合系數(shù)及方向性都是頻率的函數(shù)式中下標(biāo)e、o表示屬于

11、偶模和奇模的量。e、o是偶模和奇模的傳播常數(shù)。當(dāng)方向性達(dá)到最佳。因此從方向性考慮，希望奇模與偶模具有相同的相速。為此在耦合兩端并聯(lián)電容C1、C2，對(duì)偶模并聯(lián)電容不起作用，對(duì)奇模相移有影響，其增加的相移o為式中f0是耦合器中心頻率。oeeooeooeeZZZZZZZ002100000sinsinsinsin902221lreoreeoe sincos1sin2jCjCC412Dooe2211ooeeoeoeeZZZZ00oooooZZZZ00 Doelog ,oZCCf021002圖5-48集中電容補(bǔ)償微帶耦合器16圖5-44(d)所示3dB交叉指lange耦合器。端口2和3輸出相功率相等，但有90相移，其特點(diǎn)是頻帶寬，有關(guān)設(shè)計(jì)公式為C是電壓耦合系數(shù)，R為阻抗比，Z為歸一化奇模阻抗，R、Z與耦合系數(shù)C關(guān)系見圖5-49，N為導(dǎo)體數(shù)，一般為4，Z0e、Z0o表示偶模、奇模阻抗，Z0為端口阻抗，當(dāng)N=2， ，當(dāng)N2時(shí)，這個(gè)關(guān)系不成立。交叉指耦合器的耦合段有兩個(gè)短指和長(zhǎng)指，短指長(zhǎng)度取工作頻段內(nèi)最高