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，共四十一頁，編輯于2023年，星期日圖5.1功率分路和合路器第二頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日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個獨立元件（5.1）一個三端口網(wǎng)絡(luò)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。第三頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日5.1.2四端口網(wǎng)絡(luò)（定向耦合器和混合接頭）一個各端口匹配的互易四端網(wǎng)絡(luò)的[S]矩陣形式如下（5.9）在四個端口的三個端口上選擇適當(dāng)?shù)南辔粎⒖济?，可以簡化上面的矩陣。令，其中α和β是實?shù)，而θ和φ是待定相位常數(shù)?？赏瞥鍪Ｓ嗟南辔怀?shù)之間的關(guān)系為（5.16）第四頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日如忽略2π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β的相位選成相等，則散射矩陣形式為（5.17）不對稱耦合器（θ=0,φ=π/2）（5.18）第五頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日 任何互易的、無損耗的、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5.4兩個通用的定向耦合器符號和端口的定義第六頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日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(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，共四十一頁，編輯于2023年，星期日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單的三端口網(wǎng)絡(luò)，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(dǎo)、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型接頭功分器第八頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日無損耗分路器圖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九頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日電阻功分器圖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，共四十一頁，編輯于2023年，星期日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，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，這里先考慮等功分（3dB）情況，如圖5.8（a）所示，對應(yīng)的傳輸線電路如圖5.8（b）?？梢詫⑺鼩w結(jié)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(shù)。圖5.8Wilkinson功分器第十一頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日奇-偶模分析圖5.9歸一化、對稱形式的Wilkinson功分器第十二頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日第十三頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日圖5.11用于導(dǎo)出S11的微帶功分器分析第十四頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日微帶不等分和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用微帶形式實現(xiàn)的功率不等分功分器第十五頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日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(dāng)N≧3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(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，共四十一頁，編輯于2023年，星期日圖5.15用微帶形式實現(xiàn)的四節(jié)微帶功分器第十七頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日5.3定向耦合器5.3.1波導(dǎo)定向耦合器用波導(dǎo)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(dǎo)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孔耦合器第十八頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日多孔耦合器設(shè)計雙耦合器的工作原理：如圖5.18所示。它是兩個平行波導(dǎo)共享一個公共寬壁，兩個小孔相隔，而且耦合著兩個波導(dǎo)。送入到端口1的波大部分傳送到端口2，但有一些功率通過兩個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，共四十一頁，編輯于2023年，星期日多孔耦合器：如圖5.19所示。兩個平行波導(dǎo)間有N+1個等間隔小孔。入射波幅度A自下部波導(dǎo)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5.19N+1孔波導(dǎo)定向耦合器結(jié)構(gòu)第二十頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日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，共四十一頁，編輯于2023年，星期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，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，共四十一頁，編輯于2023年，星期日奇偶模分析圖5.22是以歸一化形式表示的分支線耦合器簡圖。圖5.22歸一化形式分支線耦合器電路第二十三頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日圖5.23分支線耦合器分解為奇模激勵和偶模激勵第二十四頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日圖5.24三節(jié)微帶分支線耦合器第二十五頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日5.3.3耦合線定向耦合器耦合傳輸線：當(dāng)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(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，共四十一頁，編輯于2023年，星期日耦合線理論圖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，共四十一頁，編輯于2023年，星期日 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(wǎng)絡(luò)第二十八頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日對偶模情況，電場相對中心線是對稱的，沒有電流在兩根帶線之間流動。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?？梢哉J(rèn)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）第二十九頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日耦合線耦合器的設(shè)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(shè)計方程。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，共四十一頁，編輯于2023年，星期日單節(jié)耦合線耦合器偶模特性阻抗的設(shè)計方程為：單節(jié)耦合線耦合器奇模特性阻抗的設(shè)計方程為：第三十一頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日多節(jié)耦合線耦合器設(shè)計多節(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，共四十一頁，編輯于2023年，星期日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。實際應(yīng)用這種概念來實現(xiàn)時，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，具有一個或多個倍頻程帶寬。設(shè)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(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，共四十一頁，編輯于2023年，星期日圖3.73Lange耦合器第三十四頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日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)，它的兩個輸出端口之間具有180o相移，也可以運行在輸出同相位狀態(tài)。圖5.40為180o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，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(yīng)地稱為和、差端口。第三十五頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日圖5.40180o混合接頭符號理想的3dB、180o混合接頭的散射矩陣具有下述形式第三十六頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期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，共四十一頁，編輯于2023年，星期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，共四十一頁，編輯于2023年，星期日混合波導(dǎo)接頭（魔T）：如圖5.42（c）所示第三十九頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日5.4.2波導(dǎo)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，