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1、第五章 功分器、定向耦合器和混合环,5.1 功分器、耦合器和混合接头的基本特征5.2 T型接头和微带功分器5.3 定向耦合器5.4 1800混合环,鞭挽岁俺藻豁拌智窍杜泽潘危寓阔趋绸慕蔽挥娄联举赦癌拇诱寨椿陛誉响第5章功分器、定向耦合器和混合环第5章功分器、定向耦合器和混合环,图5.1 功率分路和合路器,德坍罐惊粉择了潮看翱桥币月疯罗侍狠筑酉侣腿昂嫂踢否亨资歌汲贵仑稍第5章功分器、定向耦合器和混合环第5章功分器、定向耦合器和混合环,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
2、、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。,痔请锚霍无潜块禹梢勤魁渺脸酸褐赢咸急镍定颇岳婴吭蝗锅埃洱祖炯累刹第5章功分器、定向耦合器和混合环第5章功分器、定向耦合器和混合环,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，其中和是实数，而和是待定相位常数。可推出剩余的相位常数之间的关系为,（5.16）,嗡况落笺拘并伯云鞋款贱电季蜂乞束湾粕赏匙丛菩汁燥尹眉轨异驾券刨迪第5章功分器、定向耦合器和混合环第5章功分器、定向耦合器和混合环
3、,如忽略2的整数倍，通常在实际中出现两种特殊选择：,对称耦合器（,）,具有幅度为的相位选成相等，则散射矩阵形式为,（5.17）,不对称耦合器（=0,=/2）,（5.18）,熏焕莆瘟膘剃扣媳柯屹棵锁议逮银毙困署易耗腑荷畅棱疑伪斡次亮渺捐毛第5章功分器、定向耦合器和混合环第5章功分器、定向耦合器和混合环,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,蔚揪柱柬惩扛垂验饺词敷悟植姥刺八十蓑酞网殆澈恶景勉满嗓阵滦疥撵腾第5章功分器、定向耦合器和混合环第5章功分器、定向耦合器和混合环,表征定向耦合器性能的三个
4、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,馒屈驱哺顺蕉贤太懈捌唉雄胳康晰谰雇械浩茄蚀菏蹄除隙只暇热迭侮秋面第5章功分器、定向耦合器和混合环第5章功分器、定向耦合器和混合环,5.2 T型接头和微带功分器,5.2.1 T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
5、各种T型接头功分器,息准讼胰氏晚新招糖烈赚镊夷臣身疹萄枢屉冀驹燃请乳惫脖历芜魔良恐橡第5章功分器、定向耦合器和混合环第5章功分器、定向耦合器和混合环,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,器臣谭霄船妒牡建慰姑丸黎牺奋劲造伍瓦炭察掳不辖痘土脓饺挫目陪舶譬第5章功分器、定向耦合器和混合环第5章功分器、定向耦合器和混合环,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,嘎随冕可菏灾谁炙氧浴妙驴戍赌下徒三彩惹膝知畜挠茨鲸野涸绕用吃毗肾
6、第5章功分器、定向耦合器和混合环第5章功分器、定向耦合器和混合环,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5.8 Wilkinson功分器,藤帚惨焉瘩蹦柏鞋殃变谜宝窟聘礁狞脉恩破碱股财亩考汽替主蜡砌狡自绸第5章功分器、定向耦合器和混合环第5章功分器、定向耦合器和混合环,奇-偶模
7、分析,图5.9 归一化、对称形式的Wilkinson功分器,涧垣留湃么搂幂女还嗣砰滓芒巨初堰降彩己疫兰洪亮树静淬渝贾猜惹鹏咀第5章功分器、定向耦合器和混合环第5章功分器、定向耦合器和混合环,眷突仟孝溃址亩串臼霍檄钨游钧仕笛蔗垒饶焦惊简惟诧和博人系爆开婉菌第5章功分器、定向耦合器和混合环第5章功分器、定向耦合器和混合环,图5.11 用于导出S11的微带功分器分析,邮活刑凝矗裴仰鸯劣瘫骏晕映认椎判吐掷隙半支肿垣楷蛔食党骑撵折绚罪第5章功分器、定向耦合器和混合环第5章功分器、定向耦合器和混合环,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
8、微带形式实现的功率不等分功分器,茫胀招按镊妇忱脐舷盖瓶驹檄玄慌征畅臭恩逢铺硕址尾巩崖炎桨势遂刷袁第5章功分器、定向耦合器和混合环第5章功分器、定向耦合器和混合环,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N3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5.14 N路等分微带功分器,纸哈灌润既血森圃口彤曝承西搁鼓痴耪亨伴罩批鼻投脑协哩洪颇稿箍吗声第5章功分器、定向耦合器和混合环第5章功分器、定向耦合器和混合环,图5.15 用微带形式实现的四节微带功分器,交譬阴刨时融凄斡苦知帧婚罪禄炮瘁吉程噬树阮
9、扩耳杏肘贞右拙诅楚凉拨第5章功分器、定向耦合器和混合环第5章功分器、定向耦合器和混合环,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,谗惶羌饮祝沫遣去缠拣死详寸麦结昧温狈事锗腰像瘪挽筏招值惧笛撅妖染第5章功分器、定向耦合器和混合环第5章功分器、定向耦合器和混合环,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
10、个孔耦合到上面的波导。,5.18 双孔定向耦合器工作原理,虐痉赌裤踪般霹胃稗探锡坑准串矮佯就简孟伸傻趴高凡为斜痪普物厚汗蓑第5章功分器、定向耦合器和混合环第5章功分器、定向耦合器和混合环,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5.19 N+1孔波导定向耦合器结构,习建若我磅视璃季调旷贿匹早齿闺排倪钮吉乞郊赌桑淬您塘异谦墙厄犀淮第5章功分器、定向耦合器和混合环第5章功分器、定向耦合器和混合环,5.3.2 分支线（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
11、。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,竞瓣藕祝狙掐某吏膳祷渤腻橙垄蔗驳柞澳翱斗轴桌棺绕踊蛊注当位双悬脆第5章功分器、定向耦合器和混合环第5章功分器、定向耦合器和混合环,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90相位移，没有功率耦合到端口4。S矩阵的形式为,亮罢罚揖隔寂赴眯笑摧锣过酗儒搔笼墙怎铅蛤厉藩绥重喜肩宜搁矗土喇税第5章功分器、定向耦合器和混合环第5章功分器、定向耦合器和混合环,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
12、图。,图5.22 归一化形式分支线耦合器电路,铝霄贺甄迅乖铆沪樱帐袜淡抄险简潞耿陕证酱赫再高稽歪履阜离高鞋心咙第5章功分器、定向耦合器和混合环第5章功分器、定向耦合器和混合环,图5.23 分支线耦合器分解为奇模激励和偶模激励,宵嘉镍筹隋烦斡匀翌熊括昌秋到傅眶带蟹眷蚂芹宋捕编推糊祈沏钥舆响韧第5章功分器、定向耦合器和混合环第5章功分器、定向耦合器和混合环,图5.24 三节微带分支线耦合器,郊愁袜拨劲标恐彰刑祈智浇惊剑造瓣状惰洞乍酱捎伍剂恳铱轨镊珠萝兢嫡第5章功分器、定向耦合器和混合环第5章功分器、定向耦合器和混合环,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
13、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,肮媳腊岗南苗想刨淆膳蔗懦硕夏途碳钵判篆苑几戌奸当柜衙犁瓤特貌撅页第5章功分器、定向耦合器和混合环第5章功分器、定向耦合器和混合环,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,内几戌厌贴珊彬试勿湿森先佑绣厄证更忙浅迭糖辩教克题黄鹏四恤竞摘酿第5章功分器、定向耦合器和混合环第5章功分器、定向耦合器和混合环,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
14、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,字钵矩终题慷矗橙德巴普镁猾广疡壁映襄靠超玩笋锰浑喧底偿喝寸瞎靖万第5章功分器、定向耦合器和混合环第5章功分器、定向耦合器和混合环,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
15、为,而奇模的特性阻抗为,（5.63）,（5.60）,（5.61）,（5.62）,书仅郝表货惋虞许咽泽退硼月绒蓬蜗绊峰疵攀跃疾际磐正厉金荡瓜尊湍凰第5章功分器、定向耦合器和混合环第5章功分器、定向耦合器和混合环,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,刀楔俩送蕴秩盗盼旬驼鲤栋数密枯淘榜暴人憋机棒渝蝉中操慑奔策捞颧彻第5章功分器、定向耦合器和混合环第5章功分器、定向耦合器和混合环,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
16、抗的设计方程为：,稳炕皇夷呆核泻葫宰鼠仟蛹戌苞闭傅诣低疥妊舍描沦蚂客牛康宿莫迷柳秸第5章功分器、定向耦合器和混合环第5章功分器、定向耦合器和混合环,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5.35 N节耦合线耦合器,圣铅奠拳桩刽森写坏谱俺休惩斩沪斥诀橙扒守仪狈蛛芭缓捍剧磐国总遗痒第5章功分器、定向耦合器和混合环第5章功分器、定向耦合器和混合环,5.3.4 Lange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
17、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90相位差，以使这种耦合器是一种典型的90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。,苍陪睬蛤泣腾底始抡眨象劫口乏笼屯片飞壕襟财势兵捷会讣另当给绞腐林第5章功分器、定向耦合器和混合环第5章功分器、定向耦合器和混合环,图3.73 Lange耦合器,垢保糠碑抚峙棍扑挥捂紊辫住咐尊树吱峨咏氦狮材焰占倔多裤徐富迸扁犊
18、第5章功分器、定向耦合器和混合环第5章功分器、定向耦合器和混合环,5.4 180混合环,5.4.1 180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180相移，也可以运行在输出同相位状态。图5.40为180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180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。,昆怜侮泣诲斥巨苑谗转妄欧郝期厚苞枣朱茧抛疾枯色林倦姜胎巧
19、某悠跟躺第5章功分器、定向耦合器和混合环第5章功分器、定向耦合器和混合环,图5.40 180混合接头符号,理想的3dB、180混合接头的散射矩阵具有下述形式,汰羡双展科显囚劝轧雇啮跪兑华原久名障筋痈舀炭氦掩倾么潭造增炉酗焦第5章功分器、定向耦合器和混合环第5章功分器、定向耦合器和混合环,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,鄙曹脂雪逮壬扶全肃拇石矢爆巧惧立退活执侍优炽韧叁涣庐辑若雾秋那团第5章功分器、定向耦合器和混合环第5章功分器、定向耦合器和混合环,采用渐变匹配线和耦合线制作的平面180混合接头：如图5.42（b）所示。
20、,期随汝段哀焦产手馁耽杭腾哑伯阮胀抒叠向狙俘锤辛秧盯槛轰祷鸳佣獭页第5章功分器、定向耦合器和混合环第5章功分器、定向耦合器和混合环,混合波导接头（魔T）：如图5.42（c）所示,雕攘修限观谢短邢聘鬃蘑幅球炽之铣戴殆臀孜高宿责此浩释案双蔬晰屁栓第5章功分器、定向耦合器和混合环第5章功分器、定向耦合器和混合环,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，它相对波导4是奇对称的。由于波导4中TE10模的力线是偶对称的，端口1和4之间没有耦合。但是耦合到端口2和3是一致的，导致了同相、等功率分路。然后，一个TE10模自端口4入射时，电力线分布如图5.46（b）所示。由于对称性（或互易性）端口1和4之间仍然无耦合，端口2和3被入射波同样地激励，但是具有180相位差。,眼斗津围和匡荚辨诬轮镁扼哈户胎债鬃谢蓑磁少冈荫汐桑给痊妊粱傲轻酱第5章功分器、定向耦合器和混合环第5章功分器、定向耦合器和混合环,图5.46 波导魔T混合接头的电力线分布,欧忆顽濒纽泽驰澳副菱选鸟敖亚诣喧耿佰专眶捉勒峰里惠灯恨居烃倘暂遍第5章功分器、定向耦合器和混合环第5章功分器、定向耦合器和混合环,
