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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,图5.1 功率分路和合路器,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。,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，
2、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）,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）,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,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
3、混合接头或微带混合环,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 各种T型接头功分器,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,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,5.2.2 微带功分器（Wilki
4、nson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,奇-偶模分析,图5.9 归一化、对称形式的Wilkinson功分器,图5.11 用于导出S11的微带功分器分析,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
5、等分功分器,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,图5.15 用微带形式实现的四节微带功分器,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,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
6、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,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,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。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,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
7、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,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,图5.23 分支线耦合器分解为奇模激励和偶模激励,图5.24 三节微带分支线耦合器,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,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
8、,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,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）,（
9、5.60）,（5.61）,（5.62）,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,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：,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,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，
10、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。,图3.73 Lange耦合器,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18
11、0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。,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,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,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。,混合波导接头（魔T）：如图5.42（c）所示,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。,图5.46 波导魔T混合接头的电力线分布,
