第六章-定向耦合器Word格式.doc

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在理想情况下，定向耦合器的各端口都是匹配的，即

对于图（6.1-1a）所示的正向定向耦合器，当1口输入时，2口没有输出，因此有

根据无耗网络的矩阵的么正性，有

（6.1-2）

此式表明，该网络的端口3和端口4的输出功率之和等于输入功率，而两个端口输出相位相差900。

由此可以看出，一个互易，无耗，完全对称的四端口网络，可以构成一个理想的900定向耦合器。

这样，正向定向耦合器的散射矩阵变为

（6.1-3）

同理，对于图（6.1-1b）的反向定向耦合器，其散射矩阵为

（6.1-4）

式中与相位上相差900。

定向耦合器的主要技术指标

定向耦合器的技术指标主要有耦合系数，定向性系数和隔离度，下面以正向定向耦合器为例，分别给出它们的定义。

1．耦合系数

耦合系数定义为耦合口的耦合功率输出与输入口的功率输入之比。

对于图（6.1-1a）所示的正向定向耦合器有（用分贝表示）

（6.1-5）

由于定向耦合器的耦合功率总是小于输入功率，因此耦合系数的分贝数总是负值，但在习惯上，人们总是不提及负号，这是在设计定向耦合器时要注意的。

2．定向性系数

在理想情况下，定向耦合器的隔离口是没有输出的，但是实际上由于设计或制造等原因，隔离口是有一定的输出的，这当然是我们在设计定向耦合器时应尽量减小的。

为了表示耦合通道的定向传输性能，通常将耦合口和隔离口输出功率之比的分贝数，定义为定向性系数，对于图（6.1-1a）所示的正向定向耦合器有

（6.1-6）

从定向性系数的定义可以看出，D越大，定向耦合器的反向传输功率越小，定向性越好。

在实际应用中，常对定向耦合器的工作频带内提出一个最低定向性要求，称为最小定向性系数Dmin。

3．隔离度

隔离度的定义为隔离口的反向耦合输出功率与输入口的输入功率之比。

对于图（6.1-1a）的正向定向耦合器，有

（6.1-7）

可以看出，隔离度与定向性以及耦合度的关系是

由于定向性和隔离度同属描述定向耦合器的定向性能的技术指标，故通常在设计定向耦合器时，采用定向性系数，而较少采用隔离度。

由于实现定向耦合器的微波传输线的不同，定向耦合器的设计和分析方法是完全不同的，对于不同结构的定向耦合器的具体分析和设计，将在后续章节中进行讲述。

。

6.2平行耦合线定向耦合器

图（6.2-1）示出一个单节1/4波长平行耦合线定向耦合器，它是由一等宽的平行耦合线节构成，线长在中心频率上是1/4波长，线的各端口都接以匹配负载。

若信号从端口1输入，则电磁波除在1~4的主传输线上传输外，还有一部分电磁能量耦合到2~3的副传输线上。

这种耦合是通过电场和磁场进行的，电场耦合在副传输线上产生对称电场，磁场耦合在副传输线上产生反对称电场，因此，在副传输线的端口2处两种耦合产生的电场相互加强，而在端口3处两种耦合产生的电场相互抵消，在理想情况下，端口2有耦合输出，端口3无输出，故这种定向耦合器是反向定向耦合器。

用几节这样的1/4波长平行耦合线相级联，就构成多节1/4平行耦合线定向耦合器，其性能可以更好，带宽可以更宽。

图6.2-1平行耦合线定向耦合器

6.2.1单节平行耦合线定向耦合器的分析

平行耦合线定向耦合器的分析方法通常采用“偶模奇模法”。

如图（6.2-2）所示。

在只有端口1激励的情况下，可分解为两种对称分量来激励，一种是在端口1和2上用两个大小相等，相位相同的对称电压来激励，称为偶模激励；

另一种是在端口1和2上用大小相等相位相反的反对称电压来激励，成为奇模激励，如图（6.2-2b）和（6.2-2c）所示。

图（a）示出一个对称平行耦合线节，它的中心平面OO‘是个几何对称面，它们的各端口都接以匹配负载Z0。

当端口1用2伏的电压入射波来激励时，其它各端口都匹配，故其他端口没有入射波，只有反射波b1，b2，b3，b4。

图（b）示出在端口1和2都用1伏的电压入射波来激励，即偶模激励，这时对称面OO’是个磁壁，没有电力线穿过它，因此耦合电容相当于开路，故可把它分为两根单传输线来计算。

此单传输线的特性阻抗就是偶模阻抗Z0e，它的电压入射波是=1伏，电压反射波是，电压传输波是。

图（c）示出端口1用1伏的电压入射波来激励，端口2用伏来激励，即奇模激励，这时对称面OO‘是个电壁，它的电位为零，相当于对地短路，也可以把它分成两根单传输线来计算。

此单传输线的特性阻抗就是奇模阻抗Z0o，它的电压入射波是1伏，电压反射波是。

显然图（b）和（c）迭加后就是图（a）的情况，因此有

图6.2-2平行耦合线节的偶模和奇模激励

（6.2-1）

要计算图（6.2-2b）中的和，必须首先写出偶模单根传输线的[A]矩阵为

然后再由此[A]矩阵的参数求得

（6.2-2）

要计算图（c）的奇模单根传输线的和，只须把上式中的换成，即得

（6.2-3）

因此，图（6.2-2a）电路的散射参数是

（6.2-4）

如要此定向耦合器为完全匹配和完全隔离，必须有

由此得

解之得

（6.2-5）

这就是平行耦合线定向耦合器的完全匹配和完全隔离的条件，在此条件下，（6.2-4）中各s参数可简化为

（6.2-6）

在中心频率上，此时电压耦合系数是

（6.2-7）

或

（6.2-8）

而分贝耦合是

（6.2-9）

在设计平行耦合线定向耦合器时，只要给定中心频率上的分贝耦合或电压耦合系数，即可通过上面一系列公式计算出平行耦合线的奇模和偶模阻抗，从而再根据具体的传输线得出相应的微波结构。

将式（6.2-7）代入式（6.2-6）中可得

（6.2-10）

由此可见，和的相位相差900，故平行耦合线定向耦合器是个全波段900定向耦合器。

在中心频率上，，，故端口2的耦合波与输入波同相，端口4的输出波滞后输入波900。

该定向耦合器的分贝耦合是

（6.2-11）

此式表明了这种定向耦合器的分贝耦合与电长度的关系，在中心频率上，耦合最强，偏离中心频率越远，耦合越弱。

因此在设计时，要考虑到适当的余量。

将中心频率上的耦合设计在通带内最强的耦合上（即通带内分贝耦合的上限），这样可以获得最大的带宽。

对于弱耦合的定向耦合器，由于，于是（6.2-11）变为

（6.2-12）

[例6.2-1]设计一个耦合微带线定向耦合器,其中心频率为3GHz，耦合为10分贝。

端接负载为50欧姆.

1．由分贝耦合求耦合微带线的偶模和奇模阻抗，由式（6.2-9）得出

2.由奇模和偶模阻抗求得耦合微带线的结构尺寸，以及奇模和偶模有效介电常数或有效波长，这可通过查有关耦合微带线的设计手册中的曲线或由相关软件计算得出，取微带线介质基片的相对介电常数，基片厚度为1mm，则有

由于偶模和奇模有效波长不同，采用折衷的办法，选择耦合段的长度为

可以看出，耦合微带线的奇模和偶模有效波长是不同的，这就意味着在输出端偶模和奇模的相移是不同的。

由于这个问题的存在，将大大影响耦合微带线定向耦合器的定向性，因此必须在设计中采取适当的措施，如在耦合段加介质片覆盖，以减少偶模和奇模的相移差。

6.3支线定向耦合器

对称支线定向耦合器是由两根平行的主传输线、中间用许多分支线传输相耦合所构成的，分支线的长度及其间距都是中心频率的1/4波导波长，如图6.3-1所示。

这种定向耦合器通常都设计成对称形式，它的左右、上下都是对称的，它的各主支线的特性阻抗，既可各节相同，也可逐节改变；

它的各分支线特性阻抗是逐节而异的，这样，可使定向耦合器的性能调整到最佳。

图6.3-1中各主支线的导抗标以Ki，各分支线的导抗标以Hi，这些Ki和Hi，在并联结构中都是导纳，在串联结构中都是阻抗，故名曰导抗。

这种定向耦合器可以用矩形波导、同轴线、带状线或微带线来实现。

根据不同的传输线结构，分支线定向耦合器可采用串联或并联结构来实现，下面的讨论将以并联结构为主，而对于串联结构，可用对偶定理直接从并联结构的结论导出。

由于篇幅的限制，这里只讨论单节支线定向耦合器的设计，多节支线定向耦合器的设计，可参考有关设计手册。

图6.3-1支线定向耦合器

图6.3-2示出一单节支线定向耦合器。

当电磁波由端口1输入时，在端口3上由两个分支线耦合过来的波，同相相加；

而在端口2上的由两个分支线耦合过来的波，反向相消，故端口3和端口4有耦合输出，端口2没有输出。

因此这种定向耦合器是个同向定向耦合器，两个输出端口相位相差900。

图6.3-2单节支线定向耦合器

在图6.3-2的定向耦合器中，由于该结构以其中心平面为对称，故可以用偶模奇模法来分析，图6.3-3示出偶模和奇模激励时的等效电路。

在偶模激励时，对称面是个磁壁，各分支线在其中点开路，因而可取其一半来计算，在中心频率上，半截分支线的电长度是，它对主支线的输入导纳为，如图6.3-3a所示。

在奇模激励时，对称面是个电壁，各分支线在其中点短路，因而也可取其一半来计算，在中心频率上，半截短路分支线的电长度是，它对主支线的输入导纳为，如图6.3-3b所示。

对于偶模激励的等效电路，其[A]矩阵是

图6.3-3偶模和奇模激励的等效电路

由此求得偶模反射系数和传输系数是

（6.3-1）

对于奇模激励的等效电路，它与偶模电路结构相同，只是变换为，故将（6.3-1）式的变换为，即可得到奇模反射系数和传输系数的表达式是

（6.3-2）

由此，在端口1用1伏电压入射波的激励下，各端口的输出电压反射波是

（6.3-3）

（6.3-4）

（6.3-5）

（6.3-6）

欲使该定向耦合器为完全匹配和完全隔离，必须，因此得出

（6.3-7）

这就是单节支线定向耦合器在中心频率上的完全匹配和完全隔离的条件。

在此条件下，端口3和端口4的输出是

（6.3-8）

由此可见，端口3和端口4的输出相位相差900，端口4落后于端口3，是为900定向耦合器。

如果此定向耦合器是个3分贝定向耦合器，则必须有，于是得出

（6.3-9）

在50欧姆系统中，主支线的特性阻抗为欧姆，分支线的特性阻抗为50欧姆。

6.4混合电桥

混合电桥在微波平衡混频器、平衡放大器中常常用来完成平衡和不平衡输入和输出，通过不同的输入和输出口之间的相位关系来实现一些特定的功能。

混合电桥有各种不同的结构，