波导十字耦合器文档格式.docx

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引 

言

定向耦合器的种类和形式很多，结构上差异较大，工作原理也不尽相同，因此可以从不同的角度对其进行分类。

其中根据传输线的类型来分类有：

波导型、同轴线型、带状线与微带线型等；

若按耦合方式或者耦合输入的相位分类等，还可分成很多类型的定向耦合器，此处便不一一列举。

波导十字耦合器属于波导型的，众所周知,在微波系统的设计中,常需要低过渡衰减的紧凑的波导定向藕合器,而不需要很高的方向性,“+”字型槽交叉波导定向藕合器具有结构紧凑、方向性高、频带宽、过渡衰减几为恒定等优点。

但其过度衰减也大，导致在实际应用中较难利用。

1 

定向耦合器的基本理论

1.1技术指标

如图2-1所示，1、2为主线，3、4为辅线。

信号由1端口输入，输入功率1P，2为直通端，输出功率2P，3为耦合端，输出功率3P，4为隔离端，在理想情况应该没有输出，但实际是有一小部分功率耦合的这个端口的，输出功率4P。

（1）耦合度（过渡衰减）C

定义为输入端的输入功率P1与耦合输出端的输出功P3之比，通常用分贝表示， 

（2）方向性D

定义方向性为辅传输线中耦合端和隔离端输出功率之比的分贝数，即

对定向耦合器来说方向性越高越好，上式表明D越大，耦合器的反向传输功率就越小，方向性就越好。

理想情况下，P4=0，D趋于无穷。

在实际应用中，我们一般对定向耦合器提出一个最低的方向性要求，称为最小方向性系数minD。

（3）隔离度I

图2-1所示的耦合器示意图中，由1端口输入功率时，端口4在理想情况下应该没有输出，因此称之为隔离端口，但是实际上仍有一小部分功率耦合到隔离端口。

通常我们将输入端口的输入功率P1跟隔离端口的输出功率P4之比的分贝数定义为隔离度，即

从以上三个指标的公式中可以看出，隔离度与方向性、耦合度的关系为

方向性和隔离度都是描述定向耦合器定向性能的指标，由于方向性就等于隔离度减去耦合度，通常我们只说方向性，而很少说隔离度。

（4）输入驻波比（VSWR）

定义在除了输入端口之外的其他端口均接匹配负载的情况下，在输入端口测量到的驻波比即为定向耦合器的输入驻波比。

因为此时网络输入端的反射系数即为网络的散射参量S11。

所以

（5）工作频带宽度

能够满足定向耦合器各项技术指标的频率范围即为工作频带宽度，简称带宽。

通常情况下一节定向耦合器的带宽是比较窄的，而多节定向耦合器通过级联可以大大加宽带宽。

定向耦合器的节数还要由允许的插入损耗、要求的体积范围以及对带宽的要求而定。

1.2定向耦合器的网络分析

定向耦合器因其种类不同分析方法也有所不同，比如波导定向耦合器采用耦合波理论分析，分支线定向耦合器采用奇偶模分析方法等。

但是定向耦合器都是四端口网络，因此可以采用网络理论来分析，从而得到定向耦合器的一般特性[19]。

定向耦合器的S参数矩阵为

因为网络是互易的，所以有Sij=Sji，即S^T=S，如果该网络关于xx'

和yy'

面对称，则有

如果该网络是无耗网络，那么要满足“幺正性”，即

，其中，

为S的转置矩阵；

为

的共轭矩阵。

若该网络的各个端口都已完全匹配的话，则

，因此，对于具有无损耗的、互易的、完全匹配而又对称的四端口网络，我们可以将其S参数矩阵简化为

根据S矩阵的一元性可以得到

由上式可以推出，S12、S13、S14中必须有一个为零，因此可以说明该四端口网络必定具有方向性。

综上我们可以得到这样一个性质：

只要是一个四端口网络，并且具有互易无耗，完全匹配和对称的性质，就能够设计成一个理想的定向耦合器。

1 

我们首先假设S14=0，那么这个四端口网络就是一个正向的定向耦合器。

那么式就可以简化为

（2-10）

将

代入上式可得

即

（2-11）

式（2-10）表明，该四端口网络的2端口和3端口的输出功率之和等于1端口的输入功率，由式（2-11）可以看出两个输出端的输出电压波相位相差了90度。

那么可以得到一个90度定向耦合器的散射矩阵为

假设S13=0，则该四端口网络构成一个反向定向耦合器，那么其网络参数就可以简化为

（2-12）说明，该四端口网络的输出端口2和隔离端口4的输出功率的总和刚好等于该网络输入1端口的输入功率，两个输出端口的输出电压波相位也相差90度，所以，理想的90度反向定向耦合器的散射矩阵为

（2-14）

1.3波导场理论分析（此处略去，读者可自行参考有关书籍）

2 

波导十字耦合器的分析

波导型十字缝定向耦合器由相互垂直的主波导和副波导构成，公共壁为宽壁，耦合装置是十字形缝隙，器件如下图所示：

由于主波导和副波导的功率传输方向相互垂直，它是一种垂直耦合器。

2.1波导十字耦合器的工作原理

TE10波中的圆极化磁场

TE10波有两个磁场分量，分别是：

由圆极化的定义，要求两个磁场分量存在90度相位差，且两个方向的磁场绝对值相等。

前者显然满足，后者则导出如下关系：

解得：

由此，得到TE10波场结构的又一重要特征，即

在x1、x2处，TE10波的磁场是旋向相反的圆极化磁场。

旋向的规律是，以TE10波的传播方向为参考（即视线沿其传播方向），使大拇指垂直进入纸面，x1处的旋向正好满足左手螺旋关系，成为左圆极化磁场；

x2处的旋向正好满足右手螺旋关系，称为右圆极化磁场。

工作原理

用上图解如下：

若主线中TE10波的传播方向向下，则十字缝位于视线左边，故十字缝处为左圆极化磁场（逆时针方向）。

耦合到副线后，十字缝处仍然应为左圆极化磁场。

假设副线中TE10波的传播方向向左。

这时十字缝位于右边，按照旋向判断法，十字缝处为右圆极化磁场。

这与要求的极化旋向矛盾，因此假设错误。

再假设副线中TE10波的传播方向向右，这时，由于十字缝位于视线的左边，故十字缝处为左圆极化磁场。

这与要求的极化旋向一致，因此副线的正方向应该向右。

副线正方向的简易判断方法

综合主线中TE10波的传播方向、十字缝的位置的各种情况，可得到副线正方向的简易判断方法，即过十字缝做对角线，再使主线输入信号在到达十字缝之前弯曲90度，若能与对角线相交，则该方向就是副线的正方向，如下图所示：

2.2波导十字耦合器的耦合度

关于十字耦合器的耦合度虽有很多文献给出了计算表达式，可是各表达式却不尽相同，对于单十字槽而言主要表现在对磁极化率的计算上。

有关公式请读者参考文献[1][2][3][4][5]。

从文献[1][2][3][4][5]中我们看出个表达式因为在对磁极化率的计算上不同而导致耦合度磁极化率的取值不同而在理论计算上相差很大。

在实际应用中为了增强耦合度，常采用双十字槽耦合方式。

如下图所示：

图1

在计算耦合度时,为了提高计算精确度,必须将颇率和波导壁厚的因素考虑进去。

这在许多文献中都作了分析和研究.然而壁厚等影响的程度,在算法上同磁极率一样,也有不一致之处。

有关公式请读者自行参考文献[6][7][8]。

3 

双十字槽孔定向耦合器

双十字孔定向耦合器如图1所示，，其主、辅波导轴正交，两十字槽孔的中心均位于对角线上。

双十字槽孔定向耦合器的优点是具有理想的方向性，且基本上与频率无关，耦合度的频率特性也比较好，同时结构紧凑，连接方便，故在微波通信机中经常采用。

耦合度大是单十字槽孔定向耦合器的缺点，为减少耦合度，实际上是采用双十字槽孔的，这样耦合度就可减少6dB。

4 

结论

在对波导十字耦合器的分析中我们可以发现，虽然结构紧凑、方向性高、频带宽、过渡衰减几为恒定等优点。

因此我们在实际应用中一般选用双十字槽孔定向耦合器取代单十字槽孔，一次来获得较小的耦合度。

此外还有使用2^N射线“星”型槽交叉波导定向耦合器的，这种耦合器它具有十字型槽交叉波导定向耦合器的优点,而且其过渡衰减又可视需要选择得足够低。

读者可自行参考文献[12]进行了解。

参考文献

[1]范树理著,《微波元件及测量》,人民教育出版社,1961.9

[2]顾茂章、张克潜著,《微波技术》,清华大学出版社,1989.2.

[3]周冠杰、林守远等译校,《波导元件机械公差手册》,机械电子工业部第14研究所,199.0

[4]马宁全编,《微波技术基础》,中国广播电视出版社,1989.4。

[5]顾瑞龙、沈民谊著,《微波技术与天线》,国防工业出版社,1980.6。

[6]李嗣范著,《微波元件原理与设计》,人民邮电出版社,1982.

[7]吴明英、毛秀华著,《微波技术》,西北电讯工程学院出版社,1985.6.

[8]吴万春、粱昌洪著,《微波网络及其应用》,国防工业出版社,1980.7.

[9]王新稳、李延平、李萍，《微波技术与天线》，电子工业出版社，2013.3

[10]傅文斌、董文峰、杨春山，《微波技术与天线》，机械工业出版社，2013，8

[11]张志良，关于十字槽波导定向祸合器祸合度的讨论，现代雷达，1992.8

[12]吴宏雄，2^N射线“星”型槽交叉波导定向祸合器的分

[13]宋大伟，波导定向耦合器的设计研究，电子科技大学硕士学位论文，2013.6