新型平面定向耦合器件的工程分析

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1、1绪论硕．卜论文按输出相位可分为：90度定向耦合器和180度定向耦合器等。按耦合强弱可分为：强耦合、中等耦合和弱耦合等。另外定向耦合还有几种不同的结构方式。下图给出了几种定向耦合器的结构示意图，其中图(a)为微带分支定向耦合器，图(b)为波导单孔定向耦合器，图(C)为平行耦合线定向耦合器，图(d)为波导匹配双T，图(e)为波导多孔定向耦合器，图(f)为微带混合环。1．2本文的主要工作(6)(1)兰==未====型(2)()===：====：皇()㈣㈣祭㈣图1．1几种耦合器结构(4)(厂)本文对以

2、上几种传统耦合器重新进行了研究，并在此基础上提出了一些创新。(1)五端口新型耦合器的工程设计首先对传统的混合环进行了较为深入的研究，利用在混合环上增加附加端口的方法[3]，使差分端口响应降低，达到了增加带宽提高隔离度的目的。本文设计了五端口新型耦合器，并进行了实验测试，验证了设计思路的正确性。(2)基于CPW和槽线的新型MaigcT的工程设计对MagicT进行了一定的研究，从原理上对MaigcT进行了较系统的阐述，基于平面MaigcT的理论[4]，利用槽线和CPW设计出具有较低损耗、较宽带宽和高

3、隔离度的平面MaigcT。并对仿真结果进行了工程验证和测试，对结果进行了深入分析，最后得出了有关新型平面MagicT的一些新的结论。(3)基于“左右手复合材料[5]”的新型平行线耦合器的工程实现首先介绍了左右手复合材料的基本理论，发展及应用，结合常规的平行线耦合器理，硕上论文新型平面定向耦合器件的工程研究论[6]，研究和设计了具有左右手混合结构的可调节“平行线耦合。设计中加入了变容二极管，并对其耦合度的可调谐性进行了一定的仿真分析研究。2具有附加端口的甲面混合环的工程设计硕十论文2具有附加端口的

4、平面混合环的工程设计2．1混合环简介混合环是微波工程技术人员比较熟悉的一种定向耦合器。这种微波器件是用TEM模或准TEM模传输线制作的，其特性与波导MagicT十分相似。这种器件和所有TEM模传输线器件一样，其早期结构都是用同轴线制作的，后来才逐渐有了带状线及微带线的各种结构形式。最早的混合环通常称为基本混合环，其中尤以3dB混合环(鼠道混合环[7])应用最广。由于这种混合环的工作频带受到限制，从五十年代到八十年代，许多人先后研制了频带宽度可达倍频程的各种倒相混合环，以及带宽接近倒相混合环的改进

5、型基本混合环。七十年代术，文献还报道了一种具有多倍频程带宽的宽带混合环。几十年来，混合环作为一类重要的微波器件在微波工程领域已经获得广泛的应用。2．1．1基本混合环原理基本混合环的结构形式如图2．1所示。它由三节长为四分之一中心波长、一节长为四分之三中心波长的传输线段组成的环形电路和与之相连的四条输出臂构成。图中Zn、Z1、Z’均为归一化特征阻抗。4P2图2．1微带基本混合环结构图P3硕士论文新型平面定向耦合器件的工程研究若按图中虚线选取对称面，可用奇偶模分析法[8]进行分析。图2．2给出了基本

6、混合环的奇偶模等效电路。假定传输线是无耗的，且线的尺寸远小于工作波长，则边缘效应，结效应均可忽略不计。当1臂输入单位幅度信号时，可以导出四个输出臂出现的信号矢量幅度分别为：卜％-q奇模等效电路偶模等效电路图2．2混合环的奇模偶模等效电路4=幕1Z2亿·，(2．2)(2．3)(2．4)由(1)，(4)式可知，1臂无反射的条件是4=0，即专哼卅∞5，因4=0，故3臂是隔离臂。4和A4同相，均落后于输入信号90。，且2、4两臂5南羔，嘲一(穹南2具有附加端U的、F面混合环的下程设计硕十论文的功率分配比

7、为昱／只=1-412IA412=Z12／Z22(2．6)如果将2臂换作输入臂，其无反射条件仍然是(2．5)式。这时，4臂成了隔离臂，l、3两臂的功率分配比也是Z12／Z22，只是两种输出信号相差180。，由此可见，混合环的任何一臂作为输入臂时．其相对臂必定是隔离臂，而相邻两臂的功率分配完全受控于环形电路的特征阻抗Zl和Z2，且两臂的输出信号不是同相就是反相。从(2．5)，(2．6)两式还可看出，若Zi=Z：则有Z1=Z2=42(2．7)忍=e4(2．8)这就是鼠道混合环的情形。这时，环形电路的特

8、征阻抗是均匀的，且为支臂传输线特征阻抗的√2倍；当任何一臂作为输入臂时，两相邻臂的输出信号不是等幅同相就是等幅反相。当信号从P1(P4)输入时信号将从P2、P4(P1、P3)等幅同相输出。当信号从P2(P3)输入时信号将从P1、P3(P2、P4)等幅反相输出，也就是说当信号从P2、P4(P1、P3)同相输入时，信号将在P1(P3)进行叠加，同理当信号从P1、P3(P2、P4)同相输入时，信号将在P2(P4)进行抵消，所以P1、P4称为和端口，所以P2、P3称为差端口。2．1．2基本混合环设计根据