功分器定向耦合器和混合环

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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5.2T型接头和微带功分器5.3定向耦合器5.41800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

2、的相位参考面，可以简化上面的矩阵。令，其中α和β是实数，而θ和φ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2π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β的相位选成相等，则散射矩阵形式为（5.17）不对称耦合器（θ=0,φ=π/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

3、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5.2T型接头和微带功分器5.2.1T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.

4、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（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5.8Wilkinson功分器奇-偶模分析图5.9归一化、对称形式

5、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N≧3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5.14N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

6、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5.19N+1孔波导定向耦合器结

7、构5.3.2分支线（90º）耦合器分支耦合器是3dB方向耦合器，在直通和耦合端口有90º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和端3之间分配，这些输出端口之间具有90º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

8、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