卫星开关技术(2)

卫星开关技术（2）
张 松
一、定向耦合器的技术指标
由于各类定向耦合器的使用情况不同，其要求也各不相同。

为了衡量它们的性能优劣，应规定若干技术
指标。

通常定向耦合器的技术指标有四个。

1、耦合度
P 3之比。

若以分贝为单位，并记为C ，则：
定向耦合器
但实际上由于设计或加工制作的不完善常有极小部分功率P 4从隔离端输出，使隔离度D 不再为无限大。

3、输入驻波比
输入驻波比是指端口（2）（3）（4）均接匹配负载时，输入端（1）的驻波比。

此时若输入端（1）的电 压反射系数为г14、频带宽度
频带宽度是指耦合度、隔离度及输入驻波比都满足指标要求时，定向耦合器的工作频带宽度。

二、平行耦合线定向耦合器
这类定向耦合器的早期形式有平行双线结构和同轴线结构，后来逐步发展为带状线和微带线结构。

平行耦合线定向耦合器时TEM 波传输线定向耦合器的一种主要形式，它具有反向耦合的特点。

1、基本工作原理
平行耦合双线定向耦合器的结构如图1-2（a ）所示，其中（1）-（2）为主线，（3）-（4）为副线。

（ （1）
（3 （a ）平行耦合双线 图1-2接匹配
负载
我们已经知道，平行双线传输线为分布参数系统，为此我们取主副线上的一个微分段dz来讨论主、副线之间的耦合作用，以及这种耦合是如何具有方向性的。

当主线中有交变电流流过时，由于主、副线相互平行靠近，因此在主副线之间将产生互电容和互电感，通过互电容和互电感将把主线中的部分功率耦合到副线中去。

假定主线与副线之间单位长度的互感为Lm，互电容为C m，Z3和Z4分别为副线dz段外接的等效负载，如图1-2（b）所示。

假定主线上电流瞬时值i1增大，那么通过副线的两根线间的磁通就增加。

根据右手法则，增加的磁通的方向是垂直进入纸面的。

由于主线电流的变化，必将在副线中产生感应电动势d eL，它的方向如图1-2（b）所示。

其大小为：deL=L m d Z d i1 / d t
deL在副线中产生的电流流经Z3和Z4的方向是相反的，流经Z3的电流方向为自上而下，流经Z4的电流方向为自下而上。

这就是主、副线间的磁耦合作用。

再看电耦合作用，由于i1与e1二者同相，当i1增大时，e1也增大，通过互感电容的作用，在副线中产生的电流为dic=C m d Z de1/dt
它流入副线的方向如图1-2（b）所示，即从副线的上面一根导线流入，分两路流经Z3和Z4，再汇合由下面一根导线流出，因此由电耦合产生的电流流经Z3和Z4的方向相同。

将磁耦合和电耦合作用合起来，可以看到，流经Z3的两个电流方向相同，而流经Z4的两个电流方向相反。

如果适当选择传输线的尺寸、间距，那么有可能使副线的端口（4）无功率输出，实现端口（4）与端口（1）的理想隔离，而由主线耦合至副线的功率则全部由端口（3）输出。

由于副线输出功率方向与主线上输入功率的传输方向相反，故这种定向耦合器具有反向耦合的特点。

从以上分析可见，平行耦合线定向耦合器的定向性必须是电耦合和磁耦合同时存在时才有可能实现，仅有电耦合或仅有磁耦合都不可能实现定向性。

2、几种结构形式
（1）耦合带状线定向耦合器
耦合带状线定向耦合器的结构如图1-3所示，
（a）横截面图书馆（b）结构示意图
1-3耦合带状线定向耦合器
其中1-3（a）为其横截面图，主副线的中心导体带平行地放置在上下两块接地板之间。

图1-3（b）画出了这种定向耦合器的结构示意图，图中接地板只画出了下面的一块，它是由一节长度为λ/4的耦合带状线组成的。

（2）耦合微带线定向耦合器
耦合微带线定向耦合器的结构如图1-4所示。

它具有平行耦合线定向耦合器的共性，同时也有它自己的特殊性。

分析表明，由于其电感耦合系数大于电容耦合系数，使得其性能受到影响。

因此要提高微带定向耦合器的性能，关键在于增强电容耦合。

改善微带平行耦合器性能的方法有多种。

一是介质覆盖法，如图1-5（a）所示。

在耦合区内带线的上方用介质覆盖，介质材料与基片相同，介质厚度T≈h。

覆盖介质可以使部分填充媒质近似地成为均匀填充媒质，从而提高定向性。

（a）（b）
图1-4耦合微带线定向耦合器
（a）介质覆盖（b）锯齿结构
（c）集总电容补偿（d）交指式结构
图1-5改善微带定向耦合器性能的措施
二是耦合缝采用锯齿形结构，如图1-5（b）所示。

耦合区长度为λ/4的侧边耦合微带的耦合缝两边，微带呈锯齿状，以啬两线之间的耦合电容。

锯齿状结构的尺寸由实验确定。

另一种改进方法是在耦合区的两端接入集总电容加以补偿，如图1-5（c）所示。

采用如图1-5（d）所示的交指型耦合结构，也能使主线与副线之产的耦合电容Cm增大，同时这种结构也较易实现紧耦合。

三、微波功率分配器
在微波系统中，有时需要把一路微波功率按一定比例分成N路输出，具有这种功能的微波元件称为微波功率分配器；而有时恰好相反，需要把N路功率叠加起来从一路输出，具有这种功能的微波元件称为微波功率合成器。

一个设计正确的微波功率分配器，可同时作为微波功率合成器使用。

前面讨论的各种定向耦合器都可以做功率分配器使用，但是它们的结构复杂，成本也较高，在单纯进行功率分配的情况下，用得并不多。

通常采用的功率分配器是T型接头或T型接头的变形。

功率分配器的种类很多，有波导型、同轴线型、带状线及微带线型等。

大功率微波功率分配器采用波导或同轴线结构，中小功率则采用带状线或微带线结构。

根据输出功率的比例，微波功率分配器有等分功率与不等分功率的两类。

当将一路微波功率平均分为N路输出时，称为N路等分功率分配器；反之，称为N路不等分功率分配器。

微波功率分配器多应用于微波天线的馈线中和微波测量仪表中。

1、两路功率分配器
图1-6 是两路功率分配器原理图，它是一个三端网路，其结构较简单。

信号由端口（1）输入（所接传输线的特性阻抗为Z0），分别以特性阻抗为Z02、Z03的两段传输线从端口（2）、（3）输出，负载电阻分别为R2、及R3。

两段传输线在中心频率时电气长度均为Q=π/2，它们之间没有耦合。

两路功率分配器应满足下列条件：
（1）端口（2）与端口（3）的输出功率比可为任意指定值，例如P 2/P 3=1/K 2。

（2）输入端口（1）无反射，即要求输入端口匹配。

（3）端口（2）与端口（3）的输出电压等幅、同相。

由上述条件右确定Z 02、Z 03及R 2、R 3的值。

由于端口（2）、（3）的输出功率 与输出电压的关系为：P 2=U 22/2R 2， P 3=U 2
3/2R 3 由（1）、（3）两条件要求输出功率比为3/R 2 即R 3/R 2=1/K 2， R 2=K 2
R 3 若取R 2=K 2
Z 0则R 3=Z 0/K 由条件（2），要求由Z in2与Z in3并联而成的总输入阻抗等于Z 0；由条件（1）如以输入电阻表示功率比，则可得方程组：
1/ Z in2 +1/ Z in3=1/Z 0 Z in3 /Z in2=P 2/P 3=1/K
2
（1-4）
由于在中心频率处Q=π/2，则Z in2=Z 2
02/R 2=Z 2
02/KZ 0 Z in3= Z 2
03/K 3=KZ 2
03/Z 0 将上二式代入方程组（1-4），则可得
Z 02=Z 0√K （1+K 2
）
Z 03=Z 0√（1+K 2
）/K 3
若已知功分比K ，便可由式（4-4a ）、（4-4b ）和（4-46）求出R 2、R 3、R 02、R 03。

为了使（2）端口和（3）端口相互隔离，可加入隔离电阻 γ 。

若（2）、（3）端口电压相等（V2=V3），显然 γ 上无电流；若（2）（3）端口电压不相等（V2≠V3），假设V2>V3， γ 上有电流，两条路径（一条由（2）端口 γ （3）端口，一条由（2）端口 （1） （3）端口）电流的程差为γ/2。

适当的选取γ的值，可以使两者抵消。

因此接入γ并不会影响功率分配器的性能。

隔离电阻γ的数值，可由两路功率相加器的等效电路分析得到 ：γ=（1+K 2）/K*Z 0
隔离电阻γ通常是用镍铬合金或电阻粉等材料制成的薄膜电阻。

对于等功率分配器，则P 2=P 3，K=1，于是有 R 2=R 3=Z 0
Z 02=Z 03=√2Z 0 γ=2Z 0
当两路功分器工作在中心频率时，它的特性是理想的，但当工作频率偏离中心频率时，它的隔离度和输入驻波比都将变差，故它的工作频带较窄。

二、实用微带两路功率分配器
图1-7所示为一实用微带两路功率分配器。

其输出端口（2）、（3）所霎的负载不是电阻R 1和R 3，而时特性阻抗为Z 0的传输线，因此为要获得指定的功分比，需要在两者之间加入一段λp /4线段，作为阻抗变换器，如图1-7所示。

变换段的特性阻抗分别为Z 04和Z 05，其计算公式为
Z 04 =√R 2Z 0 =√K Z 2
Z 05 =√ R 3Z 0 =Z 0/√K
图1-7微带两路功率分配器
三、N 路功率分配器
图1-8是N 路功率分配器的原理图。

信号功率自端口（1）输入，经N 路传输线后被分成N 路输出，每条传输线的长度均相等，在中心频率时的电气长度均为π/2，但特性阻抗不等，分别为Z 01、Z 02、Z 03…Z 0n ，各路
1-6两路功率分配器原理图
23n 对N 路功率分配器的要求如下：
1）各端口输出功率之比可为任意指定值，即p 2：p 3：p 4……P n =K 2：K 3：K 4……K N 。

2）输入端口（1）无反射。

3）各端口输出电压V 2、V 3……V N 等幅同相。

应用和两路功率分配器相似的方法，可以求得各传输线的特性阻抗为：
………
图1-8 N 路功率分配器原理图 各路输出端所接负载电阻为：
R
2 = R 2 =
………
R 2 =
各端口之间的隔离电阻为：
r 2
=
= R 2
r 3 = = R 3 ………
r N = = R 4。