第6章 定向耦合器

按传输线类型
按耦合方式
波导
同轴线
带状线
微带线
单孔耦合
多孔耦合
连续耦合
平行线耦合
输出方向百度文库
输出相位
按耦合强弱
同向耦合
反向耦合
90度定向
180度定向
强耦合
中等耦合
弱耦合
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第六章 定向耦合器
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。
S11 S [ S ] 12 S13 S14
S 12 S 11 S 13 S 14
S 13 S 13 S 33 0
S 14 S 0 S 44
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第六章 定向耦合器
对于普通的双T接头，由于连接处结构突变，即使双T各臂均接匹配负 载，接头处也会产生反射，为了消除反射，通常在接头处加入匹配元 件(如螺钉、膜片或锥体等)，就可以得到匹配的双T，它具有下列重要 性质：
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第六章 定向耦合器
由于定向耦合器是一个可逆四端口网络，因此耦合度又可表示
U 2 2 1 1 i1 C 10 lg 20 lg 20 lg S31U i1 2 S31 S13
由此可见耦合度的分贝数愈大耦合愈弱。
(dB)
通常把耦合度为0~10dB的定向耦合器称为强耦合定向耦合器； 把耦合度为10~20dB的定向耦合器称为中等耦合定向耦合器；
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第六章 定向耦合器
Ae Be 归一化转移参量 [ Ae ] C D e e a2 R b j R (b a1a2 b)
j b R a1 b R
U r1e U i1e S11e
U r 2e
1 ( Ae De ) ( Be Ce ) U r 4e 2 Ae Be Ce De
3）确定（a1，a2，b）
1 U r1 U r1e U r1o (S11e S11o ) U r 2 U r 2e U r 2o 2 1 U r 4 U r 4e U r 4o (S11e S11o ) U r 3 U r 3e U r 3o 2
R 2 Ui1e S21e R U r 3e 2 Ae Be Ce De
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第六章 定向耦合器
2）奇模情况：U i1o
1 2 , U i 4o 1 2 U rno ?
转移参量 [ Ao ] [ A 1 ][ A2 ][ A 3]
0 0 j bY01 1 1 jbY ja Y ja Y 1 0 1 01 01 2 01 a2 b j bY01 jY ( b a a b ) a b 1 2 1 01
1 2 , U i 4e 1 2 U rne ?
1）偶模情况： U i1e
转移参量[ Ae ] [ A 1 ][ A2 ][ A 3]
0 0 j bY01 1 1 jbY ja Y ja Y 1 0 01 1 01 2 01 a2 b j bY01 jY ( b a a b ) a b 1 2 1 01
P4
(dB)
在理想情况下，隔离端应无输出功率，即P4=0，此时隔离度为无限大。 但实际上由于设计或加工制作的不完善，常有极小部分功率从隔离端输 出，使隔离度不再为无限大。 有时用方向性 (dB)来表示耦合器的隔离性能，它是耦合端输出功率P3与 隔离端的输出功率P4之比。也可用散射参量来表示方向性，即
1.前提条件：仅从1口输入电压，设Ui1＝1v，其他各口均接匹配负载
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第六章 定向耦合器
2.奇偶模等效法分析设计有关参数
U i1 1 Ui4 U rn
1 1 U i1e U i1o 2 2 1 1 0 ( ) U i 4e U i 4o 2 2 U rne U rno
U r1o U i1o S11o
U r 2o
奇偶模网络参量关系
1 ( Ao Do ) ( Bo Co ) U r 4o 2 Ao Bo Co Do
R 2 Ui1o S21o R U r 3o 2 Ao Bo Co Do
R 10C 10
R 2b 2 .....................................(2) 2 2 1 a2 R
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第六章 定向耦合器
联立得
C 10 a1 10 1 a2 a1 R 1 2
b
1 a12 R
注：设计双分支定向耦合器尺寸方法
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第六章 定向耦合器
对于波导的T 形接头，我们把主波导的两臂分别称为 1和2端口，分 支臂称为 3 端口。分析波导的 T 形接头的工作特性，可利用波导中 TE10 模的电场分布来分析。 E-T 接头和 H-T 接头中 TE10 模的电场分布 分别如图所示。
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第六章 定向耦合器
E-T接头具有下列特性： (1) 当信号从3端口输入时，则1和2端口有等幅反相输出，用散射参量表示 则有： S13 = -S23； (2)由于1和2端口在结构上对称，故有：S11 = S22； (3)当信号由1和2端口等幅同相输入时，3端口无输出，此时对称面为电场 的波腹点；反过来，当信号由1和2端口等幅反相输入时，3端口输出最 大，此时对称面为电场的波节点。 H-T接头具有下列特性： (1)当信号从3端口输入时，则1和2端口有等幅同相相输出，用散射参量 表示则有： S13 = S23； (2)由于1和2端口在结构上对称，故有：S11 = S22； (3)当信号由1和2端口等幅同相输入时，3端口输出最大，此时，3端口对 称面处为电场波腹点；反之，当信号由1和2端口等幅反相输入时，3端口 无输出，3端口对称面处为电场波节点。
波导型分支定向耦合器是由E-T分支构成，根据E-T分支的性质，分 支线是串联在主线上的，因此是串联结构；而同轴型、带状型和微带型 分支是与主线相并联的，因此是并联结构。
上图表示微带型双分支定向耦合器的结构示意图，它可等效为一个四端 13 口网络。它是一个对称、可逆、无耗的四端口网络。
第六章 定向耦合器
把耦合度大于20dB的定向耦合器称为弱耦合定向耦合器。
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第六章 定向耦合器
(二）隔离度D 隔离度D定义为输入端的输入功率P1与隔离端的输出功率P4之比的分贝数， 即 P D 10 lg 1 (dB) 若用散射参量来描述，则有
U 2 2 i1 20 lg 1 D 10 lg 2 S41U S41 i1
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第六章 定向耦合器
二、 普通波导双T和波导匹配双T
将具有共同对称面的E-T接头 和H-T接头组合起来，即构成普 通双T接头，如右图所示。
④
S14 S24 ( ET ) S13 S23 ( HT ) S34 S43 0
③
双T接头可等效为一个可逆无耗四端口网络，其散射参量矩 阵为
(1) 匹配特性：在理想情况下，它的四个端口是完全匹配的，只要1和2 端口能调到匹配，3和4端口一定匹配，即S11=S22=S33=S44=0 ；
(2) 隔离特性：当3和4端口具有隔离特性时，即S34=S43=0，则1和2端口 也具有隔离特性，即S12=S21=0；
(3) 平分特性：当信号由3端口输入时，则同相等分给1和2端口，即S13 = S23 ；当信号由 4 端口输入时，反相等分给 1 和2 端口，即S14 = －S24； 当信号由 1 端口输入时，则同相等分给 3 和 4 端口，即 S31 = S41 ；当信号 由 2 端口输入时，则反相等分给 3 和 4 端口，即 S32 = -S42 。故匹配双 T 的 散射参量矩阵为 0 0 1 1
R (S21e S21o ) 2 R (S21e S21o ) 2
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第六章 定向耦合器
U r1 0 S11e S11o =0 U r 4 0 S11e S11o =0
Ae De Ao Do Be Ce Bo Co
a2 R a1 R(b2 a1a2 ) 1
Rb 2 1 a12 .......................(1)
Pi1 R 2 C 10 10 lg U R 10 又由 C 10 lg r3 2 Pr 3 Ur3 R 2ba2 jbR R 2b 2 2 U r 3 R ( Ae Be ) Ur3 2 2 1 a2 R 1 a2 2 R 2
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第六章 定向耦合器
三. 定向耦合器的技术指标 定向耦合器一般属于四端口网 ① 络，它有输入端、直通端、耦 合端和隔离端，分别对应右图 ④ 所示的1、2、3和4端口。
② 定向耦合器 ③
定向耦合器的主要技术指标有耦合度、隔离度(或方向性)、输入 驻波比和工作带宽。 (一) 耦合度C 耦合度 C 定义为输入端的输入功率 P1 与耦合端的输出功率 P3 之比 的分贝数，即 P C 10 lg 1 （dB) P3
第六章 定向耦合器
6-1 概述
一. 功 能 1. 耦合传输性
设电磁波从1口输入，除一部分从2口直接输出，另一部分能量 从3口输出——功率分配特性
2. 隔离性 1口输入的电磁能量从2口和3口输出，从4口无输出——定向耦 合性
① 定向耦合器 ④ ③
1
②
第六章 定向耦合器
二.分类 定向耦合器的种类很多。
S S P D 10lg 3 10lg 31 2 20lg 31 D C P4 S41 S41
2
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第六章 定向耦合器
(三） 输入驻波比 将定向耦合器除输入端外，其余各端均接上匹配负载时，输入端的 驻波比即为定向耦合器的输入驻波比。此时，网络输入端的反射系 数即为网络的散射参量S11，故有
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Ao Bo 归一化转移参量 [ Ao ] C D o o a2 R b j R (b a1a2 b)
j b R a1 b R
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第六章 定向耦合器
Ae Ao , Be Bo , Ce Co , De Do
（一）双分支定向耦合器的工作原理
这种定向耦合器是通过两个耦合波的路程差引起的相位差来达到定向 的。 1.耦合性 当信号由1端口输入时，经过A点分ABC和ADC两路到达C点， 由于两路路程相同，故两路在C点同相相加，使3端口有输出； 2.隔离性 1端口的输入信号经过A点分AD和ABCD两路到达D点，由于两 路的路程差为p0/2，即相位差为，故两路信号在D点相抵消，使4端口 无输出。 （二)双分支定向耦合器的特性分析

（四） 频带宽度
1 S11 1 S11
频带宽度是指耦合度、隔离度 ( 或方向性 ) 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，简称工作带宽。
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第六章 定向耦合器
6-2 波导匹配双T
一、波导匹配双T的构成 矩形波导的T形接头有E-T接头和H-T接头两种，如图所示。其中E-T 接头的分支波导宽面与主波导中TE10模的电场所在平面平行；H-T接头 的分支波导的宽面与主波导中TE10模的磁场所在的平面平行。
1 0 0 1 1 [S ] 2 1 1 0 0 1 1 0 0
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第六章 定向耦合器
6－3 分支定向耦合器
分支定向耦合器是由两根平行的主传输线和若干耦合分支线组成。 分支线的长度及相邻分支线之间的距离均为p0/4。这种分支定向耦合器 可以用矩形波导、同轴线、带状线和微带线来实现。