微波工程-第7章功率分配器与定向耦合器
最新射频技术功率分配器与定向耦合器PPT课件
(a)偶模等效电路
2
从右往左看
Zin
2 2
1
，电路匹配。
(b)奇模等效电路
从右往左看 Zinr/2Z0 ，电路匹配。
(C)端口1的匹配
从左往右看，电阻等效于两标准阻抗经λ/4阻抗变
换后的两阻抗并联
完全匹配。
2
Zin
1 2
2 1
1
Wilkinson电路设计
dB(S(2,3)) dB(S(1,3)) dB(S(1,2)) dB(S(1,1))
b3
12Te12T0
1 2
b4 12e 120 0
•与理想S参数距阵一致，从而证明了电路分析的正确性。其它各行可 通过互换位置得到。
•例：
•电路仿真结果
dB(S(1,4)) dB(S(1,3)) dB(S(1,2)) dB(S(1,1)) phase(S(1,2))-phase(S(1,3))
0
•多节
•基片RT/D 6010, 相对介电常数10.8, 厚度1.27mm
二、Wilkinson功率分配器 •Wilkinson的特点
三端口同时匹配；分支隔离；三端口匹配时无耗； •Wilkinson的电路形式（等分）
•奇耦模式分析方法
归一化和完全对称 条件下的等效电路
(a)偶模等效电路 (b)奇模等效电路
-20
-40
-60
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
freq, GHz
*微波固态电路设计》p165
m3 freq=1.790GHz dB(S(2,2))=-20.275
0
m4 ind Delta=4.400E8 dep Delta=0.447 delta mode ON
微波定向耦合器工作原理
微波定向耦合器工作原理引言：微波定向耦合器是一种常见的无源微波器件，广泛应用于微波通信、卫星通信、雷达系统等领域。
它能够实现微波信号的能量分配和定向耦合，具有较高的传输效率和较低的插损。
本文将从微波定向耦合器的工作原理、结构以及应用等方面进行介绍。
一、工作原理微波定向耦合器通过特殊的设计和制造工艺，实现了微波信号的能量分配和定向耦合。
其工作原理主要基于两个重要的物理现象：电磁波的传输特性和微波传输线的耦合机制。
1. 电磁波的传输特性微波定向耦合器中的微波信号是以电磁波的形式传输的。
电磁波在传输过程中，具有幅度、相位和频率等特性。
幅度决定了电磁波的强弱，相位决定了电磁波的相对位置，频率决定了电磁波的振动次数。
2. 微波传输线的耦合机制微波传输线是微波定向耦合器中的重要组成部分。
它通常由金属导体制成，并具有特定的传输特性。
微波传输线中的电磁波会沿着导体表面传播，并在传输过程中与其他导体发生相互作用。
这种相互作用会引起电磁波的能量分布和传输方向的改变。
二、结构和工作方式微波定向耦合器通常由输入端口、输出端口和耦合结构组成。
其中，输入端口用于接收输入信号，输出端口用于输出耦合后的信号，耦合结构用于实现输入信号到输出信号的能量分配和定向耦合。
1. 能量分配微波定向耦合器的能量分配是指将输入信号的能量按照一定比例分配到不同的输出端口。
这种能量分配通常通过合理设计的耦合结构实现。
耦合结构中的导体、介质和空气等介质的特性会影响能量分配的效果。
2. 定向耦合微波定向耦合器的定向耦合是指将输入信号的能量按照一定的方向耦合到输出端口。
这种定向耦合可以通过合理设计的导体形状和布局实现。
导体的形状和布局会影响电磁波在耦合结构中的传输路径和传输方向。
三、应用微波定向耦合器在各种微波系统中具有广泛的应用。
以下是一些常见的应用场景：1. 微波通信系统微波定向耦合器可以用于微波通信系统中的信号分配和耦合。
它可以将输入信号的能量按照一定的比例分配到不同的输出端口，实现信号的多路复用和分配。
功分器、定向耦合器及应用简介
2.5.2 三分支线定向耦合器 （Three-Branch Coupler）
图2.8为三分支线定向耦合器。三分支 线定向耦合器的带宽比双分支线定向耦 合器宽，相对带宽为20%。 三分支线定向耦合器也有图2.1 1类定 向耦合器的理想方向性。 S12=S21=0
2.5.3 集总参数分支线lkinson功分器输出端所加隔离电阻 为输出端提供了很高的隔离度。但在高 频应用中，隔离电阻的寄生电抗将造成 严重问题。因为隔离电阻的几何尺寸和 波长相比拟，在大功率应用中，为了承 受大的功率，电阻的几何尺寸也必须很 大，电阻的寄生电抗则降低了功分器的 性能，不仅使隔离度、电压驻波比变坏， 而且增加了插损。
2.2 用途
在那些微波器件中会使用定向耦合器， 定向耦合器在如下所示许多微波器件中 都有应用。 平衡混频器 平衡放大器 功分器/合成器 移相器 衰减器 调制器 鉴频器（鉴相器）（Discriminators） 天线阵的馈电网络
2.3定向耦合器参数的定义
如图2.1（a）所示，定向耦合器是一个 四端口网络。假定从端口1为输入端，端 口3为输出端，端口4为耦合端，端口2为 隔离端。假定P1为端口1的输入功率, P1’ 是从端口1反射回来的功率。P2、P3、P4 分别是输出端口3、耦合端口4、隔离端 口2的输出功率。
图1.6
为了比较，图1.6（a）为同频常规3dB 功分器的形状和大小。相对图1.6（a）常 规设计，图1.6（b）所示3dB功分器等效 矩形面积比图（a）减少40%，图1.6（c） 则减少37% 。 为了减少功分器的尺寸，可以采用电 容加载技术，图1.7就是缩短尺寸2功分器 的一种结构形式。图中功分臂的特性阻 抗Z01及加载电容C1、C2可由下式求出：
λ/4
3、缩小尺寸的3dB Wilkinson功分器
（整理）耦合器知识
（整理）耦合器知识在微波系统中, 往往需将⼀路微波功率按⽐例分成⼏路, 这就是功率分配问题。
实现这⼀功能的元件称为功率分配元器件, 主要包括: 定向耦合器、功率分配器以及各种微波分⽀器件。
这些元器件⼀般都是线性多端⼝互易⽹络, 因此可⽤微波⽹络理论进⾏分析。
⽬录定向耦合器波导双孔定向耦合器双分⽀定向耦合器平⾏耦合微带定向耦合器隔离器参考资料定向耦合器波导双孔定向耦合器双分⽀定向耦合器平⾏耦合微带定向耦合器隔离器参考资料编辑本段耦合器- 定向耦合器定向耦合器是⼀种具有定向传输特性的四端⼝元件, 它是由耦合装置联系在⼀起的两对传输系统构成的。
如图5 - 13 所⽰。
图中“①、②”是⼀条传输系统, 称为主线；“③、④”为另⼀条传输系统, 称为副线。
耦合装置的耦合⽅式有许多种, ⼀般有孔、分⽀线、耦合线等, 形成不同的定向耦合器。
⾸先介绍定向耦合器的性能指标, 然后介绍波导双孔定向耦合器、双分⽀定向耦合器和平⾏耦合微带定向耦合器。
1)定向耦合器的性能指标定向耦合器是四端⼝⽹络, 端⼝“①”为输⼊端, 端⼝“②”为直通输出端, 端⼝“③”为耦合输出端, 端⼝“④”为隔离端, 并设其散射矩阵为［S］。
描述定向耦合器的性能指标有: 耦合度、隔离度、定向度、输⼊驻波⽐和⼯作带宽。
下⾯分别加以介绍。
2)隔离度?输⼊端“①”的输⼊功率P1和隔离端“④”的输出功率P4之⽐定义为隔离度，记作I。
(3)定向度?耦合端“③”的输出功率P3与隔离端“④”的输出功率P4之⽐定义为定向度，记作D。
(4) 输⼊驻波⽐?端⼝“②、③、④”都接匹配负载时的输⼊端⼝“①”的驻波⽐定义为输⼊驻波⽐，记作ρ。
(5)⼯作带宽?⼯作带宽是指定向耦合器的上述C、I、D、ρ等参数均满⾜要求时的⼯作频率范围。
编辑本段回⽬录耦合器- 波导双孔定向耦合器波导双孔定向耦合器是最简单的波导定向耦合器, 主、副波导通过其公共窄壁上两个相距d=(2n+1)λg0/4 的⼩孔实现耦合其中，λg0是中⼼频率所对应的波导波长, n为正整数, ⼀般取n=0。
微波定向耦合器,混合电桥,功率分配器
微波定向耦合器、混合电桥、功率分配器1.微波定向耦合器基本概念：定向耦合器的技术指标(以同向为例)• 定向耦合器的技术指标：• 1.耦合：• 2.定向性：续上：• 5.插损：主线输入口到主线输出口的功率关系：• ６．各端口之间的功率关系：•2.耦合线定向耦合器基本原理• 如图：方向性的物理解释：奇、偶模分析和计算公式• 如图：续上•如下： •ｂ１ ｓ１１ｓ２１ｓ３１ｓ４１ ａ１ •ｂ２ ｓ２１ｓ１１ｓ４１ｓ３１ ａ２ •ｂ３ ＝ ｓ３１ｓ４１ｓ１１ｓ２１ ａ３ •ｂ４ ｓ４１ｓ３１ｓ２１ｓ１１ ａ４•偶模激励：ａ１＝ａ４ ＝１／２， ａ２ ＝ａ３ ＝０ 求出： •ＧＡＭＡｅ＝ｂ１ ／ａ１ ＝ ｂ４／ａ４ ＝ｓ１１＋ｓ４１ • Ｔｅ＝ｂ２ ／ａ１ ＝ｂ３／ａ４ ＝ｓ２１ ＋ｓ３１•奇模激励：ａ１＝１／２， ａ４ ＝－１／２， ａ２ ＝ａ３＝０求出：•ＧＡＭＡｏ＝ｂ１／ａ１＝ｂ４／ａ４＝ｓ１１－ｓ４１•Ｔｏ＝ｂ２／ａ１＝ｂ３／ａ４＝ｓ２１－ｓ３１•Ｓ１１＝（ＧＡＭＡｅ＋ＧＡＭＡｏ）／２，ｓ２１＝（Ｔｅ＋Ｔｏ）／２，ｓ４１＝（ＧＡＭＡｅ－ＧＡＭＡｏ）／２，ｓ３１＝（Ｔｅ－Ｔｏ）／２续上:混合电桥也是四端口网路，其特点是其中两个端口相互隔离，另两个端口等功率输出。
两输出信号的相位差，可以是•幺正性(无耗网路)：3.制造公差对隔离度(方向性+耦合度)的影响•设：续上：•相速影响• 4.功率分配器：续上：续上：•-------续上：•-----续上：•------5. 测试：•这些器件的端口数目N>2,属多端口测试，使用两端口网络分析仪测量这些器件时，多余的端口必须接上匹配负载。
例如写出测量耦合器方向性的连接关系，如图。
复习题•一、说明耦合线定向耦合器工作原理（物理解释）。
•二、一个10 dB定向耦合器，不考虑线路导体本身的损耗且认为理想匹配，当输入功率Pin,dBm=10 dBm时，求出：（2-1）Pc,dBm，Pout, dBm等于多少dBm? （2-2）Pc，Pout等于多少mW?•三、用两端口网路分析仪测量10dB定向耦合器，•（3-1）写出测量各端口VSWR、耦合度CdB、隔离度LdB的连接关系;简述测量方法。
射频实施技术-功率分配器和定向耦合器
微波炉工作原理（磁控管）
磁控管是在同轴放射状的电场加上与其成直角的磁场，并 由它来控制电子发射的电子管。我公司管系连续波磁控管 （固定频率、包装式磁钢、探头输出）。
我司磁控管的铭牌如下图：
图中以流水号最后六位数来分辨磁控管 的性质：如果在“—”前的三位数与后面 三位数相等的话为普通高功率磁控管， 如果两三位数数值相差2，侧为EMC 磁控管。
微波炉工作原理（微波发生系统）
微波炉的微波发生部分如下图所示
高压整流电路电路工作原理为，220伏电网电源经过变压器升压，输 出约2000伏左右的交流高压。高压绕组在正半周时，二极管D导通对 电容器C充电，电容器被充到电压的峰值。当高压绕组电压为负半周 时，二极管D截止，磁控管导通。电容器C上正半周所充的电与绕组 电压正相串联，获得2倍高压，即4000伏左右的直流高压，加在磁控 管的阳极与阴极之间射。频实施技术-功率分配器和定向耦合器
射频实施技术-功率分配器和定向耦合器
微波炉工作原理（磁控管）
工作原理：
在磁控管外侧阳极内壁上，沿着圆周 有偶数谐振腔。在这谐振腔内产生的 微波电场，与从位于中央部位的阴极 发射出来的电子进行能量交换，并由 此产生微波。
射频实施技术-功率分配器和定向耦合器
相关标准培训
引用标准：
IEC60335-1：2001 （家用电器通用标准） IEC60335-2-25：1996 （微波炉特殊要求） IEC60335-2-25：2002 （微波炉特殊要求） IEC60335-2-6：2002 （电热器具特殊要求） IEC60335-2-9：2002 （电热器具特殊要求） UL 923 （美国UL微波炉标准） CAN/CSA C22.2-No. 150-M89 （加拿大微波炉标准）
微波技术基础讲义7—功率分配器和定向耦合器
Z0 3 V1 V V2 V3 V Z0 Z0 3 4 2
微波技术基础
定向耦合器
定向耦合器种类
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
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
11
定向耦合器
定向耦合器举例
微波技术基础
（2）
定向耦合器
定向耦合器——工作参量
P 1 20 lg S 31 dB P3 S P3 方向性 D 10 lg 20 lg 31 dB P4 S 41 耦合度 C 10 lg 隔离度 I 10 lg P 1 20 lg S 14 P4
0 [S ] j 0
将S12与(III)式相乘、S34与(IV)式 相乘，并相减得
S34 0
S23 ( S12 2 S34 2 ) 0
令S14=S23=0,利用幺正性得
2 2 S12 S13 1 将第1列与第3列相乘、第4列 与第2列相乘得 2 2 S12 S24 1 * * （III） S S S 2 2 12 23 14 S 34 0 S13 S 34 1 * * 2 S S S S 2 14 12 34 23 0 （IV） S S 1 34 24
* S12 S13 0 * S21S23 0 S * S 0 31 32
S12 S23 S31 0 S21 S32 S13 1
新型微波定向耦合器及Gysel功率分配器设计
新型微波定向耦合器及Gysel功率分配器设计随着通信技术的飞速发展和应用的普及，对于高性能微波设备的需求也越来越高。
作为微波设备中的重要组成部分，定向耦合器和功率分配器在信号的分配和耦合过程中起到至关重要的作用。
本文将重点介绍一种新型的微波定向耦合器及Gysel功率分配器的设计。
首先，我们来了解一下定向耦合器的基本原理。
定向耦合器是将微波信号从一个输入端口耦合到多个输出端口的一种被动组件。
其主要由T型耦合器和相位平差网络组成。
T型耦合器主要通过在主传输线上引入两条耦合线实现信号的分配；而相位平差网络则通过调整不同分支线上的电路元件的参数，使得不同输出端口上的信号的相位差保持一致。
这样，通过定向耦合器分配的信号可以实现同时馈送到多个终端，提高了系统的传输效率。
然而，传统的定向耦合器存在一些问题，如较大的功耗、大量的占用面积和较高的损耗等。
为了解决这些问题，研究人员提出了一种新型的微波定向耦合器设计。
该设计主要通过采用新颖的层状电感结构来减小功耗和面积，并通过优化电路参数来减小信号的损耗。
接下来，我们来介绍一下Gysel功率分配器的设计。
Gysel功率分配器是一种常见的被动功率分配器，其结构简单、性能可靠。
其主要由一个输入端口和多个输出端口组成，通过合理设计电路参数，将输入功率在输出端口之间平均分配。
在设计Gysel功率分配器时，首先需要确定输出端口的数量和分配比例。
在确定了数量和比例之后，需要根据电路的特性来确定合适的参数数值。
为了提高功率分配器的性能，可以采用一些技术手段，如优化分支网络的结构、控制电路元件的尺寸等。
总结来说，新型微波定向耦合器及Gysel功率分配器的设计是为了提高微波设备的性能和效率。
通过采用新颖的电路结构和优化的电路参数设计，可以减小功耗、面积和损耗，同时提高分配和耦合的效果。
这将为微波通信技术的发展提供更好的支持，推动通信设备的进一步创新和应用综上所述，新型微波定向耦合器和Gysel功率分配器的设计在提高微波设备的性能和效率方面具有重要意义。
什么是定向耦合器
什么是定向耦合器定向耦合器的工作原理定向耦合器是微波测量和其它微波系统中常见的微波/毫米波部件，可用于信号的隔离、分离和混合，如功率的监测、源输出功率稳幅、信号源隔离、传输和反射的扫频测试等。
它是一种有方向性的微波功率分配器，更是近代扫频反射计中不可缺少的部件，通常有波导、同轴线、带状线及微带等几种类型。
图1为其结构示意图。
它主要包括主线和副线两部分，彼此之间通过种种形式小孔、缝、隙等进行耦合。
因此，从主线端上“1”输入的功率，将有一部分耦合到副线中去，由于波的干涉或叠加，使功率仅沿副线-一个方向传输（称“正向”），而另一方向则几乎毫无功率传输（称“反向”）图2为十字定向耦合器，耦合器中端口之一终端接一内装的匹配负载。
定向耦合器的应用1、用于功率合成系统在多载频合成系统中，通常会用到3dB的定向耦合器（俗称3dB电桥），如下图所示。
这种电路常见于室内分布系统，来自两路功率放大器的信号f1和f2经过3dB定向耦合器后，每路的输出均包含了f1和f2两个频率分量，每个频率分量的幅度减少3dB。
如果将其中一个输出端接上吸收负载，另外一路输出可以作为无源互调测量系统的功率源。
如果需要进一步提高隔离度，可以外加一些器件如滤波器和隔离器。
一个良好设计的3dB电桥的隔离度可以做到33dB以上。
定向耦合器用于功率合成系统一定向沟壑区作为功率合成的另外一种应用见下图（a）。
在这个电路中，定向耦合器的方向性得到了巧妙的应用。
假设两个耦合器的耦合度均为10dB，方向性均为25dB，则f1和f2端之间的隔离为45dB。
如果f1和f2的输入均为0dBm，则合成后的输出均为-10dBm。
与下图（b）中的Wilkinson耦合器（其隔离度典型值为20dB）相比，同样输入OdBm的信号，合成后还有-3dBm （未考虑插入损耗）。
作为间样条件下的比较，我们将图（a）中的输入信号提高7dB，这样其输出就和图（b）—致了，此时，图（a）中f1和f2端的隔离度“降低”为38 dB。
微波电路简介
微波电路简介 1 微波电路简介1.1 微波无源器件微波无源器件由传输线的组合构成。
除了微波传输线以外，微波无源电路主要有功率分配器，定向耦合器，环行器，滤波器，隔离器，均衡器，短路器，衰减器，极化器，吸收负载，天线等无源器件。
我们在这里主要介绍其中主要类型。
一．定向耦合器定向耦合器是常用无源微波器件.可以作为信号的检测，合成及耦合使用。
如图1-4分别为微带环形定向耦合器；侧耦合定向耦合器；矩形微带定向耦合器和波导定向耦合器。
定向耦合器一般有四个端口。
如图4中的波导定向耦合器，如信号由1端口输入，则2端口为信号的主通道，3端口为1端口的耦合端，而4端口则是隔离端口。
图2环行定向耦合器 图3矩形微带定向耦合器图4波导定向耦合器图4.1 侧耦合侧耦合侧耦二．滤波器滤波器是典型的常用的无源微波网络器件，在微波电路中占有重要的地位。
滤波器从响应函数的角度可以分为最大平滑式，等波纹式和椭圆函数滤波器三种。
从结构上可以分为微带，波导和同轴腔体等结构的滤波器。
由信号的导通或截止可以分为高通，低通和带通滤波器。
如图5为侧边耦合微带带通滤波器。
图6为一种简单的椭圆函数滤波器。
图5侧边耦合微带滤波器图6微带滤波器图6为波导膜片滤波器。
由微带构成的谐振电路Q 值一般小于波导腔体的Q 值，所以微带滤波器的插入损耗一般要大于波导腔体滤波器。
图7 波导膜片滤波器三．微波功率分配器虽然定向耦合器在一定情况下具有功率分配的作用，但是原则上定向耦合器是一四端口器件。
功率分配功能可以由一三端口器件来完成。
如图8为Wilkinson 功率分配器/合成器。
由2, 3端口输入的功率可以无反射地传输到1 端口。
相反由1端口输入的微波功率图8 Wilkinson 功率分配器/合成器可以在2,3端口分为二路。
如电路上下是对称的，则射频功率在2，3端口是平分的。
微波功分配器还有其他许多种类。
四 微波阻抗匹配器。
阻抗匹配是许多微波电路的基本要求。
四功分器和定向耦合器的设计
谢谢！
输出端口2
输入端口1
输出端口3
功分器的设计、仿真、优化
版图的S参数仿真
功分器的设计、仿真、优化
版图的S参数仿真结果
功分器的设计、仿真、优化
小结
• 功分器的基本工作原理及主要指标 • 威尔金森功分器的仿真设计优化 • 威尔金森功分器版图的仿真设计
定向耦合器的基本原理
定向耦合器基本工作原理
隔离端口
/4;f012GHz W/H=0.107
S/H=0.071 直通端口与耦合端口相位差
定向耦合器的仿真设计
经验初值的仿真结果
定向耦合器的仿真设计
耦合器的参数优化
优化微带线线宽w(0.02-0.0508mm)；和缝间距s(0.02-0.038mm)
插入损耗
耦合度
隔离度
定向耦合器的仿真设计
• 耦合度： 耦合端口3输出功率P3和输入端口1输入功率P1之比：
C10logP P1320logS31
dB[S(3,1)]
• 隔离度： 隔离端口4的输出功率P4和输入端口1的输入功率P1之比：
I10logP P1 420logS41 dB[S(4,1)]
定向耦合器的基本原理
• 常用定向耦合器： Lange耦合器（交指耦合器） 应用于耦合较强的情况，通常设计为3dB耦合； 具有一个倍频程或更宽的带宽； 在平衡放大器、功率分配器和平衡混频器中有广泛应用。
定向耦合器的基本原理
Lange耦合器基本工作原理
金丝焊接
① ② ③ ④ ⑤
90度相位差
定向耦合器的基本原理
定向耦合器的基本原理
定向耦合器基本指标
• 输入驻波比： 端口2、3、4都接匹配负载时，输入端口1的驻波比：
(完整版)功分器、定向耦合器及应用简介
功分器、定向耦合器及应用简介
编写:俱新德
西安海天天线技术支持部天线部 2005年12月
第一部分 功分器
1、T型功分器
图1.1所示为T型功分器，端口1为输入 端，端口2、3为输出端。如果输入、输 出端口的负载阻抗均为Z0，为了使输入、 输出端口均匹配，如图1.1（b）所示，必 须加一段特性阻抗Z01=Z0/ ，长度2 为λ/4 的阻抗变换段。
③端口1无反射。
第二部分 定向耦合器
2.1 分类
定向耦合器的对称性是定向耦合器的 重要特性，在分析和计算中经常利用对 称性。按对称性把定向耦合器分成三类， 如图2.1所示。
1类：沿X、Y轴均对称——完全对称 2类：沿X轴对称——部分对称 3类：沿Y轴对称——部分对称
按输出端口的相位差也分成三类：
图1.12和1.13分别为四功分器和三功分 器。
6、不等功分比功分器
在工程中，有时还需要使用一些不等功分比 二功分器。如在赋形基站天线阵中，需要用不 同功率给各辐射单元馈电，对不等功分比功分 器，按照端口之间的功分比与端口之间馈线特 性阻抗成反比的原则来设计相应的不等阻抗匹 配网络，来满足所需要的不等功分比。图1.14 为三端口微带不等功分器的结构示意图，信号 由端口1输入，由端口2、3按不等功分比输出。
把Wilkinson功分器级联，可以进一步展宽它 的带宽。
对图1.3所示2级联功分器，在倍频程带宽内， 在端口1，VSWR≤1.1，在端口2、3， VSWR≤1.01，端口2、3之间的最小隔离度为 27.3dB。
图 1.4
多段功分器级联后，输入/输出端口的 最大VSWR的频率特性如图1.4所示。
T型功分器由于结构简单，既可以用同 轴线，也可以用微带线实现，因而在基 站天线阵中，大量用它作为馈电网络。T 型功分器的缺点是输出端口彼此不隔离， 因此也把T型功分器叫无隔离功分器。
【2019年整理】射频技术-功率分配器与定向耦合器 (2)
2 0 2
Te
2 A B C D
[1
j
2 j (1)] /
1 (1 j) 22
•同理可求得奇模的ABCD距阵并求得反射参数和传输参数
A C
B D
1 1
2
j
j 1
0 0
T0
1 (1 j) 2
•由此各支路出射波幅分别求得为
b1
1 2
e
1 2
0
0
b2
1 2
Te
1 2
T0
j 2
b3
1 2
二、Wilkinson功率分配器 •Wilkinson的特点
三端口同时匹配；分支隔离；三端口匹配时无耗； •Wilkinson的电路形式（等分）
•奇耦模式分析方法
归一化和完全对称 条件下的等效电路
(a)偶模等效电路 (b)奇模等效电路
(a)偶模等效电路
2
从右往左看
Zin
2 2
1
(b)奇模等效电路
-40
-60
-80 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 freq, GHz
•不等分Wilkinson功率分配器*
电路形式
重要计算公式
Z02 K2Z03 Z0 K 1 K2
Z03 Z0
1 K2 K3
R
Z0
K
1 K
K 2 P3 / P2
*《微波电路》p277, 《微波固态电路设计》p164
•（输出）
•幅度(-3dB) •相位(90°) •隔离 (隔离度） •损耗 (插入损耗)
•描述与分析方法 •I)散射参数
0 j 1 0
[S]
1
j
功分器-定向耦合器和混合环
⎡0 ⎢S [S] = ⎢ 12 ⎢ S13 ⎢ ⎣ S14
S12 0 S 23 S 24
S13 S 23 0 S 34
S14 ⎤ S 24 ⎥ ⎥ S 34 ⎥ ⎥ 0 ⎦
S12 + S13 = 1
将S12 = S12 e jθ
12
2
2
* S * S13 + S12 S13 =0
12
S13 = S13 e jθ 代入上式可得
⎡ S11e [S]e = ⎢ ⎣S12e ⎡ S11o [S]o = ⎢ ⎣ S12 o
S12e ⎤ ⎡ S 33e =⎢ ⎥ S11e ⎦ ⎣ S 34e S12o ⎤ ⎡ S 33o =⎢ ⎥ S11o ⎦ ⎣S 34o
S 34e ⎤ S 33e ⎥ ⎦ S 34o ⎤ S 33o ⎥ ⎦
∵ [a ]e
二、平行耦合线定向耦合器： 是TEM 波传输线定向耦合器的一种主要形式，主要有耦 合带状线和耦合微带线构成，具有反向耦合器的特点。 输出 （3） （1） 输入
θ （4） （2） 输出
图3-4 单节1/4平行耦合线定向耦合器
Hale Waihona Puke 1、平行耦合线定向耦合器的基本工作原理： 平行耦合线定向耦合器通常采用“偶奇模法”分析。 结构对称，散射矩阵为：
S12 0 0 S13
S13 0 0 S12
0⎤ S13 ⎥ ⎥ S12 ⎥ ⎥ 0⎦
♣设S13=0，则构成反向定向耦合器，有
S12 + S14 e j (θ
14 −θ 12 )
2
2
=1
12 14 −θ12 )
* S * S14 + S12 S14 =0
12
将S12 = S12 e jθ + e − j (θ
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
对称定向耦合器（7.5，7.6）
1 1 1
S13 S 23 S14 S 24 0 S12 S 23 S14 S 34 0 S14 S13 S 24 S 23 0
反对称定向耦合器（7.8）
* 耦合传输线型理想定向耦合器的三种类型——正向、反向和
定向耦合器等效成四端口网络
S11 S 21 S S31 S 41 S12 S 22 S32 S 42 S13 S 23 S33 S 43 S14 S 24 ——16x2个自由度 S34 S 44
微波工程基础 第七章 功率分配器和定向耦合器 理想定向耦合器的散射参数
微波工程基础 第七章 功率分配器和定向耦合器 各端口都匹配的无耗非互易三端口网络——环形器
网络是匹配的 网络是无耗的
2
三端口网络（T型结）
任意三端口网络的散射参数——9x2个自由度（参数）
S11 S S 21 S31 S12 S 22 S32 S13 S 23 ——9x2个自由度（参数） S33
Wilkinson等分功率分配器，奇偶模分析法
S12 (S13)
e 偶模 V1 jV0 2
求Z,r
S11=0 可算出 Z 2 Z 0
V2e V0
S22 0
S12 (S13)
r 2 ？:保证奇模S22为0
奇偶模分析法 思想？
要点：1、偶+奇=单端口分析 2、所有端口加匹配负载 2、支路串联结构
S13 S 31 S 22 0
2 2 2
S11 0
S 22 0
S 33 0
——6x2个自由度
S S U
S12 S13 1 S31 S32 0 S 21 S 23 1 S 21 S 23 0 S31 S32 1 S12 S13 0 2 2 2 2
7.2.1 无耗分配器 E-T
7.2.1 无耗分配器 H-T
微波工程基础 第七章 功率分配器和定向耦合器
微波工程基础 第七章 功率分配器和定向耦合器
7.2
T型结 功率分配器
7.2
T型结 功率分配器
7.2.1 无耗分配器
7.2.1 无耗分配器
微波工程基础 第七章 功率分配器和定向耦合器
微波工程基础 第七章 功率分配器和定向耦合器
7.4.2 多孔定向耦合器（正向）
双孔定向耦合器——窄带的
An
1 ( En J -H n M )dv Pn V
H?抵消Ey 见7.40a Hx
S0
单孔
ˆ Pn 2 en hn zds
ˆ E n ( r0 ) Pe 0 e n Pm m H t ( r0 )
S S U
* 将电抗性调谐元件添加载分配器上可以抵消电纳B，输入端匹配 输入端匹配 * 选择输出传输线的特性阻抗Z1和Z2可以提供任意的功率分配比 * 输入端是匹配的，但是输出端是失配的，且没有隔离
7-7
有耗微波工程基础 第七章 功率分配器和定向耦合器
* 理想定向耦合器——各端口都匹配的互易无耗四端口网络 网络是互易的
S12 S 21 S 23 S 32 S13 S 31 S 24 S 42 S14 S 41 S 34 S 43 ——10x2个自由度
微波工程基础 第七章 功率分配器和定向耦合器 理想定向耦合器的散射参数两种可能的解
2
S
0 j 0
0 0 j
j 0 0
0 j 0
1 2 P4 b4 a4 2
dB
* 小孔耦合理论——法向的电偶极子和轴向的磁偶极子产生偶对称的辐射场 横向的磁偶极子产生奇对称的辐射场 * （a）利用调整小孔与波导窄壁间的距离 s 控制耦合 * （b）或 利用调整两个波导之间的角度 θ 控制耦合
S
S S U
0 j j 1 j 0 0 2 j 0 0
S S U
有耗？
微波工程基础 第七章 功率分配器和定向耦合器
微波工程基础 第七章 功率分配器和定向耦合器
Wilkinson等分功率分配器分析
北 微波工程基础 航 电 子 信 第七章 息 工 功率分配器和定向耦合器 程 学 院 研 究 生 专 业 课
微波工程基础 第七章 功率分配器和定向耦合器
第 7章
功率分配器和定向耦合器
微波工程基础
第七章 功率分配器与定向耦合器
微波工程实验室 北航电子信息工程学院
微波工程基础 第七章 功率分配器和定向耦合器
微波工程基础 第七章 功率分配器和定向耦合器 N 路Wilkinson功率分配器
微波工程基础 第七章 功率分配器和定向耦合器 * 更实际的Wilkinson不等分功率分配器
④ ①
Z02
②
Z04 Rj Z0
Z 04 Z 0 K
Z 05 Z0 K
多节？
阶梯式多节N 路Wilkinson功分器
0 j j 1 j 0 0 S 2 j 0 0
P3 K2 P2
？
Z 02 Z 0 K 1 K 2 Z 0 3 Z 0
1 K K3
2
1 R Z0 K K
两部分？
匹配时：
R2 Z 0 K
R3 Z 0 / K
S12 S 23 S 24 S13 S 23 S 34 S14 S 24 S 34
2 2 2 2 2 2
S S U
1 S14 S12 S 34 S 24 0
微波工程基础 第七章 功率分配器和定向耦合器 定向耦合器的技术指标——以对称定向耦合器为例
* 两个分开的器件——匹配的二端口传输线和完全失配的一端口网络
1
三端口环行器ST 示意图
2
7-6
微波工程基础 第七章 功率分配器和定向耦合器 各端口都匹配的互易有耗三端口网络——电阻性功分器7.2.2
网络是互易的
S12 S 21 S13 S 31 S 23 S 32
微波工程基础 第七章 功率分配器和定向耦合器
奇模
V1o 0 V2o V0
S22 0
微波工程基础 第七章 功率分配器和定向耦合器
Wilkinson等分功率分配器，奇偶模分析法
S11 0 S22 S23 0
微波工程基础 第七章 功率分配器和定向耦合器 微带型Wilkinson不等分功率分配器
S12 =
V1e V1o j/ 2 V2e V2o
微波工程基础 第七章 功率分配器和定向耦合器
7.4
波导定向耦合器
b S a
b1 a2 j a3 b3 j a1 a4
b2 a1 j a4 b4 j a2 a3
P 1 1 2 2 a1 b1 2
7.4.1 倍兹孔（单孔）定向耦合器（反向）
网络是匹配的
S11 0 S 22 0 S 33 0 S 44 0 ——6x2个自由度
S
0 0 j
0 j 0
2 2 1
S
0 0
0 0
0 0
网络是无耗的
S12 S13 S14
Z0 Z03
③
Z05
Z0
g / 4
⑤
多种形式
微波工程基础 第七章 功率分配器和定向耦合器 双节Wilkinson等分功率分配器
微波工程基础 第七章 功率分配器和定向耦合器
多节
7.1.2 四端口网络（定向耦合器）
定向耦合器——有方向性的功率分配元件 定向耦合器的两种基本结构
耦合传输线型定向耦合器 ——两条靠的很近的传输线 （主传输线和副传输线）以及耦合机构 混合网络型定向耦合器——特殊结构
1 1
S12 S13 0
S S U
1 S 23 S12 0 ——不可能实现 S13 S 23 0
只能是非互易
0 [ ST ] 0 1 0 [ S R ] 1 0
1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0
* β称为耦合系数
H?抵消Ey
D 10 lg
P3 20 lg P4 S14
dB
I DC
* 耦合器方向性的测量
I 10 lg
P 1 20 lg S14 P4
dB
C /D ？
微波工程基础 第七章 功率分配器和定向耦合器
微波工程基础 第七章 功率分配器和定向耦合器
7.4.1 倍兹孔（单孔）定向耦合器（反向）
7.2.2 电阻性分配器 ——等分功率分配器
7.3
Wilkinson功率分配器
微带型Wilkinson等分功率分配器
* 当输出端口都匹配时，没有电流流过电阻2Z0，具有无耗性 * 电阻性功率分配器是一个各端口都匹配的互易有耗三端口网络，有一般功 率消耗载电阻上
0 1 1 1 1 0 1 S 2 1 1 0
2 2
S14 S 23 0 ——定向耦合器
2
S12 S13 1 S13 S 34
2
S12 S 24 S 24 S 34
j 0 0
2
2
2 2