定向耦合器基础知识PPT演示文稿
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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。
D10lgP3 20lgS13
P4
S14
7
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。
1 S11
1 S11
8
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。
§4.4 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, 它是微波功率分配器件 的一种。
• 本节主要介绍定向耦合器的性能指标, 而后 简单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
一 结构原理
• 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。
19
多孔定向耦合器设计
• 多孔耦合定向耦合器，可作成耦合小孔孔径相同 孔距相等，也可作成孔径不同孔距相等。孔径不 同则耦合系数不同，可使它们比例于二项式展开 式中的系数，或比例于切比雪夫多项式等。这种 以元件要素拟合确知函数（曲线）的方法，在电 子信息技术中屡有运用，如多阶梯阻抗变换器、 滤波器设计中寻求所需要的频率特性，天线陈列 设计中为获得所希望的方向性等，读者可根据需 要参阅相关专著。
• 这种利用波长关系的定向耦合器的工作频带是较 窄的，因为两小孔间距偏离上述条件时，隔离端 来自两小孔的耦合波不再是反相位叠加，隔离端 会有输出。
17
3 应用
• 在实际使用中，定向耦合器的隔离端口④ 都要接有匹配负载，用以吸收传输来的 （漏泄）信号功率，以免产生反射而影响 其它端口的信号功率分配，而破坏定向耦 合器的工作性能。
• 这样可以用一耦合系数来表示小孔的耦合强度。
14
副波导中的耦合波
A3Cejl Cejl 2Cejl
A4CCej2l 2Ccolse jl
• 端口①输入波行进至小孔a处，耦合至副波导中的 波以 表示向端口③传输的部分，以 表示向端口④ 传输的部分， 为耦合系数。输入波行进至小孔b处 依然向副波导耦合，分为向端口③的 和向端口④ 的 两部分。假定输入波经过小孔a、b后幅值不变 （弱耦合）。
• 为了增加定向耦合器的耦合度，拓宽工作 频带, 可采用多孔定向耦合器。
18
多孔定向耦合器原理
• 多个耦合小孔将会在副波导中激励出多个 向隔离端传输的有不同相位差的波，它们 可在多个频率上叠加抵消（这里所说抵消 只能说是减弱，而一般不可能为零），这 样隔离端的输出功率虽然不为零，但可在 一较宽的频率范围内为很小值，从而实现 了带宽展宽。
20
1 S11
1 S11
9
三 各种耦合器件
• 图4-19中依序为波导窄壁孔耦合定向耦合 器、正交波导宽壁十字孔耦合定向耦合器、 耦合带状线定向耦合器及微带线分支定向 耦合器。
10
11
四 波导窄壁双孔耦合定向耦合器
• 波导窄壁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 l=(2n+1)λ/4 的小孔实现耦合。
4
1耦合度
输入端“①”的输入功率P1和耦合输出 端“③”的输出功率P3之比定义为耦合度, 记作C。
C10lgP1 20lg1 (dB )
P3
S13
5
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。
I 10lgS1 20lg1 (dB)
S4
S14
6
3 定向度
12
1工作原理简析
ALeabharlann Baidu
l
B
④ c
c
c
c ③
①
②
A
B
输入波行进至耦合孔a、b时，电磁能通 过小孔耦合至副波导。
13
小孔耦合
• 电磁能通过小孔耦合、激励的问题，要用小孔 绕射理论来分析，这是微波经典理论中的重要 内容之一，严格求解存在数学上的困难。
• 对于尺寸远小于工作波长的小孔，可看作是小 孔位置处辐射电偶极子与磁偶极子的组合，而 其偶极矩则分别与入射波在小孔位置处的法向 电场与切向磁场成正比。
• 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。
• 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。
2
P1 ① ④
P4
耦合 装置
P2 ② ③
P3
定向耦合器的原理图
3
二 性能指标
• 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。
15
2 性能指标
C
10lg |
1 A3 |2
10lg
|
1 C
|2
10lg 4
I
10lg |
1 A4 |2
10lg
|
C
1
cosl
10lg 4 |
D 10lg | |
A3 |2 A4 |2
10lg
| |
C C
|2 |2
10lg
|
1
cosl
|2
16
理想条件下的性能指标
l 2n1,C C
4 I,D
• 耦合端的输出是两小孔耦合波的同相叠加，而隔 离端则是两小孔耦合波的反相叠加而抵消。
D10lgP3 20lgS13
P4
S14
7
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。
1 S11
1 S11
8
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。
§4.4 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, 它是微波功率分配器件 的一种。
• 本节主要介绍定向耦合器的性能指标, 而后 简单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
一 结构原理
• 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。
19
多孔定向耦合器设计
• 多孔耦合定向耦合器，可作成耦合小孔孔径相同 孔距相等，也可作成孔径不同孔距相等。孔径不 同则耦合系数不同，可使它们比例于二项式展开 式中的系数，或比例于切比雪夫多项式等。这种 以元件要素拟合确知函数（曲线）的方法，在电 子信息技术中屡有运用，如多阶梯阻抗变换器、 滤波器设计中寻求所需要的频率特性，天线陈列 设计中为获得所希望的方向性等，读者可根据需 要参阅相关专著。
• 这种利用波长关系的定向耦合器的工作频带是较 窄的，因为两小孔间距偏离上述条件时，隔离端 来自两小孔的耦合波不再是反相位叠加，隔离端 会有输出。
17
3 应用
• 在实际使用中，定向耦合器的隔离端口④ 都要接有匹配负载，用以吸收传输来的 （漏泄）信号功率，以免产生反射而影响 其它端口的信号功率分配，而破坏定向耦 合器的工作性能。
• 这样可以用一耦合系数来表示小孔的耦合强度。
14
副波导中的耦合波
A3Cejl Cejl 2Cejl
A4CCej2l 2Ccolse jl
• 端口①输入波行进至小孔a处，耦合至副波导中的 波以 表示向端口③传输的部分，以 表示向端口④ 传输的部分， 为耦合系数。输入波行进至小孔b处 依然向副波导耦合，分为向端口③的 和向端口④ 的 两部分。假定输入波经过小孔a、b后幅值不变 （弱耦合）。
• 为了增加定向耦合器的耦合度，拓宽工作 频带, 可采用多孔定向耦合器。
18
多孔定向耦合器原理
• 多个耦合小孔将会在副波导中激励出多个 向隔离端传输的有不同相位差的波，它们 可在多个频率上叠加抵消（这里所说抵消 只能说是减弱，而一般不可能为零），这 样隔离端的输出功率虽然不为零，但可在 一较宽的频率范围内为很小值，从而实现 了带宽展宽。
20
1 S11
1 S11
9
三 各种耦合器件
• 图4-19中依序为波导窄壁孔耦合定向耦合 器、正交波导宽壁十字孔耦合定向耦合器、 耦合带状线定向耦合器及微带线分支定向 耦合器。
10
11
四 波导窄壁双孔耦合定向耦合器
• 波导窄壁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 l=(2n+1)λ/4 的小孔实现耦合。
4
1耦合度
输入端“①”的输入功率P1和耦合输出 端“③”的输出功率P3之比定义为耦合度, 记作C。
C10lgP1 20lg1 (dB )
P3
S13
5
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。
I 10lgS1 20lg1 (dB)
S4
S14
6
3 定向度
12
1工作原理简析
ALeabharlann Baidu
l
B
④ c
c
c
c ③
①
②
A
B
输入波行进至耦合孔a、b时，电磁能通 过小孔耦合至副波导。
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小孔耦合
• 电磁能通过小孔耦合、激励的问题，要用小孔 绕射理论来分析，这是微波经典理论中的重要 内容之一，严格求解存在数学上的困难。
• 对于尺寸远小于工作波长的小孔，可看作是小 孔位置处辐射电偶极子与磁偶极子的组合，而 其偶极矩则分别与入射波在小孔位置处的法向 电场与切向磁场成正比。
• 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。
• 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。
2
P1 ① ④
P4
耦合 装置
P2 ② ③
P3
定向耦合器的原理图
3
二 性能指标
• 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。
15
2 性能指标
C
10lg |
1 A3 |2
10lg
|
1 C
|2
10lg 4
I
10lg |
1 A4 |2
10lg
|
C
1
cosl
10lg 4 |
D 10lg | |
A3 |2 A4 |2
10lg
| |
C C
|2 |2
10lg
|
1
cosl
|2
16
理想条件下的性能指标
l 2n1,C C
4 I,D
• 耦合端的输出是两小孔耦合波的同相叠加，而隔 离端则是两小孔耦合波的反相叠加而抵消。