耦合器设计 基本理论

C
jC sin
1 C 2 cos j sin
1 2
D
4
图5-48 集中电容补偿微带耦合器
式中
e o o
e o
1
2 e
1
2 o
e
Z 0e Z 0e
Zo Zo
o
Z 0o Z 0o
Zo Zo
下标e、o表示属于偶模even和奇模odd的量。
e、o是偶模和奇模的传播常数。
环形分支电桥原理
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对于3dB耦合器，并联臂和串联臂的阻抗分别为Zp=Z0、 Zr=Z0/ 2 ，Z0是输入 端和输出端特征阻抗。所以串联臂微带线导带宽度比并联臂宽，如图5-47a。 微带双分支定向耦合器也可作成圆形结构，叫做环形分支电桥，如图5-47b。 从1臂输入功率平分到左右两个分支，它们到4臂路径相差半个波长，即/2， 相位相反，故4臂没有输出，为隔离臂。从1臂到2臂、3臂功率相等，但路径 相差/4，因而有90相位差。方形分支电桥、环形分支电桥，在混频器电路 中应用甚广。
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魔T
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C是电压耦合系数，R为阻抗比，Z为归一化奇模阻抗，R、Z与耦合系数C关
系见图5-49，N为导体数，一般为4，Z0e、Z0o表示偶模、奇模阻抗，Z0为端
口阻抗，当N=2，Z0 Z0oZ0e ，当N2时，这个关系不成立。
交叉指耦合器的耦合段有两个短指和长指，短指长度取工作频段内最高频率
的gh/4，而长指应为最低工作频率的gL/4。连接相应耦合指的跳线为几十m 直径的金丝或铝丝，叉指尺寸W、S由要求奇、偶模阻抗决定。
当 e o , logD 方向性达到最佳。因此从方向性考虑，希望奇模与偶模具
有相同的相速。为此在耦合两端并联电容C1、C2，并联电容对偶模不起作用，对奇模 相移有影响，其增加的相移o为
0 2f0 C1 C2 Z0o
式中f0是耦合器中心频率。
平面结构的螺旋耦合器、折叠线型耦合器 9
耦合器结构型式众多，图5-50a是平面结构的螺旋耦合 器，b是折叠线型耦合器。
图5-48 集中电容补偿微带耦合器
平行耦合线耦合器
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对于准TEM模，输入匹配条件为
Z0
Z Z
0e 0e
s in e s in o
Z 0o sin o Z 0o sin e
1
2
Z0e Z0o
以及
1 2
e
o
2
ree reo l 90 2
耦合器的耦合系数及方向性都是频率的函数
/4
y01=1 (1)
A
对称
y0
平面 =
a1
(4)
D
y04=1
y02=1/R
(2) B
y0 = b
y0 =
/
y0 = b
a2
4
C
(3)
y03=1/R
（a）
A
/4
B
A
/4
B
1
b
a1
/8
1/R a2 /8
（d）
1
b
a1
/8
1/R a2 /8
（e）
开路 （b）
短路 （c）
图2-46 微带双分 支定向耦合器
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耦合器设计
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微带耦合器
微带耦合器
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耦 合 器 couplers( 有 时
又 叫 混 合 环 Hybrids)
是微波电路中常用的
无源器件，把电路元
件直接连起来即可构
成混合环，而耦合器
一般由靠得很近的传
输线构成，它们一般
有四个端口，且每一
端口为匹配负载端接，
也就是说在给定频率
范围内，端口的反射 是很小的，反射系数
（a）
（b）
图5-50 （a）螺旋耦合器；（b）折叠线型耦合器
3dB交叉指lange耦合器
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图5-44(d)所示3dB交叉指lange耦合器。端口1输入，端口2和3输出功率相等， 但有90相移，其特点是频带宽，设计公式为
R Z0o Z 0e
C
N 11 R2 N 11 R2
2R
Z Z0o
RN 1 RN 1R 1 Z01 R
图5-44 微波混合环与耦合器
一般小于0.1。
（a）分支线混合环； （b）集总参数分支混合环； （c）平行耦合定向耦合器; (d）3dB lange耦合器
耦合器参数定义
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耦合器可看成四端口网络。四个端口是输入端口、直通端口、
耦合端口与隔离端口。设P1是由匹配源馈入端口1功率，P2、P3、 P4分别在端口2、3、4可得到的功率，描述该端口的网络参数主 要有四个：
图5-47 （a）方形分支电桥；（b）圆形分支电桥
平行耦合线耦合器
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平行耦合线耦合器（见 图5-48）具有对称性： 1、对称面上电流=0， 电压最大，相当于开路， 称为偶对称；2、另一 种分布，对称面上电压 =0，电流最大，相当于 短路，称为奇对称。耦 合线上任何场分布都可 看成奇模与偶模场分布 的组合。基于奇、偶模 分析可得到耦合线结构 3dB定向耦合器的设计 方程，如下。
耦合系数 C 10 log P1
P3
（dB）
方向性 D 10 log P3
P4
（dB）
隔离度 I 10 log P1 D C （dB）
P4
图5-45
通过率 T 10 log P2
P1
（dB）
混合环和耦合器的性能由耦合系数、方向性以及负载特性决定，
通常隔离端口接匹配负载。
微带分支电桥的工作原理 5