(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

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∙• 隔离器

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∙• 参考资料

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∙• 定向耦合器

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∙• 波导双孔定向耦合器

∙• 双分支定向耦合器

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∙• 平行耦合微带定向耦合器

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∙• 隔离器

∙• 参考资料

编辑本段耦合器- 定向耦合器

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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

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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。耦合孔一般是圆形, 也可以是其它形状。定向耦合器的结构如图5 - 14(a)所示, 下面简单介绍其工作原理。?

根据耦合器的耦合机理, 画出如图5 - 14(b)所示的原理图。设端口“①”入射TE10波(u+1=1), 第一个小孔耦合到副波导中的归一化出射波为和, q为小孔耦合系数。假设小孔很小, 到达第二个小孔的电磁波能量不变, 只是引起相位差(βd), 第二个小孔处耦合到副波导处的归一化出射波分别为和在副波导输出端口“③”合成的归一化出射波为

5-14波导双孔定向耦合器

副波导输出端口“④”合成的归一化出射波为

式中, a、b分别为矩形波导的宽边和窄边；r为小孔的半径；β是TE10模的相移常数。而波导双孔定向耦合器的定向度为

当工作在中心频率时, βd=π/2, 此时D→∞; 当偏离中心频率时, secβd具有一定的数值, 此时D不再为无穷大。实际上双孔耦合器即使在中心频率上, 其定向性也不是无穷大, 而只能在30dB左右。

总之，波导双孔定向耦合器是依靠波的相互干涉而实现主波导的定向输出, 在耦合口上同相叠加, 在隔离口上反相抵消。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,

编辑本段回目录耦合器- 双分支定向耦合器

双分支定向耦合器由主线、副线和两条分支线组成, 其中分支线的长度和间距均为中心波长的1/4, 如图5 - 15 所示。设主线入口线“①”的特性阻抗为, 主线出口线“②”的特性阻抗为(k为阻抗变换比), 副线隔离端“④”的特性阻抗为, 副线耦合端“③”的特性阻抗为, 平行连接线的特性阻抗为Z0p, 两个分支线特性阻抗分别为和。下面来讨论双分支定向耦合器的工作原理。

假设输入电压信号从端口“①”经A点输入, 则到达D点的信号有两路, 一路是由分支线直达, 其波行程为λg/4, 另一路由A→B→C→D, 波行程为3λg/4；故两条路径到达的波行程差为λg/2, 相应的相位差为π, 即相位相反。

图5-15 双分支定向耦合器

因此若选择合适的特性阻抗, 使到达的两路信号的振幅相等, 则端口“④”处的两路信号相互抵消, 从而实现隔离。

同样由A→C的两路信号为同相信号, 故在端口“③”有耦合输出信号, 即端口“③”为耦合端。耦合端输出信号的大小同样取决于各线的特性阻抗。?

下面给出微带双分支定向耦合器的设计公式。设耦合端“③”的反射波电压为|U3r|, 则该耦合器的耦合度为

各线的特性阻抗与| |的关系式为

可见，只要给出要求的耦合度C及阻抗变换比k, 即可由式(5 - 2 - 10)算得|U3r|, 再由式(5 - 2 - 11)算得各线特性阻抗, 从而可设计出相应的定向耦合器。对于耦合度为3dB、阻抗变换比k=1的特殊定向耦合器, 称为3dB定向耦合器, 它通常用在平衡混频电路中。此时

此时散射矩阵为

分支线定向耦合器的带宽受λg/4的限制, 一般可做到, 若要求频带更宽,

可采用多节分支耦合器。?

编辑本段回目录耦合器- 平行耦合微带定向耦合器

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平行耦合微带定向耦合器是一种反向定向耦合器, 其耦合输出端与主输入端在同一侧面, 如图5 - 16 所示, 端口“①”为输入口, 端口“②”为直通口, 端口“③”为耦合口, 端口“④”为隔离口。

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图5 – 16 平行耦合微带定向耦合器

编辑本段回目录耦合器- 隔离器

隔离器也叫反向器，电磁波正向通过它时几乎无衰减，反向通过时衰减很大。常用的隔离器有谐振式和场移式两种。?

1) 谐振式隔离器?

由于铁氧体具有各向异性，因此在恒定磁场Hi作用下，与Hi方向成左、右螺旋关系的左、右圆极化旋转磁场具有不同的导磁率（分别设为μ-和μ+）。设在含铁氧体材料的微波传输线上的某一点，沿+z方向传输左旋磁场，沿-z方向传输右旋磁场，两者传输相同距离，但对应的磁导率不同，故左右旋磁场相速不同，所产生相移也就不同，这就是铁氧体