耦合器设计--基本理论详解

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耦合器的耦合系数及方向性都是频率的函数 jC sin 1 C D 1 C 2 cos j sin 4

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图5-48 集中电容补偿微带耦合器
式中

e o o

e o 2 1 e2 1 o
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(1)
对称 平面 (4) y0 = a1
A
(2)
/ 4
开路
（b ）
A
1 a1 /8
/4 b
B 1/R a2 /8 1
A
/4 b a1
B 1/R a2 /8
（c）
/8 （e）
（d）
图2-46 微带双分 支定向耦合器
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更宽，如图5-47a。微带双 分支定向耦合器也可做成圆形结构，叫做环形分支电桥，如图5-47b。从1臂 的输入功率平分到2、3臂，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臂的功率相等，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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波导结构耦合器---魔T
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耦合器设计
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微带耦合器
微带耦合器
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，它们一般有四 个端口，且每一端 口为匹配负载端接 条件，也就是说在 给定频率范围内， 端口的反射系数是 很小的。
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图5-44 微波混合环与耦合器
(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
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
平行耦合线耦合器（见 图 5-48 ）具有两种对称 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。
e
Z 0e Z o Z 0e Z o
o
Z 0o Z o Z 0o Z o
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。 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
P4
（dB） （dB） 图5-45
1 隔离度 I 10 log P C D（dB）
通过率
T 10 log
P2 P 1
（dB）
各个端口的反射系数s11、s22、s33、s44 （dB）
微带分支电桥的工作原理
/4 y01=1 y02=1/R y0 = b y0 = b D y04=1 （a） C y03=1/R 短路 B y0 = a2 (3)
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图5-48 集中电容补偿微带耦合器
平行耦合线耦合器
对于准TEM模，输入匹配条件为 Z 0e sin e Z 0 o sin o Z0 Z sin Z sin o 0o e 0e
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Z 0e Z 0o
l 90
1 2 e o 以及 2
式中f0是耦合器中心频率。
0 2f 0 C1 C2 Z 0o
平面结构的螺旋耦合器、折叠线型耦合器
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耦合器结构型式众多，如平面结构的螺旋耦合器和折 叠线型耦合器。
（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
Z 0o R Z 0e
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耦合器参数定义
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耦合器是四端口网络，四个端口是输入端口、直通端口、耦合 端口与隔离端口。设P1 是馈入端口 1 的功率， 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：
P1 耦合系数 C 10 log P3 P3 方向性 D 10 log P4
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，Z 0 Z 0o Z 0e ，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。
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
N 11 R 2 C N 11 R 2 2R
Z0o RN 1 RN 1R 1 Z Z0 1 R