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1、第五章 功分器、定向耦合器和混合环5.1 功分器、耦合器和混合接头的基本特征5.2 T型接头和微带功分器5.3 定向耦合器5.4 1800混合环图5.1 功率分路和合路器5.1 功分器、耦合器和混合接头的基本特性5.1.1 三端口网络（T型接头）任意三端口网络的散射矩阵有9个独立元件（5.1） 一个三端口网络不可能同时满足无损、互易和所有端口匹配的条件。如果这三个条件允许有一个不满足，则在物理上是可能实现的。5.1.2 四端口网络（定向耦合器和混合接头）一个各端口匹配的互易四端网络的S矩阵形式如下 （5.9） 在四个端口的三个端口上选择适当的相位参考面，可以简化上面的矩阵。令，其中和是实数，而
2、和是待定相位常数。可推出剩余的相位常数之间的关系为 （5.16） 如忽略2的整数倍，通常在实际中出现两种特殊选择：1.对称耦合器（）具有幅度为的相位选成相等，则散射矩阵形式为 （5.17） 2.不对称耦合器（ = 0, =/2）（5.18） 任何互易的、无损耗的、四端口匹配的网络是一种定向耦合器。定向耦合器的基本原理，如图5.4所示。图5.4 两个通用的定向耦合器符号和端口的定义表征定向耦合器性能的三个量：耦合度 方向性 隔离度 耦合度表示输入功率被耦合到输出端的部分。方向性表示耦合器隔离正向和反向波的能力，如同隔离度。三者之间的关系为混合耦合器有两种类型：1.二分支耦合器2.魔T混合接头或微
3、带混合环 5.2 T型接头和微带功分器5.2.1 T型接头功分器T型接头功分器是一种简单的三端口网络，它可以用来分配和组合功率，实际上可以用任一种传输线来实现。图5.5表示一些通用的用波导、微带或带状线形式实现的T型接头。这里表示的传输线无损耗，即为无损耗接头。图5.5 各种T型接头功分器1.无损耗分路器图5.5所示的无损T型接头可以全部模型化为三根传输线的接头，如图5.6所示。图5.6 无损耗T型接头的传输线模型2.电阻功分器图5.7是采用集中电阻元件的一种功分器电路，该功分器是一种等功分器（3dB）。图5.7 等分的三端口电阻功分器5.2.2 微带功分器（Wilkinson功分器）微带功分
4、器通常用微带或带线做成，当输出端口匹配时，它具有无损特性，只损耗反射功率。微带功分器可以进行任意比例的功率分配，这里先考虑等功分（3dB）情况，如图5.8（a）所示，对应的传输线电路如图5.8（b）。可以将它归结为两个简单的电路，在输出端分别用对称和反对称源激励来进行分析。这就是奇、偶模分析技术。 图5.8 Wilkinson功分器1.奇-偶模分析图5.9 归一化、对称形式的Wilkinson功分器图5.11 用于导出S11的微带功分器分析2.微带不等分和N路微带功分器微带型功分器也可以做成功率不等分的，微带图形如图5.13所示。图5.13 用微带形式实现的功率不等分功分器微带功分器也可用于实
5、现N路分路器或合路器，如图5.14所示。其缺点是当N3时，功分器要求电阻交迭。功分器也可用多极阶梯阻抗变换形式制作，以增加带宽。四节功分器的实际结构表示在图5.15上。图5.14 N路等分微带功分器 图5.15 用微带形式实现的四节微带功分器5.3 定向耦合器5.3.1 波导定向耦合器用波导实现的定向耦合器是最早实现的耦合器，它通常在波导的公用编上用小孔（或小槽）来实现耦合。1.小孔耦合器（Bathe孔）图5.16 两种Bathe孔耦合器2.多孔耦合器设计双耦合器的工作原理：如图5.18所示。它是两个平行波导共享一个公共宽壁，两个小孔相隔 ，而且耦合着两个波导。送入到端口1的波大部分传送到端口
6、2，但有一些功率通过两个孔耦合到上面的波导。5.18 双孔定向耦合器工作原理多孔耦合器：如图5.19所示。两个平行波导间有N + 1个等间隔小孔。入射波幅度A自下部波导左边输入，对小孔耦合情况，通过小孔的波的幅度基本上是相同的。图5.19 N + 1孔波导定向耦合器结构5.3.2 分支线（90）耦合器分支耦合器是3dB方向耦合器，在直通和耦合端口有90相位差。这种类型的耦合器也被称为分支线混合接头，通常用微带或带线形式制作，如图5.21所示。图5.21 分支线耦合器结构分支线耦合器的基本工作情况如下，当所有端口都匹配时，送入到1端的功率平均地在端2和端3之间分配，这些输出端口之间具有90相位移
7、，没有功率耦合到端口4。S矩阵的形式为奇偶模分析图5.22是以归一化形式表示的分支线耦合器简图。图5.22 归一化形式分支线耦合器电路图5.23 分支线耦合器分解为奇模激励和偶模激励图5.24 三节微带分支线耦合器5.3.3 耦合线定向耦合器耦合传输线：当两根无屏蔽的传输线紧靠在一起时，由于各根线电磁场的相互作用，线之间可能产生功率耦合。图5.26画出了几种耦合传输线的结构。 图5.26 各种耦合传输线结构1.耦合线理论图5.26所示耦合线或任何其他三线传输线，可以用图5.27的结构来表示。图5.27 三线耦合传输线和它的等效电容网络现在考虑耦合线的两种专门激励情况：偶模带线上的电流幅度相等，
8、而且方向相同；奇模带线上的电流幅度相等，但方向相反。这两种情况的电力线如图5.28所示。图5.28 耦合线的偶、奇模激励和它的等效电容网络对偶模情况，电场相对中心线是对称的，没有电流在两根带线之间流动。这导致了所示的等效电路中C12等效为开路。如果假定两根带线的尺寸和位置一致，任一根线对地的总电容为且偶模的特性阻抗为式中v是线上的传输速度。对奇模情况，电力线相对于中心线是奇对称的，在两带线之间存在有电压零点。可以认为地平面通过C12的中间，得所示的等效电路。任一根带线和地之间的等效电容为而奇模的特性阻抗为（5.63） （5.60） （5.61） （5.62）2.耦合线耦合器的设计利用前面偶模和
9、奇模特性阻抗的定义，可以将偶-奇模分析法用到一段耦合线上，以获得用于单节耦合线耦合器的设计方程。这段传输线如图5.31所示。图5.31 单节耦合线耦合器单节耦合线耦合器偶模特性阻抗的设计方程为：单节耦合线耦合器奇模特性阻抗的设计方程为：3.多节耦合线耦合器设计多节耦合线耦合器如图5.35所示。图5.35 N节耦合线耦合器5.3.4 Lange耦合器一般讲，耦合线耦合器的耦合较松，很难做到3dB或6dB耦合度。增加边缘耦合线耦合的一种方法是采用几条线彼此并行，以使得线的两边都产生耦合。实际应用这种概念来实现时，最常见的是如图5.37a所示的Lange耦合器。这里四根耦合线采用相互连接以提供紧耦合
10、。这种耦合器很容易做到3dB耦合度，具有一个或多个倍频程带宽。设计思路是补偿偶模和奇模速度的不等，也改善了带宽。输出线（端口2和3）之间具有90相位差，以使这种耦合器是一种典型的90分支耦合器。其主要缺点是在实用上线很窄，而且靠得近，古制作很困难，另外还需要粘接跳线。这种类型的耦合线结构也被称为交指型耦合器，亦能用于滤波电路。图3.73 Lange耦合器5.4 180混合环5.4.1 180混合环混合接头是一种四端口网络，它的两个输出端口之间具有180相移，也可以运行在输出同相位状态。图5.40为180混合接头符号。加到1端口的信号，将被均等地在端口2和3剖分为两个同相分量，端口4降为隔离端口
11、。如输入信号从4端口送入，它将被等分为两根具有180相位差的分量在端口2和3输出，端口1为隔离端口。当用作功率合成时，将输入信号加在端口2和3，在端口1形成输入信号之和，在端口4形成它们之差。因此端口1和4对应地称为和、差端口。图5.40 180混合接头符号理想的3dB、180混合接头的散射矩阵具有下述形式混合接头的制作形式：1.混合环（或rat-race）：如图5.41和5.42（a）所示图5.41 微带混合环2.采用渐变匹配线和耦合线制作的平面180混合接头：如图5.42（b）所示。3.混合波导接头（魔T）：如图5.42（c）所示5.4.2 波导魔T接头首先考虑一个TE10模自端口1入射，Ey力线如图5.46（a）所示。由图可见，它相对波导4是奇对称的。由于波导4中TE10模的力线是偶对称的，端口1和4之间没有耦合。但是耦合到端口2和3是一致的，导致了同相、等功率分路。然后，一个TE10模自端口4入射时，电力线分布如图5.46（b）所示。由于对称性（或互易性）端口1和4之间仍然无耦合，端口2和3被入射波同样地激励，但是具有180相位差。图5.46 波导魔T混合接头的电力线分布
