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1、4.2 功率分配元件在微波系统中，需将功率进行分路或在微波系统中，需将功率进行分路或合成，合成，-即功率分配问题，其元件称为功即功率分配问题，其元件称为功率分配器率分配器/合成器。合成器。主要有：定向耦合器、功率分配器、主要有：定向耦合器、功率分配器、微波分支器件。微波分支器件。1.1、定向耦合器定向耦合器是一种具有定定向耦合器是一种具有定向传输特性的四端口元件向传输特性的四端口元件端口是输入端口端口是输入端口； 端口是直通输出端口端口是直通输出端口； 端口是耦合输出端口端口是耦合输出端口； 端口是隔离端口。端口是隔离端口。四端口网络可以同时具四端口网络可以同时具备备互易、互易、无耗无耗、完全
2、匹配完全匹配性质性质1 1 无耗互易四端口网络可以完全匹配，且为一无耗互易四端口网络可以完全匹配，且为一理想定向耦合器。理想定向耦合器。（可由互易（可由互易、幺正性证明。）幺正性证明。）一个可逆无耗四端口网络，各个端口完全一个可逆无耗四端口网络，各个端口完全匹配，有一个端口同输入端口完全隔离，匹配，有一个端口同输入端口完全隔离，输入功率在其余两个端口上分配输出，这输入功率在其余两个端口上分配输出，这种网络称为理想定向耦合器。种网络称为理想定向耦合器。四端口网络的特性四端口网络的特性性质性质2 2 有理想定向性的无耗互易四端口网络有理想定向性的无耗互易四端口网络不一定四个端口均匹配，即是说四个不
3、一定四个端口均匹配，即是说四个端口匹配是定向耦合器的充分条件，端口匹配是定向耦合器的充分条件，而不是必要条件。而不是必要条件。性质性质 3 3 有两个端口匹配且相隔离的无耗互易有两个端口匹配且相隔离的无耗互易四端口电路必然为一理想定向耦合器，四端口电路必然为一理想定向耦合器，且其余两个端口亦匹配并相互隔离。且其余两个端口亦匹配并相互隔离。 （可由其幺正性得到证明（可由其幺正性得到证明）1 1）定向耦合器的性能指标）定向耦合器的性能指标隔离度隔离度( (表明输入端口与隔离端口之间的关系表明输入端口与隔离端口之间的关系) )：定向性定向性( (表明耦合线上耦合端口与隔离端口之间的关系表明耦合线上耦
4、合端口与隔离端口之间的关系):耦合度耦合度( (表明输入与耦合之间的关系表明输入与耦合之间的关系) :) :此三参数有如下关系：此三参数有如下关系：工作带宽工作带宽：指定向耦合器的指定向耦合器的C、I、D、r r 等参数均等参数均满足要求时的工作频率范围。满足要求时的工作频率范围。输入驻波比输入驻波比( (端口端口均接匹配负载时输入端口均接匹配负载时输入端口的驻波比定义为输入驻波比的驻波比定义为输入驻波比) :) :理想的定向耦合器：理想的定向耦合器：具有具有无限大无限大的定向性的定向性和和隔离度隔离度（S S1414=0=0），），S S3131和和S S3232则可根据给定的则可根据给定的
5、耦合度耦合度C C求得求得。公共宽臂（或窄臂）上相距公共宽臂（或窄臂）上相距 的双孔耦合器。如图。的双孔耦合器。如图。2 2 2 2）波导双孔定向耦合器）波导双孔定向耦合器）波导双孔定向耦合器）波导双孔定向耦合器. . . .设电磁波由端口设电磁波由端口输入，大部分波向端口输入，大部分波向端口传输，一部分传输，一部分波通过两个孔耦合到副波导中。由于两孔相距波通过两个孔耦合到副波导中。由于两孔相距 ，结果，结果在端口在端口方向的波相位同相而增强，在端口方向的波相位同相而增强，在端口方向则因相方向则因相位反相而相互抵消。位反相而相互抵消。注意：在端口注意：在端口方向方向波的抵消是与频率有波的抵消是
6、与频率有关的，故其定向性是关的，故其定向性是频率的敏感函数；而频率的敏感函数；而耦合度则受频率的影耦合度则受频率的影响较小。响较小。式中式中 为第一个小孔的。为第一个小孔的。对于双孔尺寸一样，则对于双孔尺寸一样，则 (dB)(dB)定向性则为定向性则为 (dB) (dB)因此在多孔耦合器的综合设计中总是选择定向因此在多孔耦合器的综合设计中总是选择定向性的响应作为综合设计用的频率响应。性的响应作为综合设计用的频率响应。双分支定向耦合器是双分支定向耦合器是由主线、副线和两条由主线、副线和两条分支线组成。分支线组成。3)3)双分支定向耦合器双分支定向耦合器其特性是当所有端口匹配时，由端口其特性是当所
7、有端口匹配时，由端口输入的功率：输入的功率：直通臂直通臂：一路经：一路经l lg/4/4、另一路经、另一路经3 3l lg/4/4（不幅度反相）在（不幅度反相）在口口相减输出相减输出, ,输出相位比输出相位比口输入的相位滞后口输入的相位滞后p p/2, /2, 耦合臂耦合臂：一路经：一路经2 2l lg/4/4、另一路经、另一路经2 2l lg/4/4（等幅同相）在（等幅同相）在口输口输出，输出相位比出，输出相位比口输入的相位滞后口输入的相位滞后p p, ,隔离口隔离口：一路经：一路经l lg/4/4、另一路经、另一路经3 3l lg/4/4（等幅反相）在（等幅反相）在口输口输出，出，无输出。
8、无输出。微带双分支定向耦合器微带双分支定向耦合器正交混合电桥正交混合电桥一种一种直通臂直通臂和和耦合臂耦合臂输输出功率平分并有出功率平分并有90相位差相位差的的3dB3dB定向耦合器定向耦合器。S S参数为：分支耦合线具有结构对称参数为：分支耦合线具有结构对称性，其任一端口都可作输入性，其任一端口都可作输入端口，两输出端口总是在与端口，两输出端口总是在与输入端口相反的一边。输入端口相反的一边。由端口由端口输入的功率：输入的功率：端口端口匹配无反射；匹配无反射；直通臂直通臂输出功率为一半，相位滞后输出功率为一半，相位滞后p p/2/2；耦合臂耦合臂输出功率为一半，相位滞后输出功率为一半，相位滞后
9、p p；隔离口隔离口无输出。无输出。2.2.功率分配器功率分配器常用的常用的E-TE-T、H-TH-T、对称对称Y Y分支分支、电阻性功率分配电阻性功率分配器器、威尔金森功率分配器威尔金森功率分配器等等等等。需用要将功率分几路传送到不同的负载中，或将需用要将功率分几路传送到不同的负载中，或将几路功率合成为一路功率，以获得更大的功率。几路功率合成为一路功率，以获得更大的功率。基本要求：基本要求：损耗小损耗小驻波比小驻波比小频带宽频带宽q 三端口网络的特性三端口网络的特性许多功率分配元件均为三端口元器件许多功率分配元件均为三端口元器件(一个端一个端口输入、二个端口输出口输入、二个端口输出)。三端口
10、网络中，三端口网络中，不可能不可能同时实现互易、同时实现互易、无耗和完全匹配。无耗和完全匹配。无耗无耗互易互易三端口网络三端口网络不可能完全匹配不可能完全匹配，即是说三个端口不可能同时都匹配。即是说三个端口不可能同时都匹配。性质性质 1证明：假设三端口都匹配，则有证明：假设三端口都匹配，则有Sii=0（i=1,2,3）则散射矩阵为：则散射矩阵为：又由网络互易可知：又由网络互易可知：Sij=Sji，即有，即有S12=S21、S13=S31、 S23=S32，由相位关系，则由相位关系，则S S1212、S S1313、S S2323中必有两个同时为零，中必有两个同时为零，但由振幅关系，此结果不成立
11、。但由振幅关系，此结果不成立。 振幅关系振幅关系 相位关系相位关系不可能做到无耗、互易和完全匹配。不可能做到无耗、互易和完全匹配。任意任意完全匹配完全匹配的的无耗无耗三端口网络必定三端口网络必定非互易非互易，且为一理想环行器。且为一理想环行器。性质性质2 2证明：匹配三端口网络的证明：匹配三端口网络的S矩阵为：矩阵为：网络无耗，网络无耗，S S具有幺正性：具有幺正性：满足上述方程的解为：满足上述方程的解为：即即 ，故器件为非互易。，故器件为非互易。则有则有和和 相应的两个相应的两个S S矩阵为矩阵为理想环行器理想环行器源天线接收机作为双工器作为双工器性质性质3 3无耗无耗互易互易三端口网络的任
12、意三端口网络的任意两个端口两个端口可以实现匹配可以实现匹配。由幺正性可得：由幺正性可得：证明：假定互易网络的端口证明：假定互易网络的端口1和端口和端口2为匹配端口为匹配端口则则性质性质4 4若三端口网络允许若三端口网络允许有耗有耗，则网络可以是，则网络可以是互易互易的和的和完全匹配完全匹配的，且有耗的三端口的，且有耗的三端口网络可做到其输出端口的隔离。网络可做到其输出端口的隔离。1.匹配匹配2.互易互易3.输出端口的隔离输出端口的隔离1）两路微带功率分配器）两路微带功率分配器威尔金森功率分配器威尔金森功率分配器是一种是一种有耗三端口完全匹有耗三端口完全匹配的网络配的网络。它可实现任意的功率分配
13、比，且输它可实现任意的功率分配比，且输出端口之间可实现隔离。可用微带线来实现。出端口之间可实现隔离。可用微带线来实现。二等分功分器的基本要求：二等分功分器的基本要求：端口端口、无反射；无反射；端口端口、输出功率相等且同相；输出功率相等且同相；Zin3Zin2则有则有对于二等分功分器，如图。对于二等分功分器，如图。则则l/l/4阻抗变换器的特性阻抗应为阻抗变换器的特性阻抗应为为使为使、端口匹配，需加隔离电阻。端口匹配，需加隔离电阻。隔离电阻的作用为：利用有耗条件满隔离电阻的作用为：利用有耗条件满足完全匹配、互易的实现。足完全匹配、互易的实现。2) 2) 微带环形电桥微带环形电桥1.51.5混合环
14、路的带宽受环形混合环路的带宽受环形长度的限制，约为长度的限制，约为20-30%20-30%，增加带宽的办法是采用对称增加带宽的办法是采用对称的的11混合环。混合环。混合环各支路特性阻抗为混合环各支路特性阻抗为Z Z0 0，根据根据/4/4变换性可知，环行线变换性可知，环行线的特性阻抗应为的特性阻抗应为 。当用作功率合成器时，输入信号当用作功率合成器时，输入信号分别加于端口分别加于端口和和，则在端口，则在端口输出输出和信号（和端口）和信号（和端口），在端，在端口口输出输出差信号（差端口）差信号（差端口）。信号由端口信号由端口输入时，端口输入时，端口和和为为等幅同相等幅同相输出，端输出，端口口无输
15、出（隔离端口）；无输出（隔离端口）；若信号由端口若信号由端口输入，则由输入，则由端口端口和和等幅反相等幅反相输出，输出，端口端口无输出。无输出。E-T接头当波导中只有接头当波导中只有主模主模TE10模传输，模传输，E-T接头（接头（E面面T形接头）的特性：形接头）的特性：(a)当信号由当信号由口输入时，口输入时，和和口都有输出；口都有输出；E3）E-T接头：接头：分支波导的宽边与分支波导的宽边与TE10模模电电场场所在平面平行者称为所在平面平行者称为E-T(b)(b)当信号由当信号由口入时，口入时，和和口都有输出；口都有输出；(c)(c)当信号由当信号由口入时，口入时，和和口都有输出且口都有输
16、出且幅度相同相位相反。幅度相同相位相反。(d)(d)信号由信号由和和口同相输入时，口同相输入时，在在口的对称面上，电场为反口的对称面上，电场为反相相减，端口相相减，端口的输出的输出最小最小； 若若和和口信号口信号等幅等幅，则则口口的的输出为零输出为零。(e)(e)当信号由当信号由和和端口等幅端口等幅反相输入时，在端口反相输入时，在端口的的对称面上，电场为同相相对称面上，电场为同相相加，端口加，端口的输出的输出最大最大。分路器：可得到分路器：可得到大小相等，方向大小相等，方向相反的电场相反的电场合路器：对输入幅合路器：对输入幅度相等、方向相反度相等、方向相反的电场进行合成的电场进行合成端口端口为
17、输入端，为匹配状态为输入端，为匹配状态( (S3333=0)=0)，由于结构对称，端口，由于结构对称，端口和和的驻波相等（的驻波相等（S11=S22），则），则E-TE-T接头的接头的S S矩阵为：矩阵为：由上述由上述E-T的特性有；的特性有； 即输出等幅反相。即输出等幅反相。由无耗网络由无耗网络S矩阵的幺正性：矩阵的幺正性：ET的的S矩阵矩阵无耗无耗T T形接头不能做到完全匹配形接头不能做到完全匹配又由又由 及及振幅条件振幅条件1-2，可得可得由由 和振幅条件和振幅条件3可得：可得：另由相位条件另由相位条件2，得：，得：端口端口输入时，输入时，E-T的的S矩阵为矩阵为故故一般情况下一般情况下
18、 但由于结构对称但由于结构对称一般情况下，一般情况下，E-T的三个端口的三个端口不匹配，不匹配，同时由端口同时由端口输入时，输入时，端口端口和和的输出场的方向相反，故的输出场的方向相反，故例：例：已知已知E-T，当由，当由的输入功率为的输入功率为25W时，时，和和两两端口的输出功率为多少？端口的输出功率为多少？如由如由口入，则由口入，则由和和口的输出功率为多少？口的输出功率为多少？解：解： Pin=25Wa)由端口由端口的输入功率为：的输入功率为：由端口由端口和和的输出功率分别为：的输出功率分别为： 由由E-TE-T的散射矩阵可知：的散射矩阵可知：b)4) H-T接头接头主要特性：主要特性：
19、当信号由当信号由口入时，口入时，和和口都有口都有等幅同相等幅同相输出输出可用作功率分配器或功率合成器。可用作功率分配器或功率合成器。H-TH-T接头端口接头端口匹配时，匹配时，和和口并不匹配，驻波比等于口并不匹配，驻波比等于3 3。其公式与其公式与E-TE-T类似（式中类似（式中 ）。）。返回5 5）匹配双）匹配双T T（波导魔（波导魔T T）波导魔波导魔T T是匹配双是匹配双T T，由双，由双T T波导波导接头处加入匹配元件（螺钉、接头处加入匹配元件（螺钉、膜片或小锥体）构成。膜片或小锥体）构成。 四个端口完全匹配；四个端口完全匹配； 不仅不仅E E臂和臂和H H臂相互隔臂相互隔离，而且两侧
20、臂也相离，而且两侧臂也相互隔离；互隔离； 进入一侧臂的信号，将进入一侧臂的信号，将由由E E臂和臂和H H臂等分输出，臂等分输出，而不进入另一臂；而不进入另一臂；魔魔T T具有如下特性：具有如下特性：E臂臂H臂臂进入进入E E臂的信号，将由两臂的信号，将由两侧臂等幅反相输出，而侧臂等幅反相输出，而不进入不进入H H臂；臂；若两臂同时加入信号，若两臂同时加入信号，E E臂输出的信号等于两输入信臂输出的信号等于两输入信号相量差的号相量差的 倍；倍；H H臂输出的信号等于两输入信号相臂输出的信号等于两输入信号相量和的量和的 倍。倍。进入进入H H臂的信号，将由两臂的信号，将由两侧臂等幅同相输出，而侧
21、臂等幅同相输出，而不进入不进入E E臂；臂；故故E E臂称为差臂；臂称为差臂；H H臂称为和臂。臂称为和臂。魔魔T T在微波技术中有着广泛的应用，可用来组在微波技术中有着广泛的应用，可用来组成成微波阻抗电桥微波阻抗电桥、平衡混频器平衡混频器、功率分配器功率分配器、和差器和差器、相移器相移器、天线双工器天线双工器、平衡相位检波平衡相位检波器器、鉴频器鉴频器、调制器调制器等。等。波导魔波导魔T T的的S S矩阵：矩阵：例：例：如图所示如图所示E-T分支，其臂分支，其臂2接短路活塞，请问接短路活塞，请问短路活塞与对称中心平面的距离短路活塞与对称中心平面的距离l为多少时，为多少时，臂臂3的负载得到最大
22、功率或得不到功率？的负载得到最大功率或得不到功率？解：解：l 2端口输出的信号经短端口输出的信号经短路器全部反射回来。路器全部反射回来。 与与1端口的信号同相时，端口的信号同相时，3端口输出的信号为差信端口输出的信号为差信号；号； 与与1端口端口反相时，反相时，3端端口输出为最大。口输出为最大。又由于短路器的反射系数为又由于短路器的反射系数为-1，即有，即有p p的相位差。的相位差。反射波回至反射波回至A点所走过的路程为点所走过的路程为2l，由路程所致相，由路程所致相位差为位差为2l，因此，当波回因此，当波回A A点时与点时与1 1端口的入射波端口的入射波的相位差为的相位差为+2lA当当l=l
23、 lg/4时，时，2l= l lg/2，路程所，路程所致相位差为致相位差为p p，+2l2p p，同，同相，相，3 3端口输出最小功率。端口输出最小功率。l当当l=l lg/2时，时，2l= l lg，路程所，路程所致相位差为致相位差为2p p，加上短路反，加上短路反射所得相位差射所得相位差p p，反相，反相，3 3端端口的输出为最大功率。口的输出为最大功率。S S参数的特性参数的特性该端口为匹配，无反射该端口为匹配，无反射由由j端口输入，端口端口输入，端口i全部输出；全部输出；全部传输全部传输该端口全反射该端口全反射对于无耗网络对于无耗网络由由j端口输入，端口端口输入，端口i无输出；即无输出；即j端口到端口到i端口无传输，即端口无传输，即j端口到端口到i端口隔离端口隔离
