耦合器設(shè)計--基本理論

1、1耦合器設(shè)計23耦合器couplers(有時又叫混合環(huán)Hybrids)是微波電路中常用的無源器件，把電路元件直接連起來即可構(gòu)成混合環(huán)，而耦合器一般由靠得很近的傳輸線構(gòu)成，它們一般有四個端口，且每一端口為匹配負載端接，也就是說在給定頻率范圍內(nèi)，端口的反射是很小的，反射系數(shù)一般小于0.1。圖5-44 微波混合環(huán)與耦合器（a）分支線混合環(huán)； （b）集總參數(shù)分支混合環(huán)；（c）平行耦合定向耦合器; (d）3dB lange耦合器4耦合器可看成四端口網(wǎng)絡(luò)。四個端口是輸入端口、直通端口、耦合端口與隔離端口。設(shè)P1是由匹配源饋入端口1功率，P2、P3、P4分別在端口2、3、4可得到的功率，描述該端口的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)

2、主要有四個：耦合系數(shù)（dB）方向性（dB）隔離度（dB）通過率（dB）混合環(huán)和耦合器的性能由耦合系數(shù)、方向性以及負載特性決定，通常隔離端口接匹配負載。31log10PPC 43log10PPD CDPPI41log1012log10PPT 圖5-455ABDC/4y01=1y02=1/R/4y0 = by0 = by0 = a1y0 = a2y04=1y03=1/R對稱平面(1)(2)(4)(3)（a）/4/8/81b1/Ra1a2AB（d）/4/8/81b1/Ra1a2AB（e）（b）開路（c）短路圖2-46 微帶雙分支定向耦合器 6對于3dB耦合器，并聯(lián)臂和串聯(lián)臂的阻抗分別為Zp=Z0、

3、Zr=Z0/ ，Z0是輸入端和輸出端特征阻抗。所以串聯(lián)臂微帶線導(dǎo)帶寬度比并聯(lián)臂寬，如圖5-47a。微帶雙分支定向耦合器也可作成圓形結(jié)構(gòu)，叫做環(huán)形分支電橋，如圖5-47b。從1臂輸入功率平分到左右兩個分支，它們到4臂路徑相差半個波長，即/2，相位相反，故4臂沒有輸出，為隔離臂。從1臂到2臂、3臂功率相等，但路徑相差/4，因而有90相位差。方形分支電橋、環(huán)形分支電橋，在混頻器電路中應(yīng)用甚廣。圖5-47 （a）方形分支電橋；（b）圓形分支電橋27平行耦合線耦合器（見圖5-48）具有對稱性：1、對稱面上電流=0，電壓最大，相當于開路，稱為偶對稱；2、另一種分布，對稱面上電壓=0，電流最大，相當于短路，

4、稱為奇對稱。耦合線上任何場分布都可看成奇模與偶模場分布的組合。基于奇、偶模分析可得到耦合線結(jié)構(gòu)3dB定向耦合器的設(shè)計方程，如下。圖5-48 集中電容補償微帶耦合器8對于準TEM模，輸入匹配條件為以及耦合器的耦合系數(shù)及方向性都是頻率的函數(shù)式中下標e、o表示屬于偶模even和奇模odd的量。e、o是偶模和奇模的傳播常數(shù)。當方向性達到最佳。因此從方向性考慮，希望奇模與偶模具有相同的相速。為此在耦合兩端并聯(lián)電容C1、C2，并聯(lián)電容對偶模不起作用，對奇模相移有影響，其增加的相移o為式中f0是耦合器中心頻率。oeeooeooeeZZZZZZZ002100000sinsinsinsin902221lreor

5、eeoe sincos1sin2jCjCC412Dooe2211ooeeoeoeeZZZZ00oooooZZZZ00 Doelog ,oZCCf021002圖5-48 集中電容補償微帶耦合器9耦合器結(jié)構(gòu)型式眾多，圖5-50a是平面結(jié)構(gòu)的螺旋耦合器，b是折疊線型耦合器。 （a）（b）圖5-50 （a）螺旋耦合器；（b）折疊線型耦合器10圖5-44(d)所示3dB交叉指lange耦合器。端口1輸入，端口2和3輸出功率相等，但有90相移，其特點是頻帶寬，設(shè)計公式為C是電壓耦合系數(shù)，R為阻抗比，Z為歸一化奇模阻抗，R、Z與耦合系數(shù)C關(guān)系見圖5-49，N為導(dǎo)體數(shù)，一般為4，Z0e、Z0o表示偶模、奇模阻抗，Z0為端口阻抗，當N=2， ，當N2時，這個關(guān)系不成立。交叉指耦合器的耦合段有兩個短指和長指，短指長度取工作頻段內(nèi)最高頻率的gh/4，而長指應(yīng)為最低工作頻率的gL/4。連接相應(yīng)耦合指的跳線為幾十m直徑的金絲或鋁絲，叉指尺寸W