三分貝定向耦合器

1、三分貝定向耦合器 摘要：3dB定向耦合器是通信、廣播電視系統(tǒng)中重要的器件之一，本文介紹了描述定向耦合器的性能指標參數(shù)，詳細介紹了3dB定向耦合器的基本結(jié)構(gòu)及特性。Abstract: 3dB coupler is one of the important components in communication and broadcasting system. In this paper, the specifications of directional coupler are presented,and the basic structures and properties of 3dB co

2、upler are presented in detail.1. 引言在廣播電視和通信系統(tǒng)中，經(jīng)常需要耦合部分的射頻功率，以滿足各種需要。定向耦合器是一種具有方向性的功率分配器，它能從主傳輸線系統(tǒng)的正向波中按一定比例分出部分功率，實現(xiàn)功率的分支、分配或合成。三分貝耦合器是一種特殊的定向耦合器，它廣泛應(yīng)用于功率合成，恒阻濾波器和多工器等系統(tǒng)中。下面介紹定向耦合器的性能參數(shù)，并詳細介紹三分貝耦合器的特性。2. 定向耦合器的基本參數(shù)定向耦合器可等效成四端口網(wǎng)絡(luò)。它的基本工作原理借助圖1來描述。圖1 定向耦合器原理自端口1入射的功率中部分功率從直通端口2輸出，另外一部分被耦合到端口3，在理想情況下，沒

3、有功率送到隔離端口4。描述定向耦合器性能的參數(shù)主要有耦合度、隔離度、方向性、插入衰減、輸入駐波比、頻帶寬度等。其中耦合度表征了耦合的強弱。理想的定向耦合器端口駐波比為1，即端口沒有反射；隔離度為無窮大，即隔離端沒有輸出功率。設(shè)定向耦合器輸入端的輸入功率為 ，主線輸出端(簡稱為直通端)的輸出功率為 ，耦合輸出端(簡稱為耦合端)的輸出功率為 ，隔離端的輸出功 率為 ，則定向耦合器的有關(guān)參數(shù)的定義如下。耦合度C：輸入功率 與耦合端的輸出功率 之比，一般用分貝表示，即上式中 P1/P3 稱為功率耦合系數(shù)。設(shè) E1為主線輸入端電壓，E3 為耦合端電壓，S31 表示波由主線輸入端到耦合端的傳輸系數(shù)。因 P

4、1P3 ，故耦合度大于等于零分貝。C表征耦合的強弱，當P1一定時，P3越大，C越小。故零分貝、3分貝定向耦合器為強定向耦合器；20分貝、30分貝定向耦合器為弱定向耦合器。分貝值越大，表明耦合越弱。隔離度D：輸入功率 與隔離端的輸出功率 P1之比，P4一般用分貝表示，即E4為隔離端電壓， S41表示波由主線輸入端到隔離端的傳輸系數(shù)。方向性：耦合端的輸出功率 P3 與隔離端的輸出功率 P4 之比，一般用分貝表示，即插入衰減：輸入功率 P1與直通端的輸出功率 P2 之比，一般用分貝表示，即E2為直通端輸出電壓，S21 表示波由輸入端到直通端的傳輸系數(shù)。輸入端駐波比：其余三端口均接匹配負載時輸入端口的

5、駐波比，即S11為輸入端在其它各端口均接匹配負載情況下的反射系數(shù)，在實際中要求各端口的駐波比盡可能接近1。頻帶寬度：耦合度、隔離度、輸入駐波比等參數(shù)均滿足要求時定向耦合器的工作頻帶寬度。通常要求工作頻帶越寬越好。3. 定向耦合器的網(wǎng)絡(luò)分析定向耦合器的散射矩陣為： a) 設(shè)則構(gòu)成正向定向耦合器，有 將 和 代入上式可得結(jié)論：(3)(2)端口輸出功率之和等于(1)端口的輸入功率,兩輸出端口的輸出電壓波相位差為，因此正向定向耦合器的散射矩陣為：b) 設(shè)則構(gòu)成反向定向耦合器，有 將 和 代入上式可得結(jié)論：(4)(2)端口輸出功率之和等于(1)端口的輸入功率,兩輸出端口的輸出電壓波相位差為，因此反向定向

6、耦合器的散射矩陣為：4. 平行耦合線定向耦合器 是TEM波傳輸線定向耦合器的一種主要形式，主要有耦合帶狀線和耦合微帶線構(gòu)成，具有反向耦合器的特點。單節(jié)1/4平行耦合線定向耦合器平行耦合線定向耦合器的基本工作原理平行耦合線定向耦合器通常采用“奇偶模法”分析。結(jié)構(gòu)對稱，散射矩陣為：當偶模和奇模電壓分別同時在（1）（3）端口激勵時，上圖所示元件就簡化為下圖所示的完全相同的兩個雙端口元件。平行耦合線定向耦合器偶模和奇模激勵等效電路 因為 由a與S參數(shù)的關(guān)系可得S，由b=Sa可求得b，又中心頻率上，可得互易、無耗、對稱、完全匹配的平行耦合線定向耦合器在中心頻率上的散射參數(shù)矩陣為： 其中稱為中心頻率的電壓

7、耦合系數(shù)。結(jié)論：i. 不論耦合區(qū)電角度為何值，要獲得理想匹配與隔離，必須滿足。ii. 耦合輸出電壓b3與直通端輸出電壓b2 都是頻率的函數(shù)，并且無論頻率如何變化，耦合輸出端電壓b3的相位總是比直通輸出端電壓b2的相位超前，在中心頻率上，耦合輸出達最大。iii. 平行耦合線定向耦合器的耦合度C為5. 分支定向（）耦合器a) 結(jié)構(gòu)：是3dB方向耦合器，直通端和耦合端口有相位差，又稱分支線混合接頭，由主線、副線及若干耦合分支線組成，分支線長度及其間距均等于四分之一中心相波長。一種微帶雙分支定向耦合器的結(jié)構(gòu)如下圖示，分支線與主線、副線是并聯(lián)的，各段線的特性均用歸一化特性導納表示，其中端口(1)(4)的傳輸線的歸一化特性導納為=1，端口(2)(3)的傳輸線的歸一化特性導納為=，R稱為變阻比，R=。使用這類定向耦合器可同時起到兩個作用：定向耦合作用和阻抗變換作用。因此該耦合器又稱為“阻抗變換定向耦合器”或“變阻定向耦合器”。b) 理論分析：易知該耦合器的散射矩陣為：假定