耦合器设计--基本理论

1、1耦合器设计23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。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4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：耦合系数（dB）方向性（dB）隔离度（dB）通过率（dB）各个端口的反射系数s

2、11、s22、s33、s44 （dB）31log10PPC 43log10PPD DCPPI41log1012log10PPT 图5-455ABDC/4y01=1y02=1/R/4y0 = by0 = by0 = a1y0 = a2y04=1y03=1/R对称平面(1)(2)(4)(3)（a）/4/8/81b1/Ra1a2AB（d）/4/8/81b1/Ra1a2AB（e）（b）开路（c）短路图2-46 微带双分支定向耦合器 6对于3dB耦合器，并联臂和串联臂的阻抗分别为Zp=Z0、 Zr=Z0/ ，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

3、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。 图5-47 （a）方形分支电桥； （b）圆形分支电桥27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

4、设计方程，如下。图5-48 集中电容补偿微带耦合器8对于准TEM模，输入匹配条件为以及耦合器的耦合系数及方向性都是频率的函数式中下标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为式中f0是耦合器中心频率。oeeooeooeeZZZZZZZ002100000sinsinsinsin902221lreoreeoe sincos1sin2jCjCC412Dooe2211ooeeoeoeeZZZZ00oooooZZZZ

5、00 Doelog ,oZCCf021002图5-48 集中电容补偿微带耦合器9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10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， ，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