第4-2章功率分配元件课件

§4.2功率分配元件 在微波系统中，需将功率进行分路或合成，--即功率分配问题，其元件称为功率分配器/合成器。 主要有：定向耦合器、功率分配器、微波分支器件。§4.2功率分配元件 在微波系统中，需将功率进行分路或合11、定向耦合器定向耦合器是一种具有定向传输特性的四端口元件①端口是输入端口；

②端口是直通输出端口；

③端口是耦合输出端口；

④端口是隔离端口。四端口网络可以同时具备互易、无耗、完全匹配1、定向耦合器定向耦合器是一种具有定向传输特性的四端口元件①2性质1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。（可由互易、幺正性证明。）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，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。四端口网络的特性性质1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3性质2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，即是说四个端口匹配是定向耦合器的充分条件，而不是必要条件。性质2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4性质3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，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）性质3有两个端口匹配且相隔离的无耗互易四端口电路必然为一51）定向耦合器的性能指标隔离度(表明输入端口与隔离端口之间的关系)：定向性(表明耦合线上耦合端口与隔离端口之间的关系):耦合度(表明输入与耦合之间的关系):此三参数有如下关系：1）定向耦合器的性能指标隔离度(表明输入端口与隔离端口之间的6工作带宽：指定向耦合器的C、I、D、r等参数均满足要求时的工作频率范围。输入驻波比(端口②③④均接匹配负载时输入端口①的驻波比定义为输入驻波比):理想的定向耦合器：具有无限大的定向性和隔离度（S14=0），S31和S32则可根据给定的耦合度C求得。工作带宽：指定向耦合器的C、I、D、r等参数均满足要求时的7公共宽臂（或窄臂）上相距的双孔耦合器。如图。2）波导双孔定向耦合器.设电磁波由端口①输入，大部分波向端口②传输，一部分波通过两个孔耦合到副波导中。由于两孔相距，结果在端口③方向的波相位同相而增强，在端口④方向则因相位反相而相互抵消。注意：在端口④方向波的抵消是与频率有关的，故其定向性是频率的敏感函数；而耦合度则受频率的影响较小。公共宽臂（或窄臂）上相距的双孔耦合器。如图。28式中为第一个小孔的。对于双孔尺寸一样，则

(dB)定向性则为

(dB)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。式中为第一个小孔的。对于双孔尺寸一样，则9双分支定向耦合器是由主线、副线和两条分支线组成。3)双分支定向耦合器其特性是当所有端口匹配时，由端口①输入的功率：直通臂②：一路经lg/4、另一路经3lg/4（不幅度反相）在②口相减输出,输出相位比①口输入的相位滞后p/2,耦合臂③：一路经2lg/4、另一路经2lg/4（等幅同相）在③口输出，输出相位比①口输入的相位滞后p,隔离口④：一路经lg/4、另一路经3lg/4（等幅反相）在④口输出，④无输出。微带双分支定向耦合器双分支定向耦合器是由主线、副线和两条分支线组成。3)双分支定10正交混合电桥一种直通臂②和耦合臂③输出功率平分并有90°相位差的3dB定向耦合器。S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端口，两输出端口总是在与输入端口相反的一边。由端口①输入的功率：端口①匹配无反射；直通臂②输出功率为一半，相位滞后p/2；耦合臂③输出功率为一半，相位滞后p；隔离口④无输出。正交混合电桥一种直通臂②和耦合臂③输出功率平分并有90°相位112.功率分配器常用的E-T、H-T、对称Y分支、电阻性功率分配器、威尔金森功率分配器等等。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。基本要求：损耗小驻波比小频带宽2.功率分配器常用的E-T、H-T、对称Y分支、电阻性功率分12三端口网络的特性许多功率分配元件均为三端口元器件(一个端口输入、二个端口输出)。三端口网络中，不可能同时实现互易、无耗和完全匹配。三端口网络的特性许多功率分配元件均为三端口元器件(一个端口13无耗互易三端口网络不可能完全匹配，即是说三个端口不可能同时都匹配。性质1证明：假设三端口都匹配，则有Sii=0（i=1,2,3）则散射矩阵为：又由网络互易可知：Sij=Sji，即有S12=S21、S13=S31、S23=S32，无耗互易三端口网络不可能完全匹配，即是说三个端口不可能同时都14由相位关系，则S12、S13、S23中必有两个同时为零，但由振幅关系，此结果不成立。

振幅关系

相位关系∴不可能做到无耗、互易和完全匹配。由相位关系，则S12、S13、S23中必有两个同时为零，但由15任意完全匹配的无耗三端口网络必定非互易，且为一理想环行器。性质2证明：匹配三端口网络的S矩阵为：∵网络无耗，S具有幺正性：任意完全匹配的无耗三端口网络必定非互易，且为一理想环行器。性16满足上述方程的解为：即，故器件为非互易。则有满足上述方程的解为：即，故器件为17和相应的两个S矩阵为理想环行器和相应的两个S矩阵为理想环行器18源天线接收机作为双工器源天线接收机作为双工器19性质3无耗互易三端口网络的任意两个端口可以实现匹配。由幺正性可得：证明：假定互易网络的端口1和端口2为匹配端口则性质3无耗互易三端口网络的任意两个端口可以实现匹配。由幺正性20性质4若三端口网络允许有耗，则网络可以是互易的和完全匹配的，且有耗的三端口网络可做到其输出端口的隔离。1.匹配2.互易3.输出端口的隔离性质4若三端口网络允许有耗，则网络可以是互易的和完全匹配的，211）两路微带功率分配器威尔金森功率分配器是一种有耗三端口完全匹配的网络。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。1）两路微带功率分配器威尔金森功率分配器是一种有耗三端口完全22二等分功分器的基本要求：端口①、②、③无反射；端口②、③输出功率相等且同相；Zin3Zin2则有对于二等分功分器，如图。则l/4阻抗变换器的特性阻抗应为为使②、③端口匹配，需加隔离电阻。隔离电阻的作用为：利用有耗条件满足完全匹配、互易的实现。二等分功分器的基本要求：端口①、②、③无反射；Zin3Zin232)微带环形电桥1.5λ混合环路的带宽受环形长度的限制，约为20--30%，增加带宽的办法是采用对称的1λ混合环。混合环各支路特性阻抗为Z0，根据λ/4变换性可知，环行线的特性阻抗应为。2)微带环形电桥1.5λ混合环路的带宽受环形长度的限制，约24当用作功率合成器时，输入信号分别加于端口②和③，则在端口①输出和信号（和端口），在端口④输出差信号（差端口）。信号由端口①输入时，端口②和③为等幅同相输出，端口④无输出（隔离端口）；若信号由端口④输入，则由端口②和③等幅反相输出，端口①无输出。当用作功率合成器时，输入信号分别加于端口②和③，则在端口①输25E-T接头当波导中只有主模TE10模传输，E-T接头（E面T形接头）的特性：(a)当信号由①口输入时，②和③口都有输出；E3）E-T接头：分支波导的宽边与TE10模电场所在平面平行者称为E-TE-T接头当波导中只有主模TE10模传输，E-T接头（E面T26(b)当信号由②口入时，①和③口都有输出；(c)当信号由③口入时，①和②口都有输出且幅度相同相位相反。(b)当信号由②口入时，①和③口都有输出；(c)当信号由③口27(d)信号由①和②口同相输入时，在③口的对称面上，电场为反相相减，端口③的输出最小；若①和②口信号等幅，则③口的输出为零。(e)当信号由①和②端口等幅反相输入时，在端口③的对称面上，电场为同相相加，端口③的输出最大。(d)信号由①和②口同相输入时，在③口的对称面上，电场为反相28分路器：可得到大小相等，方向相反的电场合路器：对输入幅度相等、方向相反的电场进行合成分路器：可得到大小相等，方向相反的电场合路器：对输入幅度相等29端口③为输入端，为匹配状态(S33=0)，由于结构对称，端口①和②的驻波相等（S11=S22），则E-T接头的S矩阵为：由上述E-T的特性有；即输出等幅反相。由无耗网络S矩阵的幺正性：E—T的[S]矩阵无耗T形接头不能做到完全匹配端口③为输入端，为匹配状态(S33=0)，由于结构对称，端口30又由及振幅条件1-2，可得由和振幅条件3可得：另由相位条件2，得：端口③输入时，E-T的S矩阵为又由及振幅条件1-2，可得由31故一般情况下但由于结构对称一般情况下，E-T的三个端口不匹配，同时由端口③输入时，端口①和②的输出场的方向相反，故故一般情况下但由于结构对称一般情况下，E-T的三个端口不匹32例：已知E-T，当由③的输入功率为25W时，①和②两端口的输出功率为多少？如由①口入，则由②和③口的输出功率为多少？解：

Pin=25Wa)由端口③的输入功率为：由端口①和②的输出功率分别为：例：已知E-T，当由③的输入功率为25W时，①和②两端口的输33∴

由E-T的散射矩阵可知：∴由E-T的散射矩阵可知：34b)b)354)H-T接头主要特性：当信号由③口入时，①和②口都有等幅同相输出可用作功率分配器或功率合成器。H-T接头端口③匹配时，①和②口并不匹配，驻波比等于3。其公式与E-T类似（式中）。4)H-T接头主要特性：当信号由③口入时，①和②口都有等36返回5）匹配双T（波导魔T）波导魔T是匹配双T，由双T波导接头处加入匹配元件（螺钉、膜片或小锥体）构成。返回5）匹配双T（波导魔T）波导魔T是匹配双T，由双T波导接37四个端口完全匹配；不仅E臂和H臂相互隔离，而且两侧臂也相互隔离；进入一侧臂的信号，将由E臂和H臂等分输出，而不进入另一臂；魔T具有如下特性：E臂H臂四个端口完全匹配；不仅E臂和H臂相互隔离，而且两侧臂也相38进入E臂的信号，将由两侧臂等幅反相输出，而不进入H臂；若两臂同时加入信号，E臂输出的信号等于两输入信号相量差的倍；H臂输出的信号等于两输入信号相量和的倍。进入H臂的信号，将由两侧臂等幅同相输出，而不进入E臂；故E臂称为差臂；H臂称为和臂。进入E臂的信号，将由两侧臂等幅反相输出，而不进入H臂；若两臂39魔T在微波技术中有着广泛的应用，可用来组成微波阻抗电桥、平衡混频器、功率分配器、和差器、相移器、天线双工器、平衡相位检波器、鉴频器、调制器等。波导魔T的S矩阵：魔T在微波技术中有着广泛的应用，可用来组成微波阻抗电桥、平衡40例：如图所示E-T分支，其臂2接短路活塞，请问短路活塞与对称中心平面的距离l为多少时，臂3的负载得到最大功率或得不到功率？解：l

2端口输出的信号经短路器全部反射回来。与1端口的信号同相时，3端口输出的信号为差信号；

与1端口反相时，3端口输出为最大。例：如图所示E-T分支，其臂2接短路活塞，请问短路活塞与对称41又由于短路器的反射系数为-1，即有p的相位差。反射波回至A点所走过的路程为2l，由路程所致相位差为2βl，因此，当波回A点时与1端口的入射波的相位差为π+2βlA当l=lg/4时，2l=lg/2，路程所致相位差为p，π+2βl＝2p，同相，3端口输出最小功率。l当l=lg/2时，2l=lg，路程所致相位差为2p，加上短路反射所得相位差p，反相，3端口的输出为最大功率。又由于短路器的反射系数为-1，即有p的相位差。A当l=lg/42S参数的特性该端口为匹配，无反射由j端口输入，端口i全部输出；全部传输该端口全反射对于无耗网络由j端口输入，端口i无输出；即j端口到i端口无传输，即j端口到i端口隔离S参数的特性该端口为匹配，无反射由j端口输入，端口i全部输出43§4.2功率分配元件 在微波系统中，需将功率进行分路或合成，--即功率分配问题，其元件称为功率分配器/合成器。 主要有：定向耦合器、功率分配器、微波分支器件。§4.2功率分配元件 在微波系统中，需将功率进行分路或合441、定向耦合器定向耦合器是一种具有定向传输特性的四端口元件①端口是输入端口；

②端口是直通输出端口；

③端口是耦合输出端口；

④端口是隔离端口。四端口网络可以同时具备互易、无耗、完全匹配1、定向耦合器定向耦合器是一种具有定向传输特性的四端口元件①45性质1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。（可由互易、幺正性证明。）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，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。四端口网络的特性性质1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46性质2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，即是说四个端口匹配是定向耦合器的充分条件，而不是必要条件。性质2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47性质3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，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）性质3有两个端口匹配且相隔离的无耗互易四端口电路必然为一481）定向耦合器的性能指标隔离度(表明输入端口与隔离端口之间的关系)：定向性(表明耦合线上耦合端口与隔离端口之间的关系):耦合度(表明输入与耦合之间的关系):此三参数有如下关系：1）定向耦合器的性能指标隔离度(表明输入端口与隔离端口之间的49工作带宽：指定向耦合器的C、I、D、r等参数均满足要求时的工作频率范围。输入驻波比(端口②③④均接匹配负载时输入端口①的驻波比定义为输入驻波比):理想的定向耦合器：具有无限大的定向性和隔离度（S14=0），S31和S32则可根据给定的耦合度C求得。工作带宽：指定向耦合器的C、I、D、r等参数均满足要求时的50公共宽臂（或窄臂）上相距的双孔耦合器。如图。2）波导双孔定向耦合器.设电磁波由端口①输入，大部分波向端口②传输，一部分波通过两个孔耦合到副波导中。由于两孔相距，结果在端口③方向的波相位同相而增强，在端口④方向则因相位反相而相互抵消。注意：在端口④方向波的抵消是与频率有关的，故其定向性是频率的敏感函数；而耦合度则受频率的影响较小。公共宽臂（或窄臂）上相距的双孔耦合器。如图。251式中为第一个小孔的。对于双孔尺寸一样，则

(dB)定向性则为

(dB)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。式中为第一个小孔的。对于双孔尺寸一样，则52双分支定向耦合器是由主线、副线和两条分支线组成。3)双分支定向耦合器其特性是当所有端口匹配时，由端口①输入的功率：直通臂②：一路经lg/4、另一路经3lg/4（不幅度反相）在②口相减输出,输出相位比①口输入的相位滞后p/2,耦合臂③：一路经2lg/4、另一路经2lg/4（等幅同相）在③口输出，输出相位比①口输入的相位滞后p,隔离口④：一路经lg/4、另一路经3lg/4（等幅反相）在④口输出，④无输出。微带双分支定向耦合器双分支定向耦合器是由主线、副线和两条分支线组成。3)双分支定53正交混合电桥一种直通臂②和耦合臂③输出功率平分并有90°相位差的3dB定向耦合器。S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端口，两输出端口总是在与输入端口相反的一边。由端口①输入的功率：端口①匹配无反射；直通臂②输出功率为一半，相位滞后p/2；耦合臂③输出功率为一半，相位滞后p；隔离口④无输出。正交混合电桥一种直通臂②和耦合臂③输出功率平分并有90°相位542.功率分配器常用的E-T、H-T、对称Y分支、电阻性功率分配器、威尔金森功率分配器等等。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。基本要求：损耗小驻波比小频带宽2.功率分配器常用的E-T、H-T、对称Y分支、电阻性功率分55三端口网络的特性许多功率分配元件均为三端口元器件(一个端口输入、二个端口输出)。三端口网络中，不可能同时实现互易、无耗和完全匹配。三端口网络的特性许多功率分配元件均为三端口元器件(一个端口56无耗互易三端口网络不可能完全匹配，即是说三个端口不可能同时都匹配。性质1证明：假设三端口都匹配，则有Sii=0（i=1,2,3）则散射矩阵为：又由网络互易可知：Sij=Sji，即有S12=S21、S13=S31、S23=S32，无耗互易三端口网络不可能完全匹配，即是说三个端口不可能同时都57由相位关系，则S12、S13、S23中必有两个同时为零，但由振幅关系，此结果不成立。

振幅关系

相位关系∴不可能做到无耗、互易和完全匹配。由相位关系，则S12、S13、S23中必有两个同时为零，但由58任意完全匹配的无耗三端口网络必定非互易，且为一理想环行器。性质2证明：匹配三端口网络的S矩阵为：∵网络无耗，S具有幺正性：任意完全匹配的无耗三端口网络必定非互易，且为一理想环行器。性59满足上述方程的解为：即，故器件为非互易。则有满足上述方程的解为：即，故器件为60和相应的两个S矩阵为理想环行器和相应的两个S矩阵为理想环行器61源天线接收机作为双工器源天线接收机作为双工器62性质3无耗互易三端口网络的任意两个端口可以实现匹配。由幺正性可得：证明：假定互易网络的端口1和端口2为匹配端口则性质3无耗互易三端口网络的任意两个端口可以实现匹配。由幺正性63性质4若三端口网络允许有耗，则网络可以是互易的和完全匹配的，且有耗的三端口网络可做到其输出端口的隔离。1.匹配2.互易3.输出端口的隔离性质4若三端口网络允许有耗，则网络可以是互易的和完全匹配的，641）两路微带功率分配器威尔金森功率分配器是一种有耗三端口完全匹配的网络。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。1）两路微带功率分配器威尔金森功率分配器是一种有耗三端口完全65二等分功分器的基本要求：端口①、②、③无反射；端口②、③输出功率相等且同相；Zin3Zin2则有对于二等分功分器，如图。则l/4阻抗变换器的特性阻抗应为为使②、③端口匹配，需加隔离电阻。隔离电阻的作用为：利用有耗条件满足完全匹配、互易的实现。二等分功分器的基本要求：端口①、②、③无反射；Zin3Zin662)微带环形电桥1.5λ混合环路的带宽受环形长度的限制，约为20--30%，增加带宽的办法是采用对称的1λ混合环。混合环各支路特性阻抗为Z0，根据λ/4变换性可知，环行线的特性阻抗应为。2)微带环形电桥1.5λ混合环路的带宽受环形长度的限制，约67当用作功率合成器时，输入信号分别加于端口②和③，则在端口①输出和信号（和端口），在端口④输出差信号（差端口）。信号由端口①输入时，端口②和③为等幅同相输出，端口④无输出（隔离端口）；若信号由端口④输入，则由端口②和③等幅反相输出，端口①无输出。当用作功率合成器时，输入信号分别加于端口②和③，则在端口①输68E-T接头当波导中只有主模TE10模传输，E-T接头（E面T形接头）的特性：(a)当信号由①口输入时，②和③口都有输出；E3）E-T接头：分支波导的宽边与TE10模电场所在平面平行者称为E-TE-T接头当波导中只有主模TE10模传输，E-T接头（E面T69(b)当信号由②口入时，①和③口都有输出；(c)当信号由③口入时，①和②口都有输出且幅度相同相位相反。(b)当信号由②口入时，①和③口都有输出；(c)当信号由③口70(d)信号由①和②口同相输入时，在③口的对称面上，电场为反相相减，端口③的输出最小；若①和②口信号等幅，则③口的输出为零。(e)当信号由①和②端口等幅反相输入时，在端口③的对称面上，电场为同相相加，端口③的输出最大。(d)信号由①和②口同相输入时，在③口的对称面上，电场为反相71分路器：可得到大小相等，方向相反的电场合路器：对输入幅度相等、方向相反的电场进行合成分路器：可得到大小相等，方向相反的电场合路器：对输入幅度相等72端口③为输入端，为匹配状态(S33=0)，由于结构对称，端口①和②的驻波相等（S11=S22），则E-T接头的S矩阵为：由上述E-T的特性有；即输出等幅反相。由无耗网络S矩阵的幺正性：E—T的[S]矩阵无耗T形接头不能做到完全匹配端口③为输入端，为匹配状态(S33=0)，由于结构对称，端口73又由及振幅条件1-2，可得由和振幅条件3可得：另由相位条件2，得：端口③输入时，E-T的S矩阵为又由及振幅条件1-2，可得由74故一般情况下但由于结构对称一般情况下，E-T的三个端口不匹配，同时由端口③输入时，端口①和②的输出场的方向相反，故故一般情况下但由于结构对称一般情况下，E-T的三个端口不匹75例：已知E-T，当由③的输入功率为25W时，①和②两端口的输出功率为多少？如由①口入，则由②和③口的输出功率为多少？解：

Pin=25Wa)由端口③的输入功率为：由端口①和②的输出功率分别为：例：已知E-T，当由③的输入功率为25W时，①和②两端口的输76∴

由E-T的散射矩阵可知：∴由E-T的散射矩阵可知：77b)b)784)H-T接头主要特性：当信号由③口入时，①和②口都有等幅同相输出可用作功率分配器或功率合成器。H-T接头端口③匹配时，①和②口并不匹配，驻波比等于3。其公式与E-T类似（式中