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          定向耦合器

          定向耦合器

          定向耦合器是一種通用的微波/毫米波部件,可用于信號的隔離、分離和混合,如功率的監測、源輸出功率穩幅、信號源隔離、傳輸和反射的掃頻測試等。主要技術指標有方向性、駐波比、耦合度、插入損耗。

          目錄

          定向耦合器-簡介
          定向耦合器-工作原理
          定向耦合器-網絡特性

          什么是定向耦合器?

          定向耦合器是微波系統中應用廣泛的一種微波器件,它的本質是將微波信號按一定的定向器比例進行功率分配。定向耦合器由傳輸線構成,同軸線、矩形波導、圓波導、帶狀線和微帶線都可構成定向耦合器,所以從結構來看定向耦合器種類繁多,差異很大。但從它的耦合機理來看主要分為四種,即小孔耦合、平行耦合、分支耦合以及匹配雙T。

          器在20世紀50年代初以前,幾乎所有的微波設備都采用金屬波導和同軸線電路,那個時候的定向耦合器也多為波導小孔耦合定向耦合器,其理論依據是Bethe小孔耦合理論,Cohn和Levy等人也做了很多貢獻。隨著航空和航天技術的發展,要求微波電路和系統做到小型化、輕量化和性能可靠,于是出現了帶狀線和微帶線。隨后由于微波電路與系統的需要有相繼出現了鰭線、槽線、共面波導和共面帶狀線等微波集成傳輸線。這樣就出現了各種傳輸線定向耦合器。

          第一個真正意義上的定向耦合器由H. A. Wheeler在1944年設計實現,Wheeler使用了一對長為四分之一中心頻率波長的圓柱來實現電場與磁場的能量相互耦合,遺憾的是這種方法只能實現一個倍頻程的帶寬。
           
          定向耦合器 - 工作原理
           
          主線中傳輸的功率通過多種途徑耦合到副線,并互相干涉而在副線中只沿一個方向傳輸。
           
          圖1為矩形波導定向耦合器的三種典型耦合結構。a是相距1/4導波長的雙孔耦合;b是間距和長度都等于1/4導波長的雙串聯分支線耦合;c是在裂縫區域內TE和TE兩種傳播模式的連續耦合。以a和b兩種結構為例,從端口①輸入的信號分兩路耦合到副線后,朝端口④方向因行程相等而同相疊加,有輸出;朝③方向則行程相差1/2導波長而反相抵消,被隔離而無輸出。
           
          圖2為微帶定向耦合器的兩種典型的耦合結構。a是間距和長度都等于1/4導波長的雙并聯的分支線耦合,b是在平行區域內電場和磁場兩種結構連續耦合。以b的結構為例,從端口①輸入的信號由電場耦合在副線的兩個端口上產生同相感應電壓,磁場耦合則產生反相感應電壓。結果在端口④處相加而有輸出,③處則抵消而呈隔離無輸出。
           
          此外,也可構成其他傳輸線的定向耦合器(圖3) 。
           

            定向耦合器

          定向耦合器 - 網絡特性
           
          定向耦合器可被看作為四端口網絡,其特性可用散射矩陣【s】表示,即其中各端口的反射系數sii(i=1、2、3、4)的值很小(理想值為零),表示各端口的匹配情況;衰減系數s13=s31=s24=s42的值也很小(理想值為零),表示隔離情況;s14=s41=s23=s32是耦合系數,其值根據需要而設計。
           
            

                         計

           

           定向耦合的主要技術指標是耦合度C(分貝)、定向性D(分貝)和工作頻帶,其中C=-20lg|s14| (dB), D=20lg|s14/s13| (dB)。

           理想定向耦合器的散射矩陣為兩個輸出信號有90°的相位差。
           

          上述雙孔或雙分支線耦合的單節定向耦合器工作頻帶較窄。若采用多孔或多分支線耦合結構的多節定向耦合器(幾個單節的級聯),可借助綜合設計方法展寬工作頻帶。

            

             

            

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