Chp5s6 - 5.6 5.6 定向耦合器 定向耦合器 一....

Info iconThis preview shows page 1. Sign up to view the full content.

View Full Document Right Arrow Icon
This is the end of the preview. Sign up to access the rest of the document.

Unformatted text preview: 5.6 5.6 定向耦合器 定向耦合器 一. 定向耦合器 1. 应用 • • • • 监视功率、 监视功率、频率和频谱; 把功率进行分配和合成; 构成雷达天线的收发开关、 构成雷达天线的收发开关、平衡混频器和测量电桥; 测量反射系数和功率 。 2. 分类 (1)按传输线类型来分 (2)按耦合方式来分 (3)按耦合输出的方向来分 (4)按输出的相位来分 (5)按耦合的强弱来分 按按按按按按 波导 同轴线 带状线 微带线 按平平按按 单孔耦合 多孔耦合 连续耦合 平平按平平 按输按输 按输输输 同向耦合 反向耦合 90度定向 180度定向 按平平按按 强耦合 中等耦合 弱耦合 为微带分支定向耦合器, 图(a)为微带分支定向耦合器,图(b)为波导单孔定向耦合器 为平行耦合线定向耦合器, 图(c)为平行耦合线定向耦合器,图(d)为波导匹配双T 为波导多孔定向耦合器, 为微带混合环。 图(e)为波导多孔定向耦合器,图(f)为微带混合环。 定向耦合器的技术指标 二. 定向耦合器的技术指标 定向耦合器是一个四端口网络,它有输入端口直通端口耦合 分别对应如图所示的①②③ ①②③和 端口。 端口和隔离端口,分别对应如图所示的①②③和④端口。 定向耦合器的主要技术指标: • • • • 耦合度 定向性 输入驻波比 工作带宽 (一) 耦合度C 耦合度 耦合度 耦合度C定义为输入端口的输入功率P1和耦合端口的输 之比的分贝数。 出功率P3之比的分贝数。即: P C = 10lg 1 (dB ) P3 U2 % i1 2 C = 10 lg SU 2 % 13 i 1 2 = 20 lg 1 ( dB ) S13 • 强耦合定向耦合器:耦合度为0~10dB 强耦合定向耦合器: • 中等耦合定向耦合器:耦合度为10~20dB 中等耦合定向耦合器: • 弱耦合定向耦合器:耦合度大于20dB 弱耦合定向耦合器: (二) 定向性D 定向性 耦合端口和隔离端口的输出功率之比的分贝数来表示 耦合端口和隔离端口的输出功 耦合端口和隔离端口的输出功 率之比的分贝数来表示 定向耦合器的定向传输性能, 定向耦合器的定向传输性能,称为定向性D。即 S31 S31 P3 D = 10lg = 10lg = 20lg ( dB ) 2 P4 S41 S41 D愈大,隔离端口输出愈小,定向性愈好。 定向性愈好。 在理想情况下, 在理想情况下,P4=0,即D=∞。 2 (三) 输入驻波比ρ 输入驻波比ρ 输入驻波比 将定向耦合器除输入端口外, 将定向耦合器除输入端口外 将定向耦合器除输入端口外, 其余各端口均接上匹配 负载时, 负载时 , 输入端的驻波比即为定向耦合器的输入驻波 网络的输入端的反射系数即为网络的散射参 比。此时,网络的输入端的反射系数即为网络的散射参 量S11,故有 1 + S11 ρ= 1 − S11 (四) 工作频带宽度 工作频带宽度 满足定向耦合器以上四个指标的频率范围, 满足定向耦合器以上四个指标的频率范围,即为 工作频带宽度,简称工作带宽。 简称工作带宽。 波导型定向耦合器 三. 波导型定向耦合器 大 多数波导定向耦合器的耦合都是通过在主副波导 大多数波导定向耦合器的耦合都是通过在主副波导 的公共壁上的耦合孔来实现的。 的公共壁上的耦合孔来实现的。通过耦合孔将主波导 中的电磁能量耦合到副波导中,并具有一定的方向性 中的电磁能量耦合到副波导中,并具有一定的方向性。 副波导各端口的输出功率的大小,决定于耦合孔的大 副波导各端口的输出功率的大小, 小形状和位置。 小形状和位置。 为宽壁斜交单孔定向耦合器; 图(a)为宽壁斜交单孔定向耦合器; 为多孔定向耦合器; 为十字孔定向耦合器; 图(b)为多孔定向耦合器;图(c)为十字孔定向耦合器; 最简单的双孔定向耦合器: 最简单的孔定向耦合器 最简单的双孔定向耦合器: • 两耦合波在③端口为同相叠加而有输出。即 : 两耦合波在③端口为同相叠加而有输出。 B3 = B f 1e − j β d + B f 2e − j β d = ( B f 1 + B f 2 )e − j β d • ④端口为两个反向耦合波的反相叠加。即: 端口为两个反向耦合波的反相叠加。 B4 = Bb1 + Bb 2e − j 2 β d = Bb1 − Bb 2 • 当两个耦合孔大小形状均相等,且耦合孔很小时, 当两个耦合孔大小形状均相等,且耦合孔很小时,则有 B f 1 = B f 2 = Bb1 = Bb 2 即表示③ 即表示③端口有输出, B3 = 2 B f e B4=0,从而达到理想定向性。 从而达到理想定向性。 −j π 2 ,而④端口无输出, 端口无输出, 输出 平行耦合线定向耦合器 四. 平行耦合线定向耦合器 给出了单节λ 图(a)给出了单节λp0/4平行耦合线定向耦合器的结构示意 它由二个等宽的耦合线段组成, 图 。 它由二个等宽的耦合线段组成 , 其耦合线的长度是 中心波长的四分之一, 中心波长的四分之一 , 各端口均接匹配负载 Z0 。 这种平 行耦合线定向耦合器通常用微带线或带状线来实现。 行耦合线定向耦合器通常用微带线或带状线来实现 当信号从①端口输入时, 当 信号从 当信号从 ① 端口输入时,除 端口传输外, 向 ② 端口传输外 , 通过两线 之间的电磁耦合,还会向③ 之间的电磁耦合 , 还会向③ 端口传输。 和 ④ 端口传输 。 由于电场 耦合在副线中向③ 耦合在副线中向 ③ 和 ④ 端 口方向产生的电压是等幅 同相的, 同相的 , 而磁耦合在副线中 向 ③ 和 ④ 端口产生的电压 是等幅反相的, 如图(b) (b)所 是等幅反相的 , 如图 (b) 所 因此副线中③ 示 , 因此副线中 ③ 端口处的 电压是同相叠加而有信号 输出,而副线中④ 输出 , 而副线中 ④ 端口处的 电压是反相而抵消。 电压是反相而抵消 。 在理 端口无输出, 想情况下 ,④ 端口无输出 , 可达理想隔离。 可达理想隔离 。 这种定向 耦合器称为反向定向耦合 而且② 器 , 而且 ② 和 ③ 端口的输出 信号相位差90 90° 信号相位差 90°, 故又称为 90°反向定向耦合器。 90°反向定向耦合器。 单节耦合线定向耦合器的频带比较窄,为了增宽频带 可采用多节定向耦合器相级联,如图(a)所示。 可采用多节定向耦合器相级联, 所示。 平行线耦合器耦合的强弱和 平 行线耦合器耦合的强弱和 两 线间距s 有关, 间距s 愈 线间距 s 有关 , 间距 s 小 , 耦合愈强。 因耦合太 耦合愈强 。 强工艺上无法实现, 因此 强工艺上无法实现 , 常采用二只弱耦合定向耦 常采用二只弱耦合定向耦 合器相串接的办法得到了 强耦合定向耦合器。如两 强耦合定向耦合器。 只8.34dB的定向耦合器串 8.34dB的定向耦合器串 接即可得到一只3dB 定向 接即可得到一只 3dB定向 3dB 耦合器。 (b)所示 所示。 耦合器。如(b)所示。 分支定向耦合器 五. 分支定向耦合器 分支定向耦合器是由两根平行的主传输线和若干耦合分 分支定向耦合器是由两根平行的主传输线和若干耦合分 支线组成。 支线组成。分支线的长度及相邻分支线之间的距离均为 这种分支定向耦合器可以用矩形波导、同轴线、 λp0/4。这种分支定向耦合器可以用矩形波导、同轴线、 带状线和微带线来实现。 带状线和微带线来实现。 分支组成, 波导型分支定向耦合器:由E―T分支组成,根据E―T分 支的性质,分支线是串联在主线上的,因此是串联结构。 支的性质,分支线是串联在主线上的,因此是串联结构。 同轴型带状型和微带型分支是与主线相并联的,因 是与主线相并联的, 此是并联结构。 此是并联结构。 (一) 双分支定向耦合器的工作原理 双分支定向耦合器的工作原 通过两个耦合波的路程差引起的相位差来达到定向性的。 通过两个耦合波的路程差引起的相位差来达到定向性的。 如图(a)的微带型双分支定向耦合器 如图(a) 的微带型双分支定向耦合器, 如图(a)的微带型双分支定向耦合器, 当信号自①端口输入时,经过A 当信号自①端口输入时,经过A点 分 A→B→C 和 A→D→C 两 路 到达 C 由于两路程相同, 故两路在C 点 , 由于两路程相同 , 故两路在 C 点相加, 端口有输出; 点相加,使③端口有输出; 端口的输入信号经过A点分A ①端口的输入信号经过A点分A→D和 两路到达D A→B→C→D 两路到达 D 点 , 由于两 路的路程差为λ /2,即相位差为 路的路程差为λp0/2,即相位差为 故两路在D 点相抵消, π, 故两路在 D 点相抵消 , 使 ④ 端 口无输出。 口无输出。 故这种定向耦合器称为同向定向耦 合器, 由于② 合器 , 由于 ② 和 ③ 端口输出相位 90° 故又称为90 90° 差 90°, 故又称为 90° 同向定向 耦合器。 耦合器。 (二) 双分支定向耦合器的特性分析 双分支定向耦合器的特性分析 双分支定向耦合器是一个四端口网络,分析比较麻烦。 双分支定向耦合器是一个四端口网络 双分支定向耦合器是一个四端口网络,分析比较麻烦。但由于它的 结构上下对称于oo oo′ 结构上下对称于oo′面,因此同样可采用奇偶模参量法进行分析 比较方便。将原来的一个四端口网络分解成两个二端口网络。 比较方便 。 将原来的一个四端口网络分解成两个二端口网络。 (b)和 (c)分别为它的偶模和奇模的等效电路 分别为它的偶模和奇模的等效电路。 图 (b) 和 (c) 分别为它的偶模和奇模的等效电路 。 具体方法和耦 合线定向耦合器相同,这里仅给出左右对称的双分支定向耦合器 合线定向耦合器相同,这里仅给出左右对称的双分支定向耦合器 各线段的归一化导纳的设计公式 分别为它的偶模和奇模的等效电路。 图(b)和(c)分别为它的偶模和奇模的等效电路。 左右对称的双分支定向耦合器各线段的归一化导纳的设计公式: 左右对称的双分支定向耦合器各线段的归一化导纳的设计公式: 1 U= −1 C ( dB ) lg 10 3 r 例如 例如:一个3dB分支定向耦合器根据上式可求得 1 U= , b = 2, a = 1 2 3 r 六. 双T和魔T (一) 双T接头 将具有共同对称面的 接头组合起来, 将具有共同对称面的E―T接头和H―T接头组合起来, 接头,如图所示。 即构成双T接头,如图所示。 • E臂称为③端口; 臂称为③端口; • H臂称为④端口; 臂称为④端口; • ①和②臂称为平分臂; 臂称为平分臂; • ③和④臂称为隔离臂。 臂称为隔离臂。 根据 根据E―T和H―T接头的特性可以得到双T接头的特性如下: 1. 当信号由E臂输入时,则①和②端口等幅反相输出, 臂输入时, 端口等幅反相输出, 臂输出为零。 而H臂输出为零。 2. 当信号由H臂输入时,则①和②端口等幅同相 当信号由 臂输入时, 输出, 臂输出为零。 输出,E臂输出为零。 3. 如果E和H臂均接匹配负载,当信号自① 和②端 如果 臂均接匹配负载, 相输入时, 臂有输出, 口等幅同 相输入时,则H臂有输出,而E臂输出 反之当信号自① 为零;反之当信号自①和②端口等幅反相输入时, 臂有输出, 臂输出为零。 则E臂有输出,而H臂输出为零。可见E臂和H臂 互为隔离,①和②臂互为平分。 互为隔离, 臂互为平分。 接头的散射参量矩阵: 双T接头的散射参量矩阵: S11 S 12 [S ] = S13 S14 S12 S11 − S13 S14 S13 − S13 S 33 0 S14 S14 0 S 44 (二)匹配的双T (1) 匹配特性: 匹配特性 在理想情况下 只要① 在理想情况下,它的四个端口是完全匹配的,只要① 端口一定配。 和 ② 端口能调到匹配 ,③ 和 ④ 端口一定匹配 。 即 S11=S22=S33=S44=0。 (2) 隔离特性: 隔离特性 臂具有隔离特性时, 当E和H臂具有隔离特性时,则①和②端口也具有 隔离特性。 隔离特性。 (3) 平分特性: 平分特性 当信号自 臂输入时,则反相等分给① 端口, 当信号自 E臂输入时,则反相等分给①和②端口, 即S13= -S23; 臂输入时,同相等分给① 端口, 当信号自H臂输入时,同相等分给①和②端口,即 S14= S24; 当信号自① 端口输入时, 则同相等分给③ 当信号自 ① 端口输入时 , 则同相等分给 ③ 和 ④ 端 口,即S31= S41; 当信号自② 端口输入时, 则反相等分给③ 当信号自 ② 端口输入时 , 则反相等分给 ③ 和 ④ 端 口,即S32= -S42。 0 1 0 的散射矩阵为: 匹配双T的散射矩阵为: [ S ] = 2 1 1 1 1 −1 1 −1 0 0 1 0 0 0 0 [例2]①,②端同相输入时 0 b1 0 b 2 = 1 b3 2 1 1 b4 0 1 1 1 0 1 0 0 − 1 1 = − 1 0 0 0 0 1 0 0 0 2 ①,②端反相输入时 1 b1 0 0 b 0 0 − 1 2 = 1 b3 2 1 − 1 0 0 b4 1 1 1 1 0 − 1 0 1 = 0 0 2 0 0 0 习题: 习题 习题:5-14 ...
View Full Document

Ask a homework question - tutors are online