定向耦合器基础知识

§4.4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,它是由耦合装置联系在一起的两对传输系统构成的,它是微波功率分配器件的一种。•本节主要介绍定向耦合器的性能指标,而后简单介绍波导双孔定向耦合器、双分支定向耦合器和平行耦合微带定向耦合器。一结构原理•图中“①、②”是一条传输系统,称为主线；“③、④”为另一条传输系统,称为副线。•耦合装置的耦合方式有许多种,一般有孔、分支线、耦合线等,形成不同的定向耦合器。•定向耦合器是四端口网络,端口“①”为输入端,端口“②”为直通输出端,端口“③”为耦合输出端,端口“④”为隔离端。定向耦合器的原理图耦合装置①④②③P1P2P4P3二性能指标•描述定向耦合器的性能指标有:耦合度、隔离度、定向度、输入驻波比和工作带宽。1耦合度输入端“①”的输入功率P1和耦合输出端“③”的输出功率P3之比定义为耦合度,记作C。)(1lg20lg101331dBSPPC2隔离度输入端“①”的输入功率P1和隔离端“④”的输出功率P4之比定义为隔离度,记作I。)(1lg20lg101441dBSSSI3定向度耦合端“③”的输出功率P3与隔离端“④”的输出功率P4之比定义为定向度，记作D。141343lg20lg10SSPPD4输入驻波比端口“②、③、④”都接匹配负载时的输入端口“①”的驻波比定义为输入驻波比，记作ρ。111111SS5工作带宽工作带宽是指定向耦合器的上述C、I、D、ρ等参数均满足要求时的工作频率范围。111111SS三各种耦合器件•图4-19中依序为波导窄壁孔耦合定向耦合器、正交波导宽壁十字孔耦合定向耦合器、耦合带状线定向耦合器及微带线分支定向耦合器。四波导窄壁双孔耦合定向耦合器•波导窄壁双孔定向耦合器是最简单的波导定向耦合器,•主、副波导通过其公共窄壁上两个相距l=(2n+1)λ/4的小孔实现耦合。1工作原理简析输入波行进至耦合孔a、b时，电磁能通过小孔耦合至副波导。lcccc②①④③ABAB小孔耦合•电磁能通过小孔耦合、激励的问题，要用小孔绕射理论来分析，这是微波经典理论中的重要内容之一，严格求解存在数学上的困难。•对于尺寸远小于工作波长的小孔，可看作是小孔位置处辐射电偶极子与磁偶极子的组合，而其偶极矩则分别与入射波在小孔位置处的法向电场与切向磁场成正比。•这样可以用一耦合系数来表示小孔的耦合强度。副波导中的耦合波•端口①输入波行进至小孔a处，耦合至副波导中的波以表示向端口③传输的部分，以表示向端口④传输的部分，为耦合系数。输入波行进至小孔b处依然向副波导耦合，分为向端口③的和向端口④的两部分。假定输入波经过小孔a、b后幅值不变（弱耦合）。ljljljljljleCeCCAeCeCeCAcos222432性能指标222242324223|cos|1lg10||||lg10||||lg104lg10|cos|1lg10||1lg104lg10||1lg10||1lg10lCCAADlCAICAC理想条件下的性能指标•耦合端的输出是两小孔耦合波的同相叠加，而隔离端则是两小孔耦合波的反相叠加而抵消。•这种利用波长关系的定向耦合器的工作频带是较窄的，因为两小孔间距偏离上述条件时，隔离端来自两小孔的耦合波不再是反相位叠加，隔离端会有输出。DICCnl,,4123应用•在实际使用中，定向耦合器的隔离端口④都要接有匹配负载，用以吸收传输来的（漏泄）信号功率，以免产生反射而影响其它端口的信号功率分配，而破坏定向耦合器的工作性能。•为了增加定向耦合器的耦合度，拓宽工作频带,可采用多孔定向耦合器。多孔定向耦合器原理•多个耦合小孔将会在副波导中激励出多个向隔离端传输的有不同相位差的波，它们可在多个频率上叠加抵消（这里所说抵消只能说是减弱，而一般不可能为零），这样隔离端的输出功率虽然不为零，但可在一较宽的频率范围内为很小值，从而实现了带宽展宽。多孔定向耦合器设计•多孔耦合定向耦合器，可作成耦合小孔孔径相同孔距相等，也可作成孔径不同孔距相等。孔径不同则耦合系数不同，可使它们比例于二项式展开式中的系数，或比例于切比雪夫多项式等。这种以元件要素拟合确知函数（曲线）的方法，在电子信息技术中屡有运用，如多阶梯阻抗变换器、滤波器设计中寻求所需要的频率特性，天线陈列设计中为获得所希望的方向性等，读者可根据需要参阅相关专著。