微带功分器耦合器设计

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,*,微带功分器、耦合器设计,1,微带功分器（,Wilkinson,功分器）设计,微带功分器可以进行任意比例的功率分配，下面只考虑等功分（,3dB,）,情况，见图,5-36a,，,其对应的传输线电路示于图,5-36b,，,我们将它归结为两个简单的电路，在输出端分别用对称和反对称源激励来进行分析。这就是奇偶模分析技术。,图,5-36 Wilkinson,功分器,2,微带功分器（,Wilkinson,功分器）设计,1,奇,偶模分析,为简化起见，将所有阻抗对特性阻抗,Z,0,归一化，且重新绘出图,5-36,（,b,）,的电路，输出端具有的信号源如图,5-37,。该网络相当于中间平面是对称的，两个归一化值为,2,的源电阻并联组合，以归一化值为,1,的电阻代表匹配源阻抗。,/4,线具有的归一化特性阻抗为,z,，,并联电阻具有归一化值为,r,；,可以证明对等分功分器，这些值应为 和,r=2,，,如图,5-36,所示。,图,5-37,归一化、对称形式的,Wilkinson,功分器,现在对图,5-37,的电路定义两个独立的激励模式：偶模,V,g2,=V,g3,=2V,，,奇偶,V,g2,=V,g3,=2V,。,然后，将这两种模式相叠加，其有效激励为,V,g2,=4V,，,V,g3,=0,，,由此，可获得此网络的,S,参数。下面我们分别讨论这两种模式。,3,微带功分器（,Wilkinson,功分器）设计,（,1,）偶模 对偶模激励，,V,g2,=V,g3,=2V,，,所以,V,2,=V,3,，,没有电流流过,r/2,电阻或端口,1,两根传输线入口之间短接。因此，我们可将图,5-37,的网络对分，在这些点具有开路终端，以得出图,5-38,（,a,）,的电路（,/4,线的接地边没有示出）。这时，从端口,2,看入得到的阻抗为：,Z,0,=Z,2,/2,因而，从传输线看上去，如同一个,/4,变换器。因此，如果,z=2,，,端口,2,是匹配的，全部功率将到接在端口,1,的负载。为了求,S,参量,S,12,，,需要电压,V,1,，,它可由传输线方程求得。如让端口,2,处,x=0,，,端口,1,处,x=,/4,则线上电压可写为,在端口,1,处看向归一化值为,2,的电阻上的反射系数为,和,因此，,由对称性，我们亦有,S,33,=0,和,S,13,=j0.707,图,5-38,图,5-37,电路的切开,4,微带功分器（,Wilkinson,功分器）设计,（,2,）奇模 奇模激励时，,V,g2,=V,g3,=2V,，,所以,V,2,=V,3,，,在图,5-37,电路的中间有电压零点。因此，我们可以用一个接地平面来切开此电路，给出图,5-38,（,b,）,的网络。向端口,2,看去的阻抗为,r/2,。,由于平行连接传输线长为,/4,，而且在端口,1,处短路，所以看上去在端口,2,为开路点。因此，没有功率送到端口,1,。这样，总结一下，我们已导出下列,S,参量：,图,5-38,图,5-37,电路的切开,S,22,=S,23,=0,（,因对两种模式激励时，端口,2,和,3,都是匹配的）；,S,12,=S,21,=0.707,（,因互易网络的对称性）；,S,13,=S,31,=0.707,（,因互易网络的对称性）；,S,23,=S,32,=0,（,因等分上为短路或开路）。,这最后结果意味着端口,2,和,3,之间是隔离的。,5,微带功分器（,Wilkinson,功分器）设计,最后，我们还必须导出,S,11,，,用来确定当端口,2,和,3,为匹配负载时，微带功分器在端口,1,的输入阻抗。最后结果如图,5-39,（,a,）,所示，从图上可见它与偶模激励,V,2,=V,3,时情况类似。因此，没有电流流过归一化值为,2,的电阻，它可以取走，剩下的电路如图,5-39,（,b,）,所示。现在，有两个,/4,波长变换器的并联连接，终端接在归一化负载上。故输入阻抗为,而,S,11,=0,。,注意：当功分器在端口,1,激励，且负载匹配时，电阻上没有功率损耗。因此，当输出匹配时，功分器是无损耗的；只有从端口,2,和,3,来的反射功率消耗在那电阻上。,图,5-39,用于导出,S,11,的微带功分器分析,6,微带功分器（,Wilkinson,功分器）设计,设计一个频率为,f,0,、,用于,50,系统阻抗的等分微带功分器，并且绘出回波损耗,S,11,、,插入损耗（,S,21,=S,31,）,和隔离度（,S,23,=S,32,）,与频率（从,0.5f,0,到,1.5f,0,）,的关系曲线。,解：由图,5-36,和上述的推导，功分器中的,/4,传输线应具有的特性阻抗为,并联电阻为,R=2Z,0,=100,在频率,f,0,传输线长为,/4,。采用微波电路分析中的机辅设计程序，可算出,S,参量幅度，并且绘在图,5-40,上。,图,5-40,等分微带功分器的频响 图,5-41,用微带形式的功率不等分功分器,7,微带功分器（,Wilkinson,功分器）设计,2,功率不等分和,N,路微带功分器,微带型功分器亦可做成功率不等分的，微带图形如图,5-41,所示，如端口,2,和,3,之间的功率比为,K=P,3,/P,2,，,则可应用下列设计方程：,如,K=1,，,则上述结果归结为等分情况。另外还见到，输出线被匹配到阻抗,R,2,=Z,0,K,和,R,3,=Z,0,/K,，,而不是阻抗,Z,0,，,可用阻抗变换器来变换这些输出阻抗。,8,微带功分器（,Wilkinson,功分器）设计,微带功分器亦可用于实现,N,路分路器或合成器，如图,5-42,所示。这电路可使所有端口匹配，且使所有端口隔离。但是，缺点是当,N,3,时，功分器要求电阻交迭。这导致较难以用平面形式制作。功分器亦可用多级阶梯阻抗变换形式制作，以增加带宽。四节功分器的实际结构表示在图,5-43,上。,图,5-42 N,路等分微带功分器,图,5-43,用微带形式实现的四节微带功分器,9,微带耦合器,混合环（,Hgbrids,）,和耦合器（,couplers,）,是微波电路中常用的无源器件，把电路元件直接连起来即可构成混合环，而耦合器一般由靠得很近的传输线构成，它们一般有四个端口，且每一端口为匹配负载端接，也就是说在给定频率范围内，端口的反射是很小的，反射系数一般小于,0.1,。,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,）,定向耦合器；（,d,）,3dB,lange,耦合器,10,耦合器参数定义,混合环或耦合器可看成四端口网络。四个端口是输入端口、直通端口、耦合端口与隔离端口。设,P,1,是由匹配源馈入端口,1,功率，,P,2,、,P,3,、,P,4,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四个：,耦合系数（,dB,）,方向性（,dB,）,隔离度（,dB,）,通过功率（,dB,）,混合环跟耦合器的性能由耦合系数、方向性以及负载特性决定。通常隔离端口接匹配负载。,1,2,4,3,Input,Direct,Isolated,Coupled,图,5-45,11,微带分支混合环的工作原理,A,B,D,C,/4,y,01,=1,y,02,=1/,R,/4,y,0,=,b,y,0,=,b,y,0,=,a,1,y,0,=,a,2,y,04,=1,y,03,=1/,R,对称,平面,(1),(2),(4),(3),（,a,）,/4,/8,/8,1,b,1/,R,a,1,a,2,A,B,（,d,）,/4,/8,/8,1,b,1/,R,a,1,a,2,A,B,（,e,）,（,b,）,开路,（,c,）,短路,图,2-46,微带双分支定向耦合器,12,环形分支电桥原理,对于,3dB,耦合器，并联臂和串联臂的阻抗分别为,Z,0,、,Z,0,/,，,Z,0,是输入端和输出端特征阻抗。所以串联臂微带线导带宽度比并联臂宽，如图,5-47a,。,微带双分支定向耦合器也可作成圆形结构，叫做环形分支电桥，如图,5-47b,。,从,1,臂输入功率平分到左右两个分支，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,13,平行耦合线耦合器,平行耦合线耦合器（见图,5-48,）具有对称性，对称面上电流,=0,，电压最大，相当于开路，称为偶对称，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,定向耦合器的设计方程。,图,5-48,集中电容补偿微带耦合器,14,平行耦合线耦合器,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,表示属于偶模和奇模的量。,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,C,1,、,C,2,，,对偶模并联电容不起作用，对奇模相移有影响，其增加的相移,o,为,式中,f,0,是耦合器中心频率。,图,5-48,集中电容补偿微带耦合器,15,3dB,交叉指,lange,耦合器,图,5-44(d),所示,3dB,交叉指,lange,耦合器。端口,2,和,3,输出相功率相等，但有,90,相移，其特点是频带宽，有关设计公式为,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,，,Z,0e,、,Z,0o,表示偶模、奇模阻抗，,Z,0,为端口阻抗，当,N=2,，当,N,2,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,由要求奇、偶模阻抗决定。,16,平面结构的螺旋耦合器、折叠线型耦合器,耦合器结构型式众多，图,5-50a,是平面结构的螺旋耦合器，,b,是折叠线型耦合器。,（,a,）（,b,）,图,5-50,（,a,）,螺旋耦合器；（,b,）,折叠线型耦合器,17,