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第6章 定向耦合器 第6章 定向耦合器 第6章 定向耦合器 第6章 定向耦合器 第6章 定向耦合器 第6章 定向耦合器 第6章 定向耦合器 第6章 定向耦合器 第6章 定向耦合器 第6章 定向耦合器 第6章 定向耦合器 第6章 定向耦合器 定向耦合器的基本原理 平行耦合线定向耦合器 分支线型定向耦合器 环形电桥定向耦合器 微波定向耦合器是微波系统中应用最广泛的原件之一。它是一个四端口网络，提供积分信号输出(直通口与耦合口输出信号相位相差±90o，信号功率电平可等分或不等分，视应用情况而定)。 图6.1 (a) 同向定向耦合器 (b) 反向定向耦合器 技术指标 定向耦合器(Directional Coupler―DCP)的技术指标包括频率范围、耦合系数C、 方向性D、 隔离度L等。(以正向耦合器为例定义)。 工作频带 耦合系数C 定向性D 隔离度L 定向性和隔离度同属表征DCP方向性的技术指标，取其一即可。 1.耦合线理论 当两个无屏蔽的传输线紧靠在一起时，由于各个传输线的电磁场之间的相互作用，在传输线间可以有功率耦合。图6.2示出了耦合传输线的几个例子。通常假定耦合传输线工作于TEM模，这对带状线结构式严格正确的，而对于微带线结构则是近似正确的。 图6.2 (a)边耦合带状线 (b)宽边耦合带状线 (c)耦合微带线 三线耦合线可用图6.3所示的结构来表征。若假定传输TEM模，则耦合线电特性仅决定于线间等效电容和线上电磁波的传播相速。 考虑耦合线的两种特殊的激励类型,如图6.4所示： 偶模：两带状导体上电流的幅值相等，方向相同 偶模电容 偶模阻抗 奇模：两带状导体上电流的幅值相等，方向相反 奇模电容 奇模阻抗 图6.3 耦合线的偶模和奇模激励及其等效电容网络 偶模Case 奇模Case 耦合线上的任意激励总是可视作偶模和奇模的对应振幅的叠加。假如耦合线传输的是纯TEM模，如带状线，可以通过如保角映射的方法来计算线的单位长电容，进而确定偶模或奇模的特性阻抗。而对于准TEM模传输线，如微带线，可以用数值方法或者用准静态近似方法求解。 【例】对于图6.2(b)所示宽边耦合带状线结构，假定W ≥ s和W ≥ b(忽略边缘场)，要求确定其单位长电容 【解】已知平板电容计算公式 2.耦合线耦合器的设计 分析方法：偶-奇模分析技术与线的输入阻抗相结合 单端耦合线耦合器及其示意性电路如图6.4所示，其中端口①的激励可视为偶模和奇模激励之和。由于对称性，对于偶模，可认为 ，如图6.5(a)所示；而奇模则满足 ，如图6.5(b)所示。 图6.4 单节耦合线耦合器 (a) 几何结构和端口命名 (b)示意性电路 (a) (b) (a) (b) 图6.5 耦合线耦合器分解为偶模和奇模激励 (a) 偶模 (b)奇模 耦合线耦合器端口①处的输入阻抗可表示为 在端口①处偶模和奇模的输入阻抗分别为 于是 (6-1) (6-2a) (6-2b) (6-3a) (6-3b) (6-3c) (6-3d) 将(6-2)和(6-3)代入(6-1)中可得 若令 则(6-2a,b)简化为 于是有 ，此时(6-4)转化为 意即只要(6-5)式满足，则端口①(由对称性，其余端口一样)将是匹配的。在满足(6-5)时，端口③的电压是 采用(6-2)和(6-5)得 (6-4) (6-5) (6-6) (6-7) (6-8) 定义C为 则 将上两式代入(6-8)中可得 同样我们能证明 以及 根据(6-10)和(6-12)可以作出耦合端口和直通端口电压随频率的关系曲线，如图6.6所示。 (6-9) (6-10) (6-11) (6-12) 图6.6 图6.4所示耦合线耦合器耦合和直通端口电压与频率的关系曲线 在低频处(θ远小于π/2)，耦合功率很弱，大部分功率都传输到了端口③；当θ = π/2时，耦合至端口③的功率出现第一个最大值，通常对应此工作点具有小的尺寸和传输线损耗；此