耦合器/隔離器,耦合器/隔離器原理是什么?

耦合器/隔離器,耦合器/隔離器原理是什么?

在微波系統(tǒng)中, 往往需將一路微波功率按比例分成幾路, 這就是功率分配問(wèn)題。實(shí)現(xiàn)這一功能的元件稱(chēng)為功率分配元器件, 主要包括: 定向耦合器、 功率分配器以及各種微波分支器件。 這些元器件一般都是線性多端口互易網(wǎng)絡(luò), 因此可用微波網(wǎng)絡(luò)理論進(jìn)行分析。

1. 定向耦合器?

定向耦合器是一種具有定向傳輸特性的四端口元件, 它是由耦合裝置聯(lián)系在一起的兩對(duì)傳輸系統(tǒng)構(gòu)成的。

如圖 5 - 13 所示。 圖中“①、 ②”是一條傳輸系統(tǒng), 稱(chēng)為主線；“③、④”為另一條傳輸系統(tǒng), 稱(chēng)為副線。耦合裝置的耦合方式有許多種, 一般有孔、分支線、耦合線等, 形成不同的定向耦合器。

首先介紹定向耦合器的性能指標(biāo), 然后介紹波導(dǎo)雙孔定向耦合器、雙分支定向耦合器和平行耦合微帶定向耦合器。

1)定向耦合器的性能指標(biāo)

定向耦合器是四端口網(wǎng)絡(luò), 端口“①”為輸入端, 端口“②”為直通輸出端, 端口“③”為耦合輸出端, 端口“④”為隔離端, 并設(shè)其散射矩陣為［S］。描述定向耦合器的性能指標(biāo)有: 耦合度、隔離度、 定向度、輸入駐波比和工作帶寬。下面分別加以介紹。

圖5-13 定向耦合器的原理圖

(2)隔離度?

輸入端“①”的輸入功率P1和隔離端“④”的輸出功率P4之比定義為隔離度，記作I。

(3)定向度?

耦合端“③”的輸出功率P3與隔離端“④”的輸出功率P4之比定義為定向度，記作D。

(4) 輸入駐波比?

端口“②、 ③、 ④”都接匹配負(fù)載時(shí)的輸入端口“①”的駐波比定義為輸入駐波比，記作ρ。

(5)工作帶寬?

工作帶寬是指定向耦合器的上述C、 I、 D、 ρ等參數(shù)均滿足要求時(shí)的工作頻率范圍。

2)波導(dǎo)雙孔定向耦合器?

波導(dǎo)雙孔定向耦合器是最簡(jiǎn)單的波導(dǎo)定向耦合器, 主、副波導(dǎo)通過(guò)其公共窄壁上兩個(gè)相距d=(2n+1)λg0/4 的小孔實(shí)現(xiàn)耦合其中，λg0是中心頻率所對(duì)應(yīng)的波導(dǎo)波長(zhǎng), n為正整數(shù), 一般取n=0。耦合孔一般是圓形, 也可以是其它形狀。定向耦合器的結(jié)構(gòu)如圖 5 - 14(a)所示, 下面簡(jiǎn)單介紹其工作原理。 ?

根據(jù)耦合器的耦合機(jī)理, 畫(huà)出如圖 5 - 14(b)所示的原理圖。 設(shè)端口“①”入射TE10波(u+1=1), 第一個(gè)小孔耦合到副波導(dǎo)中的歸一化出射波為

和, q為小孔耦合系數(shù)。假設(shè)小孔很小, 到達(dá)第二個(gè)小孔的電磁波能量不變, 只是引起相位差(βd), 第二個(gè)小孔處耦合到副波導(dǎo)處的歸一化出射波分別為和在副波導(dǎo)輸出端口“③”合成的歸一化出射波為

5-14波導(dǎo)雙孔定向耦合器

副波導(dǎo)輸出端口“④”合成的歸一化出射波為

由此可得波導(dǎo)雙孔定向耦合器的耦合度為

小圓孔耦合的耦合系數(shù)為

式中, a、b分別為矩形波導(dǎo)的寬邊和窄邊；r為小孔的半徑；β是TE10模的相移常數(shù)。而波導(dǎo)雙孔定向耦合器的定向度為

當(dāng)工作在中心頻率時(shí), βd=π/2, 此時(shí)D→∞; 當(dāng)偏離中心頻率時(shí), secβd具有一定的數(shù)值, 此時(shí)D不再為無(wú)窮大。實(shí)際上雙孔耦合器即使在中心頻率上, 其定向性也不是無(wú)窮大, 而只能在30dB左右。

總之，波導(dǎo)雙孔定向耦合器是依靠波的相互干涉而實(shí)現(xiàn)主波導(dǎo)的定向輸出, 在耦合口上同相疊加, 在隔離口上反相抵消。 為了增加定向耦合器的耦合度，拓寬工作頻帶, 可采用多孔定向耦合器,

2)雙分支定向耦合器

雙分支定向耦合器由主線、副線和兩條分支線組成, 其中分支線的長(zhǎng)度和間距均為中心波長(zhǎng)的1/4, 如圖 5 - 15 所示。 設(shè)主線入口線“①”的特性阻抗為, 主線出口線“②”的特性阻抗為(k為阻抗變換比), 副線隔離端“④”的特性阻抗為, 副線耦合端“③”的特性阻抗為, 平行連接線的特性阻抗為Z0p, 兩個(gè)分支線特性阻抗分別為和。下面來(lái)討論雙分支定向耦合器的工作原理。

假設(shè)輸入電壓信號(hào)從端口“①”經(jīng)A點(diǎn)輸入, 則到達(dá)D點(diǎn)的信號(hào)有兩路, 一路是由分支線直達(dá), 其波行程為λg/4, 另一路由A→B→C→D, 波行程為3λg/4；故兩條路徑到達(dá)的波行程差為λg/2, 相應(yīng)的相位差為π, 即相位相反。

圖5-15 雙分支定向耦合器

因此若選擇合適的特性阻抗, 使到達(dá)的兩路信號(hào)的振幅相等, 則端口“④”處的兩路信號(hào)相互抵消, 從而實(shí)現(xiàn)隔離。

同樣由A→C的兩路信號(hào)為同相信號(hào), 故在端口“③”有耦合輸出信號(hào), 即端口“③”為耦合端。耦合端輸出信號(hào)的大小同樣取決于各線的特性阻抗。 ?

下面給出微帶雙分支定向耦合器的設(shè)計(jì)公式。 設(shè)耦合端“③”的反射波電壓為|U3r|, 則該耦合器的耦合度為

各線的特性阻抗與| |的關(guān)系式為

可見(jiàn)， 只要給出要求的耦合度C及阻抗變換比k, 即可由式(5 - 2 - 10)算得|U3r|, 再由式(5 - 2 - 11)算得各線特性阻抗, 從而可設(shè)計(jì)出相應(yīng)的定向耦合器。對(duì)于耦合度為3dB、阻抗變換比k=1的特殊定向耦合器, 稱(chēng)為3dB定向耦合器, 它通常用在平衡混頻電路中。此時(shí)

此時(shí)散射矩陣為

分支線定向耦合器的帶寬受λg/4的限制, 一般可做到, 若要求頻帶更寬, 可采用多節(jié)分支耦合器。 ?

4) 平行耦合微帶定向耦合器?

平行耦合微帶定向耦合器是一種反向定向耦合器, 其耦合輸出端與主輸入端在同一側(cè)面, 如圖 5 - 16 所示, 端口“①”為輸入口, 端口“②”為直通口, 端口“③”為耦合口, 端口“④”為隔離口。 ?

圖 5 – 16 平行耦合微帶定向耦合器

隔離器

隔離器也叫反向器，電磁波正向通過(guò)它時(shí)幾乎無(wú)衰減，反向通過(guò)時(shí)衰減很大。常用的隔離器有諧振式和場(chǎng)移式兩種。 ?

1) 諧振式隔離器?

由于鐵氧體具有各向異性，因此在恒定磁場(chǎng)Hi作用下，與Hi方向成左、右螺旋關(guān)系的左、右圓極化旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)具有不同的導(dǎo)磁率（分別設(shè)為μ-和μ+）。 設(shè)在含鐵氧體材料的微波傳輸線上的某一點(diǎn)，沿+z方向傳輸左旋磁場(chǎng)，沿-z方向傳輸右旋磁場(chǎng)，兩者傳輸相同距離，但對(duì)應(yīng)的磁導(dǎo)率不同，故左右旋磁場(chǎng)相速不同，所產(chǎn)生相移也就不同，這就是鐵氧體相移不可逆性。另一方面，鐵氧體具有鐵磁諧振效應(yīng)和圓極化磁場(chǎng)的諧振吸收效應(yīng)。

所謂鐵氧體的鐵磁諧振效應(yīng)，是指當(dāng)磁場(chǎng)的工作頻率ω等于鐵氧體的諧振角頻率ω0時(shí)，鐵氧體對(duì)微波能量的吸收達(dá)到最大值。而對(duì)圓極化磁場(chǎng)來(lái)說(shuō)，左、右旋極化磁場(chǎng)具有不同的磁導(dǎo)率, 從而兩者也有不同的吸收特性。

對(duì)反向傳輸?shù)挠倚龢O化磁場(chǎng)，磁導(dǎo)率為μ+，它具有鐵磁諧振效應(yīng)，而對(duì)正向傳輸?shù)淖髽O化磁場(chǎng)，磁導(dǎo)率為μ-，它不存在鐵磁諧振特性, 這就是圓極化磁場(chǎng)的諧振效應(yīng)。鐵氧體諧振式隔離器正是利用了鐵氧體的這一特性制成的。

圖 5 – 31 諧振式隔離器的鐵氧體位置

鐵氧體諧振式隔離器就是在波導(dǎo)的某個(gè)恰當(dāng)位置上放置鐵氧體片而制成的, 在這個(gè)位置上，往一個(gè)方向傳輸?shù)氖怯倚艌?chǎng), 另一方向上傳輸?shù)氖亲笮艌?chǎng)。圖 5 - 31 所示的矩形波導(dǎo)在x=x1處放置了鐵氧體, 下面來(lái)確定鐵氧體片放置的位置。 ?

對(duì)于矩形波導(dǎo)TE10模而言, 其磁場(chǎng)只有x分量和z分量, 它們的表達(dá)式為

可見(jiàn)兩者存在π/2的相差。在矩形波導(dǎo)寬邊中心處, 磁場(chǎng)只有Hx分量, 即磁場(chǎng)矢量是線極化的, 且幅度隨時(shí)間周期性變化, 但其方向總是x方向; 在其它位置上, 若|Hx|≠|(zhì)Hz|,則合成磁場(chǎng)矢量是橢圓極化的, 并以寬邊中心為對(duì)稱(chēng)軸, 波導(dǎo)兩邊為極化性質(zhì)相反的兩個(gè)磁場(chǎng); 當(dāng)在某個(gè)位置x1上有|Hx|=|Hz|時(shí), 合成磁場(chǎng)是圓極化的, 即于是有

解得

進(jìn)一步分析表明, 對(duì)TE10模來(lái)說(shuō),在x=x1處沿+z方向傳輸?shù)膱A極化磁場(chǎng)不與恒定磁場(chǎng)方向成右手螺旋關(guān)系, 即為左旋磁場(chǎng), 而沿-z方向傳輸?shù)膱A極化磁場(chǎng)則是右旋磁場(chǎng)?？梢?jiàn)，應(yīng)在波導(dǎo)x=x1處放置鐵氧體片, 并加上如圖 5 - 31 所示的恒定磁場(chǎng), 使Hi與傳輸波的工作頻率ω滿足

ω=ω0=γHi (5 - 4 - 5) ??

式中，ω0為鐵氧體片的鐵磁諧振頻率；γ=2.8×103/4πHz?m/A, 為電子旋磁比。這時(shí), 沿+z方向傳輸?shù)牟◣缀鯚o(wú)衰減通過(guò), 而沿-z方向傳輸?shù)牟ㄒ驖M足圓極化諧振條件而被強(qiáng)烈吸收, 從而構(gòu)成了諧振式隔離器。

應(yīng)該指出的是，若在波導(dǎo)的對(duì)稱(chēng)位置x=x2=a-x1處放置鐵氧體，則沿+z方向傳輸?shù)牟ㄒ驖M足圓極化諧振條件而被強(qiáng)烈吸收, -z方向傳輸?shù)牟▌t幾乎無(wú)衰減地通過(guò)。也就是單向傳輸?shù)姆较蚺c前述情形正好相反。另外，由于波導(dǎo)部分填充鐵氧體，主模TE10的場(chǎng)會(huì)有所變化，因此實(shí)際鐵氧體的位置與計(jì)算的略有差異。

2) 場(chǎng)移式隔離器?

場(chǎng)移式隔離器是根據(jù)鐵氧體對(duì)兩個(gè)方向傳輸?shù)牟ㄐ彤a(chǎn)生的場(chǎng)移作用不同而制成的。

它在鐵氧體片側(cè)面加上衰減片, 由于兩個(gè)方向傳輸所產(chǎn)生場(chǎng)的偏離不同，使沿正向（-z方向）傳輸波的電場(chǎng)偏向無(wú)衰減片的一側(cè)，而沿反向（+z方向）傳輸波的電場(chǎng)偏向衰減片的一側(cè), 從而實(shí)現(xiàn)了正向衰減很小而反向衰減很大的隔離功能，如圖 5 - 32所示。

由于場(chǎng)移式隔離器具有體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且有較寬的工作頻帶等特點(diǎn), 因此在小功率場(chǎng)合得到了較為廣泛的應(yīng)用。

3) 隔離器的性能指標(biāo)

隔離器是雙端口網(wǎng)絡(luò), 理想鐵氧體隔離器的散射矩陣為

圖 5 – 32 場(chǎng)移式隔離器

可見(jiàn)［S］矩陣不滿足幺正性，即隔離器是個(gè)有耗元件，又由于隔離器是一種非互易元件，故［S］不具有互易性。 ?

實(shí)際隔離器一般用以下性能參量來(lái)描述

式中，P01為正向傳輸輸入功率；P1為正向傳輸輸出功率，理想情況下|S21|=1，α+=0；一般希望α+越小越好。 ?

（2）反向衰減量α-

式中，P02為反向傳輸輸入功率；P2為反向傳輸輸出功率； 理想情況下α-→∞。

（3）隔離比R?

將反向衰減量與正向衰減量之比定義為隔離器的隔離比, 即

（4） 輸入駐波比ρ?

在各端口都匹配的情況下，我們將輸入端口的駐波系數(shù)稱(chēng)為輸入駐波比，記作ρ，此時(shí)

對(duì)于具體的隔離器, 希望ρ值接近于1。