電信傳輸原理及應用第二章微波網(wǎng)絡基礎

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1、第 2章 傳 輸 線 理 論 2.6 微 波 網(wǎng) 絡 基 礎任 何 一 個 微 波 系 統(tǒng) 都 是 由 各 種 微 波 元 件 和 微 波 傳 輸 線組 成 的 。 任 何 一 個 復 雜 的 微 波 系 統(tǒng) 都 可 以 用 電 磁 場 理論 和 低 頻 網(wǎng) 絡 理 論 相 結 合 的 方 法 來 分 析 ， 這 種 理 論 稱為 微 波 網(wǎng) 絡 理 論 。微 波 網(wǎng) 絡 具 有 如 下 特 點 ： (1)對 于 不 同 的 模 式 有 不 同 的 等 效 網(wǎng) 絡 結 構 及 參 量 。 通 常 希 望 傳 輸線 工 作 于 主 模 狀 態(tài) 。(2)電 路 中 不 均 勻 區(qū) 附 近 將 會

2、激 起 高 次 模 ， 此 時 高 次 模 對 工 作 模 式的 影 響 僅 增 加 一 個 電 抗 值 ， 可 計 入 網(wǎng) 絡 參 量 之 內(nèi) 。 (3)整 個 網(wǎng) 絡 參 考 面 要 嚴 格 規(guī) 定 ， 一 旦 參 考 面 移 動 ， 則 網(wǎng) 絡 參 量 就會 改 變 。(4)微 波 網(wǎng) 絡 的 等 效 電 路 及 其 參 量 只 適 用 于 一 個 頻 段 第 2章 傳 輸 線 理 論 微 波 元 件 等 效 為 微 波 網(wǎng) 絡 一 、 網(wǎng) 絡 參 考 面 的 選 擇參 考 面 的 位 置 可 以 任 意 選 ， 但 必 須 考 慮 以 下 兩 點 ： （ 1） 單 模 傳 輸 時 ，

3、參 考 面 的 位 置 應 盡 量 遠 離 不 連 續(xù) 性 區(qū) 域 ，這 樣 參 考 面 上 的 高 次 模 場 強 可 以 忽 略 ， 只 考 慮 主 模 的 場 強 ； （ 2） 選 擇 參 考 面 必 須 與 傳 輸 方 向 相 垂 直 ， 這 樣 使 參 考 面 上的 電 壓 和 電 流 有 明 確 的 意 義 如 果 參 考 面 位 置 改 變 ， 則 網(wǎng) 絡 參 數(shù) 也 隨 之 改 變 。 第 2章 傳 輸 線 理 論 二 、 不 均 勻 區(qū) 等 效 為 微 波 網(wǎng) 絡微 波 元 件 對 電 磁 波 的 控 制 作 用 是 通 過 微 波 元 件 內(nèi) 部 的 不 均 勻 區(qū)(不 連

4、 續(xù) 性 邊 界 )和 填 充 媒 質 的 特 性 來 實 現(xiàn) 的 。 將 不 均 勻 區(qū) 等 效 為微 波 網(wǎng) 絡 ， 需 要 用 到 電 磁 場 的 唯 一 性 原 理 和 線 性 疊 加 原 理 。線 性 疊 加 原 理對 于 n端 口 線 性 網(wǎng) 絡 ， U Z I Z I Z IU Z I Z I Z IU Z I Z I Z I n nn nn n n nn n1 11 1 12 2 12 21 1 22 2 21 1 2 2 式 中 Zmn為 阻 抗 參 量 ， 若 m=n稱 它 為 自 阻 抗 ， 若 mn稱 它 為 轉移 阻 抗 。 第 2章 傳 輸 線 理 論 如 果 n端

5、 口 網(wǎng) 絡 的 各 個 參 考 面 上 同 時 有 電 壓 作 用 時 I Y U Y U Y UI Y U Y U Y UI Y U Y U Y Un nn nn n n nn n1 11 1 12 2 12 21 1 22 2 21 1 2 2 式 中 Y mn為 導 納 參 量 ， 若 m=n稱 它 為 自 導 納 ， 若 mn稱 它 為 轉 移 導 納 。UUU Z Z ZZ Z ZZ Z Z IIIn nnn n nn n12 11 12 121 22 21 2 12 U Z I III Y Y YY Y YY Y Y UUUn nnn n nn n12 11 12 121 22

6、21 2 12 I Y U 第 2章 傳 輸 線 理 論 唯 一 性 原 理在 一 個 封 閉 區(qū) 域 的 邊 界 上 ， 切 向 電 場 或 者 切 向 磁 場 如 果是 確 定 的 ， 那 么 區(qū) 域 內(nèi) 的 電 磁 場 就 被 唯 一 確 定不 連 續(xù) 性 區(qū) 域 的 邊 界 是 由 導 體 及 網(wǎng) 絡 參 考 面 構 成 的 ， 參考 面 上 的 模 式 電 壓 和 模 式 電 流 正 比 于 橫 向 電 場 和 橫 向磁 場 的 幅 度 函 數(shù) ， 如 果 網(wǎng) 絡 參 考 面 上 的 電 壓 確 定 了 ，則 網(wǎng) 絡 內(nèi) 的 電 磁 場 就 唯 一 地 確 定 第 2章 傳 輸 線

7、理 論 三 、 微 波 網(wǎng) 絡 的 特 性(一 ) 微 波 網(wǎng) 絡 的 分 類 按 網(wǎng) 絡 的 特 性 進 行 分 類 1. 線 性 與 非 線 性 網(wǎng) 絡2. 可 逆 與 不 可 逆 網(wǎng) 絡3. 無 耗 與 有 耗 網(wǎng) 絡 4. 對 稱 與 非 對 稱 網(wǎng) 絡 按 微 波 元 件 的 功 能 來 分 1.阻 抗 匹 配 網(wǎng) 絡2.功 率 分 配 網(wǎng) 絡3.濾 波 網(wǎng) 絡4.波 型 變 換 網(wǎng) 絡 第 2章 傳 輸 線 理 論 (二 ) 微 波 網(wǎng) 絡 的 性 質 對 于 無 耗 網(wǎng) 絡 ， 網(wǎng) 絡 的 全 部 阻 抗 參 量 和 導 納 參 量 均 為 純 虛 數(shù) ，即 有 對 于 可 逆

8、網(wǎng) 絡 ， 則 有 下 列 互 易 特 性 對 于 對 稱 網(wǎng) 絡 ， 則 有 (1)(2)(3) Z jXij ij Y jBij ij i j n, , , ,12 Z Z ij ji Y Yij ji i j i j n , , , , , 12 Z Zii jj Y Yii jj i j i j n , , , , , 12 第 2章 傳 輸 線 理 論 二 端 口 微 波 網(wǎng) 絡一 、 二 端 口 微 波 網(wǎng) 絡 的 網(wǎng) 絡 參 量 在 各 種 微 波 網(wǎng) 絡 中 ， 二 端 口 微 波 網(wǎng) 絡 是 最 基 本 的 。 例 如 ：衰 減 器 、 移 相 器 、 阻 抗 變 換 器 和

9、 濾 波 器 等 均 屬 于 二 端 口 微波 網(wǎng) 絡 。 表 征 二 端 口 微 波 網(wǎng) 絡 特 性 的 參 量 可 以 分 為 兩 大 類 ： 一 、 反 映 網(wǎng) 絡 參 考 面 上 電 壓 與 電 流 之 間 關 系 的 參 量 二 、 反 映 網(wǎng) 絡 參 考 面 上 入 射 波 電 壓 與 反 射 波 電 壓 之 間關 系 的 參 量 。 如 圖 所 示 。 第 2章 傳 輸 線 理 論 (一 ) 阻 抗 參 量 、 導 納 參 量 和 轉 移 參 量1 阻 抗 參 量用 T1和 T2兩 個 參 考 面 上 的 電 流 表 示 兩 個 參 考 面 上 的 電 壓 ， 其網(wǎng) 絡 方 程

10、為 UU Z ZZ Z II1 2 11 1221 22 12 各 阻 抗 參 量 元 素 定 義 如 下 Z UI I11 11 02 Z UI I22 22 0 1 Z UI I12 12 01 Z UI I21 21 02 表 示 T2面 開 路 時 ， 端 口 (1)的 輸 入 阻 抗 ；表 示 T1面 開 路 時 ， 端 口 (2)的 輸 入 阻 抗 ；表 示 T1面 開 路 時 ， 端 口 (2)至 端 口 (1)的 轉 移 阻 抗 ；表 示 T2面 開 路 時 ， 端 口 (1)至 端 口 (2)的 轉 移 阻 抗 。 第 2章 傳 輸 線 理 論 特 性 阻 抗 歸 一 化 T

11、1和 T2參 考 面 上 的 歸 一 化 電 壓 和 歸 一 化 電 流 分 別 為 U UZ I I ZU UZ I I Z 1 101 1 1 012 202 2 2 02 = = U Z I Z IU Z I Z I1 11 1 12 22 21 1 22 2 歸 一 化歸 一 化 阻 抗 參 量 為 Z ZZ Z ZZ ZZ ZZ Z ZZ Z11 1101 12 1201 02 22 2202 21 2101 02 第 2章 傳 輸 線 理 論 2. 導 納 參 量用 T1和 T2兩 個 參 考 面 上 的 電 壓 表 示 兩 個 參 考 面 上 的 電 流 ， 其 網(wǎng)絡 方 程 為

12、 II Y YY Y UU12 11 1221 22 12 各 導 納 參 量 元 素 定 義 如 下 Y IU U11 11 02 Y IU U22 22 01 Y IU U12 12 01 Y IU U21 21 0 2 表 示 T2面 短 路 時 ， 端 口 (1)的 輸 入 導 納 ；表 示 T1面 短 路 時 ， 端 口 (2)的 輸 入 導 納表 示 T1面 短 路 時 ， 端 口 (2)至 端 口 (1)的 轉 移導 納 ； 表 示 T2面 短 路 時 ， 端 口 (1)至 端 口 (2)的 轉 移導 納 。 第 2章 傳 輸 線 理 論 如 果 T1和 T2參 考 面 所 接

13、傳 輸 線 的 特 性 導 納 分 別 為 Y01和 Y02，則 歸 一 化 表 示 式 為 I Y U Y UI Y U Y U1 11 1 12 22 21 1 22 2 U UZ 1 101 U UZ2 202 I I Z1 1 01 I I Z2 2 02Y YY11 1101 Y YY Y12 1201 02 Y YY Y21 2101 02 Y YY22 2202 第 2章 傳 輸 線 理 論 3.轉 移 參 量用 T2面 上 的 電 壓 、 電 流 來 表 示 T1面 上 的 電 壓 和 電 流 的 網(wǎng) 絡 方 程 ，且 規(guī) 定 電 流 流 進 網(wǎng) 絡 為 正 方 向 ， 流 出

14、 網(wǎng) 絡 為 負 方 向 。 則 有UI A AA A UI11 11 1221 22 22 轉 移 參 量 的 定 義 為 A UU I11 12 02 A UI U12 12 02 A IU I21 12 02 A II U22 12 0 2 表 示 T2面 開 路 時 ， 端 口 (2)至 端 口 (1)的 電 壓 轉 移系 數(shù) ； 表 示 T2面 短 路 時 ， 端 口 (2)至 端 口 (1)的 轉 移 阻 抗 ； 表 示 T2面 開 路 時 ， 端 口 (2)至 端 口 (1)的 轉 移導 納 ； 表 示 T2面 短 路 時 ， 端 口 (2)至 端 口 (1)的 電 流 轉 移系

15、 數(shù) 。 第 2章 傳 輸 線 理 論 歸 一 化 方 程 U A U A II A U A I1 11 2 12 21 21 2 22 2 U UZ 1 101 U UZ2 202 I I Z1 1 01 I I Z2 2 02A A ZZ11 11 0201 A AZ Z12 1201 02A A Z Z21 21 01 02 A A ZZ22 22 0102 第 2章 傳 輸 線 理 論 (二 ) 散 射 參 量 和 傳 輸 參 量不 管 電 路 如 何 變 化 ， 信 號 源 輸 出 功 率 可 以 設 法 保 持 不 變 ， 而 且很 容 易 得 到 匹 配 的 終 端 負 載 。1

16、.散 射 參 量二 端 口 網(wǎng) 絡 參 考 面 T1和 T2面 上 的 歸 一 化 入 射 波 電 壓 和 歸 一 化反 射 波 電 壓 應 用 疊 加 原 理 ， 可 以 用 兩 個 參 考 面 上 的 入 射 波 電壓 來 表 示 兩 個 參 考 面 上 的 反 射 波 電 壓 ， 其 網(wǎng) 絡 方 程 為 U S U S U U S U S Ur i ir i i1 11 1 12 22 21 1 22 2 UU S SS S UUrr ii12 11 1221 22 12 第 2章 傳 輸 線 理 論 散 射 參 量 的 定 義 為 S UUri U i11 11 02 S UUri U

17、i12 12 01 S UUri U i21 21 02 S UUri Ui22 22 01 表 示 T2面 接 匹 配 負 載 時 ， T1面 上 的 電 壓 反 射 系數(shù) ； 表 示 T1面 接 匹 配 負 載 時 ， T2面 至 T1面 的 電 壓 傳 輸系 數(shù) ；表 示 T2面 接 匹 配 負 載 時 ， T1面 至 T2面 的 電 壓 傳輸 系 數(shù) ；表 示 T 1面 接 匹 配 負 載 時 ， T2面 上 的 電 壓 反 射 系數(shù) 。 第 2章 傳 輸 線 理 論 2.傳 輸 參 量 用 T2面 上 的 電 壓 入 射 波 和 反 射 波 來 表 示 T1面 上 的 電 壓 入 射

18、 波和 反 射 波 ， 其 網(wǎng) 絡 方 程 為 UU T TT T UU ir ri11 11 1221 22 22 矩 陣 形 式 為 U T U T UU T U T Ui r ir r i1 11 2 12 21 21 2 22 2 T UU Sir Ui11 12 0 212 1 表 示 表 示 T2面 接 匹 配 負 載 時 ， T1面至 T2面 的 電 壓 傳 輸 系 數(shù) 的 倒 數(shù) ， 其余 參 量 沒 有 直 觀 的 物 理 意 義 。 第 2章 傳 輸 線 理 論 二 、 二 端 口 微 波 網(wǎng) 絡 參 量 的 性 質一 般 情 況 下 ， 二 端 口 網(wǎng) 絡 的 五 種 網(wǎng)

19、 絡 參 量 均 有 四 個 獨 立 參 量 ，但 當 網(wǎng) 絡 具 有 某 種 特 性 (如 對 稱 性 或 可 逆 性 等 )時 ， 網(wǎng) 絡 的 獨 立參 量 個 數(shù) 將 會 減 少 。 (一 ) 可 逆 網(wǎng) 絡如 前 所 述 ， 可 逆 網(wǎng) 絡 具 有 互 易 特 性 Z Z Z ZY Y Y Y 12 21 12 2112 21 12 21 或或 其 它 幾 種 網(wǎng) 絡 參 量 的 互 易 特 性 為 A A A A11 22 12 21 1 A A A A11 22 12 21 1 S S12 21 T T T T11 22 12 21 1 第 2章 傳 輸 線 理 論 (二 ) 對

20、稱 網(wǎng) 絡一 個 對 稱 網(wǎng) 絡 具 有 下 列 特 性 ， Z Z11 22 Y Y11 22其 它 幾 種 網(wǎng) 絡 參 量 的 對 稱 性 為 ， ， S S11 22T T12 21 A A11 22 Z Z01 02由 此 可 見 ， 一 個 對 稱 二 端 口 網(wǎng) 絡 的 兩 個 參 考 面 上 的 輸入 阻 抗 、 輸 入 導 納 以 及 電 壓 反 射 系 數(shù) 等 參 量 一 一 對 應相 等 第 2章 傳 輸 線 理 論 (三 ) 無 耗 網(wǎng) 絡利 用 復 功 率 定 理 和 矩 陣 運 算 可 以 證 明 ， 一 個 無 耗 網(wǎng) 絡 的 散 射 矩陣 一 定 滿 足 “ 么

21、正 性 ” ， 即 *S ST 1或 寫 成 S SS S S SS S11 1212 22 11 1212 22 1 00 1 12 11 1212 代 入 得 第 2章 傳 輸 線 理 論 二 端 口 微 波 網(wǎng) 絡 的 工 作 特 性 參 量對 于 二 端 口 網(wǎng) 絡 來 說 ， 常 用 的 工 作 特 性 參 量 有 電 壓 傳 輸 系 數(shù) T、插 入 衰 減 A、 插 入 相 移 以 及 輸 入 駐 波 比 。T UU ri Ui 21 02T即 為 網(wǎng) 絡 散 射 參 量 S21， 即 T S 21一 、 電 壓 傳 輸 系 數(shù) T電 壓 傳 輸 系 數(shù) T定 義 為 ： 網(wǎng) 絡

22、輸 出 端 接 匹 配 負 載 時 ， 輸 出 端參 考 面 上 的 反 射 波 電 壓 與 輸 入 端 參 考 面 上 的 入 射 波 電 壓 之比 ， 即可 逆 二 端 口 網(wǎng) 絡 T S S 21 12 第 2章 傳 輸 線 理 論 二 、 插 入 衰 減 A 插 入 衰 減 A定 義 為 ： 網(wǎng) 絡 輸 出 端 接 匹 配 負 載 時 ， 網(wǎng) 絡 輸 入 端的 入 射 波 功 率 Pi與 負 載 吸 收 功 率 PL之 比 ， 即A PPiL U i 2 0A UU T S A A A Air 1 22 2 2 21 2 11 12 21 22 21 1 4P Ui i 12 1 2P

23、 UL r 12 2 2 由 此 可 見 ， 插 入 衰 減 等 于 電 壓 傳 輸 系 數(shù) 平 方 的 倒 數(shù) 。對 于 可 逆 二 端 口 網(wǎng) 絡 ， 則 有 212221 11 SSA 第 2章 傳 輸 線 理 論 三 、 插 入 相 移 插 入 相 移 定 義 為 ： 網(wǎng) 絡 輸 出 端 接 匹 配 負 載 時 ， 輸 出 端 的 反 射 波對 輸 入 端 的 入 射 波 的 相 移 。 T UU UU e ri ri j 21 21 2 1 因 此 根 據(jù) 定 義 ， 有 arg argT S21對 于 可 逆 網(wǎng) 絡 12 21 第 2章 傳 輸 線 理 論 四 、 輸 入 駐 波

24、 比 輸 入 駐 波 比 定 義 為 ： 網(wǎng) 絡 輸 出 端 接 匹 配 負 載 時 ， 輸 入 端 的 駐波 比 。 11 當 輸 出 端 接 匹 配 負 載 時 ， 輸 入 端 反 射 系 數(shù) 即 為 S 11， 所 以 有 11 1111SS S11 11 或對 于 可 逆 無 耗 網(wǎng) 絡 ， 僅 有 反 射 衰 減 ， 因 此 插 入 衰 減 與 輸 入 駐波 比 有 下 列 關 系 A S S S 1 11 14 112 2 11 2 2 21 2 第 2章 傳 輸 線 理 論 多 端 口 微 波 網(wǎng) 絡描 述 多 端 口 微 波 網(wǎng) 絡 的 參 量 矩 陣 只 有 阻 抗 矩 陣

25、、 導 納 矩 陣和 散 射 矩 陣 三 種 。 n端 口 網(wǎng) 絡 各 端 口 參 考 面 上 電 壓 和 電 流 關 系 的 矩 陣 方 程 為 UUU Z Z ZZ Z ZZ Z Z III n nnn n nn n12 11 12 121 22 21 2 12 III Y Y YY Y YY Y Y UUUn nnn n nn n12 11 12 121 22 21 2 12 或 簡 寫 成 U Z I I Y U 第 2章 傳 輸 線 理 論 散 射 參 量 矩 陣 方 程 為 UUU S S SS S SS S S UUUrrrn nnn n nn iiin12 11 12 121

26、22 21 2 12 或 簡 寫 成 U S U r i若 n端 口 微 波 網(wǎng) 絡 可 逆 ， 則 網(wǎng) 絡 參 量 矩 陣 具 有 下 述 性 質 Z Z T Y Y T S S T若 n端 口 微 波 網(wǎng) 絡 的 端 口 j與 端 口 k 在 結 構 上 對 稱 ， 則 網(wǎng) 絡 參量 具 有 下 述 性 質 Z Zjj kk Y Yjj kk S Sjj kk 第 2章 傳 輸 線 理 論 定 向 耦 合 器 微 波 元 件 的 功 能 在 于 對 微 波 信 號 進 行 各 種 變 換 ， 按 其 變 換 性 質 可 將微 波 元 件 分 為 如 下 三 類 ： 一 、 線 性 互 易

27、元 件 凡 是 元 件 中 沒 有 非 線 性 和 非 互 易 性 物 質 都 屬 于 這 一 類 。 常 用 的 線 性 互易 元 件 包 括 ： 匹 配 負 載 、 衰 減 器 、 移 相 器 、 短 路 活 塞 、 功 分 器 、 微 波電 橋 、 定 向 耦 合 器 、 阻 抗 變 換 器 和 濾 波 器 等 。二 、 線 性 非 互 易 元 件 這 類 元 件 中 包 含 磁 化 鐵 氧 體 等 各 向 異 性 媒 質 ， 具 有 非 互 易 特 性 ， 其 散射 矩 陣 是 不 對 稱 的 。 但 仍 工 作 于 線 性 區(qū) 域 ， 屬 于 線 性 元 件 范 圍 。 常 用的 線

28、 性 非 互 易 元 件 有 隔 離 器 、 環(huán) 行 器 等 。 第 2章 傳 輸 線 理 論 定 向 耦 合 器三 、 非 線 性 元 件 這 類 元 件 中 含 有 非 線 性 物 質 ， 能 對 微 波 信 號 進 行 非 線 性 變 換 ， 從 而 引起 頻 率 的 改 變 ， 并 能 通 過 電 磁 控 制 以 改 變 元 件 的 特 性 參 量 。 常 用 的 非線 性 元 件 有 檢 波 器 、 混 頻 器 、 變 頻 器 以 及 電 磁 快 控 元 件 等 。 波 導 型 同 軸 型 微 帶 型 微 波 元 件微 波 元 件 分 類 ： 近 年 來 ， 為 了 實 現(xiàn) 微 波

29、系 統(tǒng) 的 小 型 化 ， 開 始 采 用 由 微 帶 和 集 中 參數(shù) 元 件 組 成 的 微 波 集 成 電 路 ， 可 以 在 一 塊 基 片 上 做 出 大 量 的 元 件 ，組 成 復 雜 的 微 波 系 統(tǒng) ， 完 成 各 種 不 同 功 能 。 第 2章 傳 輸 線 理 論 定 向 耦 合 器 定 向 耦 合 器定 向 耦 合 器 在 微 波 技 術 中 有 著 廣 泛 的 應 用 。 波 導 同 軸 線 帶 狀 線 微 帶 線 按傳輸線類型 定 向 耦 合 器 的 種 類 很 多 。 單 孔 耦 合 多 孔 耦 合 連 續(xù) 耦 合 平行線耦合 按耦合方式 同 向 耦 合 反 向

30、 耦 合 輸出方向 90度 定 向 180度 定 向 輸出相位 強 耦 合 中 等 耦 合 弱 耦 合 按耦合強弱 第 2章 傳 輸 線 理 論 定 向 耦 合 器下 圖 給 出 了 幾 種 定 向 耦 合 器 的 結 構 示 意 圖 ， 其 中 圖 (a)為 微 帶 分 支 定 向耦 合 器 ， 圖 (b)為 波 導 單 孔 定 向 耦 合 器 ， 圖 (c)為 平 行 耦 合 線 定 向 耦 合器 ， 圖 (d)為 波 導 匹 配 雙 T， 圖 (e)為 波 導 多 孔 定 向 耦 合 器 ， 圖 (f)為 微 帶混 合 環(huán) 。 第 2章 傳 輸 線 理 論 定 向 耦 合 器一 、 定

31、向 耦 合 器 的 技 術 指 標 定 向 耦 合 器 一 般 屬 于 四 端 口 網(wǎng)絡 ， 它 有 輸 入 端 、 直 通 端 、 耦合 端 和 隔 離 端 ， 分 別 對 應 右 圖所 示 的 1、 2、 3和 4端 口 。定 向 耦 合 器 的 主 要 技 術 指 標 有 耦 合 度 、 隔 離 度 (或 方 向 性 )、 輸 入駐 波 比 和 工 作 帶 寬 。 (一 ) 耦 合 度 C 耦 合 度 C定 義 為 輸 入 端 的 輸 入 功 率 P1與 耦 合 端 的 輸 出 功 率 P3之 比 的分 貝 數(shù) ， 即 C PP10 13log （ dB) 第 2章 傳 輸 線 理 論

32、定 向 耦 合 器由 于 定 向 耦 合 器 是 一 個 可 逆 四 端 口 網(wǎng) 絡 ， 因 此 耦 合 度 又 可 表 示由 此 可 見 耦 合 度 的 分 貝 數(shù) 愈 大 耦 合 愈 弱 。 通 常 把 耦 合 度 為010dB的 定 向 耦 合 器 稱 為 強 耦 合 定 向 耦 合 器 ； 把 耦 合 度 為1020dB的 定 向 耦 合 器 稱 為 中 等 耦 合 定 向 耦 合 器 ； 把 耦 合 度 大 于20dB的 定 向 耦 合 器 稱 為 弱 耦 合 定 向 耦 合 器 。C US U Si i 10 22 20 11 213 1 13log log (dB) 第 2章 傳

33、 輸 線 理 論 定 向 耦 合 器(二 ） 隔 離 度 D 隔 離 度 D定 義 為 輸 入 端 的 輸 入 功 率 P1與 隔 離 端 的 輸 出 功 率 P4之 比 的 分 貝 數(shù) ，即 (dB)D PP10 14log若 用 散 射 參 量 來 描 述 ， 則 有D US U S i i 10 22 20 11 214 1 14log log (dB)在 理 想 情 況 下 ， 隔 離 端 應 無 輸 出 功 率 ， 即 P4=0， 此 時 隔 離 度 為 無 限 大 。但 實 際 上 由 于 設 計 或 加 工 制 作 的 不 完 善 ， 常 有 極 小 部 分 功 率 從 隔 離

34、端 輸出 ， 使 隔 離 度 不 再 為 無 限 大 。有 時 用 方 向 性 (dB)來 表 示 耦 合 器 的 隔 離 性 能 ， 它 是 耦 合 端 輸 出 功 率 P3與隔 離 端 的 輸 出 功 率 P4之 比 。 也 可 用 散 射 參 量 來 表 示 方 向 性 ， 即 D PP SS SS D C10 10 20 34 13 214 2 1314log log log 第 2章 傳 輸 線 理 論 定 向 耦 合 器(三 ） 、 輸 入 駐 波 比 將 定 向 耦 合 器 除 輸 入 端 外 ， 其 余 各 端 均 接 上 匹 配 負 載 時 ， 輸 入 端 的駐 波 比 即

35、為 定 向 耦 合 器 的 輸 入 駐 波 比 。 此 時 ， 網(wǎng) 絡 輸 入 端 的 反 射 系數(shù) 即 為 網(wǎng) 絡 的 散 射 參 量 S11， 故 有 11 1111SS（ 四 ） 、 頻 帶 寬 度 頻 帶 寬 度 是 指 耦 合 度 、 隔 離 度 (或 方 向 性 )及 輸 入 駐 波 比 都 滿 足 指 標 要 求時 ， 定 向 耦 合 器 的 工 作 頻 帶 寬 度 ， 簡 稱 工 作 帶 寬 。 第 2章 傳 輸 線 理 論 定 向 耦 合 器二 、 波 導 型 定 向 耦 合 器 大 多 數(shù) 波 導 定 向 耦 合 器 的 耦 合 都 是 通 過 在 主 、 副 波 導 間

36、公 共 壁 上 的 耦 合孔 來 實 現(xiàn) 的 。 通 過 耦 合 孔 將 主 波 導 中 的 電 磁 能 量 耦 合 到 副 波 導 中 ， 并 具有 一 定 的 方 向 性 。 副 波 導 各 端 口 輸 出 功 率 的 大 小 ， 決 定 于 耦 合 孔 的 大 小 、形 狀 和 位 置 。 波 導 定 向 耦 合 器 的 種 類 很 多 ， 最 常 用 的 波 導 定 向 耦 合 器 有 ： 單 孔 、 多孔 和 十 字 孔 定 向 耦 合 器 。 下 圖 給 出 了 三 種 常 用 波 導 定 向 耦 合 器 的 結 構 示意 圖 ， 其 中 圖 (a)為 寬 壁 斜 交 單 孔 耦

37、合 器 ， 圖 (b)為 多 孔 定 向 耦 合 器 ， 圖 (c)為 十 字 孔 定 向 耦 合 器 。 第 2章 傳 輸 線 理 論 定 向 耦 合 器 最 簡 單 的 雙 孔 定 向 耦 合 器 ， 是 在 兩 個 波 導 的 公 共 窄 壁 上 開 有 形狀 、 尺 寸 完 全 相 同 、 相 距 d為 p0/4的 兩 個 耦 合 孔 ， 如 下 圖 (a)所 示 。在 波 導 窄 壁 b/2處 ， 取 一 個 水 平 縱 截 面 ， 如 圖 (b)所 示 。 這 種 定 向 耦 合 器 的 定 向 性 是 由 各 孔 耦 合 波 相 互 干 涉 而 得 到 的 ， 只 要 控制 耦

38、合 孔 的 大 小 ， 形 狀 以 及 兩 耦 合 孔 的 距 離 ， 使 耦 合 波 在 一 個 方 向 上同 相 疊 加 而 有 輸 出 ， 在 另 一 個 方 向 上 反 相 疊 加 而 無 輸 出 或 減 小 輸 出 ，從 而 獲 得 定 向 性 。 第 2章 傳 輸 線 理 論 定 向 耦 合 器三 、 平 行 耦 合 線 定 向 耦 合 器 平 行 耦 合 線 定 向 耦 合 器 是 TEM波 傳 輸 線 定 向 耦 合 器 的 一 種 主要 形 式 。 這 種 平 行 耦 合 線 定 向 耦 合 器 通 常 用 微 帶 線 或 帶 狀 線 來實 現(xiàn) 。 平 行 耦 合 線 定 向

39、 耦 合 器 第 2章 傳 輸 線 理 論 定 向 耦 合 器 耦 合 帶 狀 線 定 向 耦 合 器 的 橫 截 面 如 圖 ， 主 、 副 線 的 中 心 導 帶 均 放 置 在 兩塊 平 行 接 地 板 之 間 。 奇 、 偶 模 二 端 口 網(wǎng) 絡 的 歸 一 化 轉 移 參 量 如 下 cos sinsin cosA jZj Ze ee 00 cos sinsin cosA jZj Zo oo 00 第 2章 傳 輸 線 理 論 定 向 耦 合 器可 求 得 相 應 的 e 、 Te及 o 、 To的 表 達 式 ： e e e e ee e e e e ee eA A A AA A

40、 A A j Z Zj Z Z sin cos sin 11 22 12 2111 22 12 21 0 00 012 1 e e e e e e eA A A A j Z Z 2 22 111 22 12 21 0 0 cos sin o o oo oj Z Zj Z Z sin cos sin 0 00 012 1 o o oj Z Z 22 10 0cos sin 各 端 口 輸 出 電 壓 與耦 合 線 參 量 之 間 的關 系 為 cos sin sin cos sin UU T j Z ZU j Z Zj Z ZUrr e e e r e e ee er12 0 03 0 00 0

41、4 0 2 11 10 第 2章 傳 輸 線 理 論 定 向 耦 合 器由 以 上 分 析 可 得 到 以 下 幾 點 結 論 ： (1)不 論 耦 合 區(qū) 電 長 度 為 何 值 ， 要 獲 得 理 想 匹 配 及 理 想 隔 離 特 性 ，必 須 滿 足 條 件 ： 或 Z Ze o0 0 1 Z Z Ze o0 0 02(2） 耦 合 端 口 3的 輸 出 電 壓 及 直 通 端 口 2的 輸 出 電 壓 ， 都 是 頻 率 的 函 數(shù) 。當 工 作 在 中 心 頻 率 時 ， = /2， 這 時 耦 合 端 輸 出 為 最 大 ， 且 與 同 相 ， 即 ( ) maxUr3 Ui1(

42、 ) maxU Z ZZ Z Z ZZ Z Z ZZ Zr e ee e e oe o e oe o3 0 00 0 0 00 0 0 00 011 令 上 式 中 Z ZZ Z ke oe o0 00 0 k稱 為 中 心 頻 率 的 電 壓 耦 合 系 數(shù) 。 第 2章 傳 輸 線 理 論 定 向 耦 合 器（ 3） 不 論 為 何 值 ， 耦 合 端 輸 出 電 壓 的 相 位 比 直 通 端 輸 出 電 壓 的 相 位 超前 /2。 當 = /2時 ， 定 向 耦 合 器 的 耦 合 度 由 下 式 確 定 ： C PP S k( ) log log logmaxdB 10 10 1

43、10 113 13 2 2一 旦 給 定 中 心 頻 率 時 的 耦 合 度 C(dB)， 便 可 由 解 得k C 1 101log ( )dBZZ kkeo00 11 耦 合 帶 狀 線 奇 、 偶 模 特 性 阻 抗 分 別 為由 Z Z kke0 0 11 Z Z kko0 0 11 第 2章 傳 輸 線 理 論 定 向 耦 合 器當 電 長 度 = /2時 ， 耦 合 器 各 端 口 輸 出 的 電 壓 可 由 簡 化 為Ur1 0 U j kr2 21 U kr3 Ur4 0平 行 耦 合 線 定 向 耦 合 器 的 等 效 四 端 口 網(wǎng) 絡 具 有 可 逆 、 無 耗 、 對

44、稱的 特 性 ， 由 此 可 寫 出 網(wǎng) 絡 的 散 射 參 量 矩 陣 S為 S j k kj k k k j kk j k 0 1 01 0 00 0 10 1 022 22 第 2章 傳 輸 線 理 論 定 向 耦 合 器對 于 耦 合 微 帶 線 定 向 耦 合 器 ， 由 于 耦 合 微 帶 線 的 奇 偶 模 相 速 不 相 等 ，即 ， 導 致 定 向 性 變 壞 。 為 了 提 高 方 向 性 ， 可 采 用 如 下 圖 中 (a)和 (b)兩種 形 式 ， 來 提 高 定 向 性 。 其 中 圖 (a)為 鋸 齒 形 定 向 耦 合 器 ， 由 于 耦 合 縫隙 采 用 鋸

45、齒 形 可 增 加 奇 模 電 容 、 降 低 奇 模 相 速 ， 從 而 提 高 方 向 性 。 圖(b)為 介 質 覆 蓋 定 向 耦 合 器 ， 在 耦 合 區(qū) 帶 線 的 上 方 再 覆 蓋 一 塊 與 基 片 材料 相 同 的 介 質 塊 ， 塊 的 厚 度 大 致 與 基 片 厚 度 相 等 ， 以 減 小 奇 、 偶 模 相速 的 差 異 ， 從 而 提 高 定 向 性 。 第 2章 傳 輸 線 理 論 定 向 耦 合 器單 節(jié) 耦 合 線 定 向 耦 合 器 的 頻 帶 比 較 窄 ， 為 了 增 寬 頻 帶 可 采 用 多 節(jié) 定 向耦 合 器 相 級 聯(lián) ， 如 下 圖 (

46、a)所 示 。 平 行 耦 合 線 定 向 耦 合 器 的 耦 合 強 弱 與兩 線 間 距 有 關 ， 間 距 愈 小 ， 耦 合 愈 強 。 但 耦 合 太 強 ， 工 藝 上 又 無 法 實現(xiàn) ， 因 此 常 采 用 兩 只 弱 耦 合 定 向 耦 合 器 相 串 接 的 辦 法 得 到 強 耦 合 定 向耦 合 器 。 圖 (b)為 兩 只 8.34dB的 定 向 耦 合 器 串 接 即 可 得 到 一 只 3dB定 向耦 合 器 。 第 2章 傳 輸 線 理 論 混 合 環(huán)一 、 1800混 合 環(huán)1. 定 性 分 析端 口 1激 勵(4) 、 (2)端 口 兩 路 信 號 同 相 疊加 ， 且 同 相 （ H T）(3)端 口 信 號 兩 路 信 號 反 相 抵 消端 口 3激 勵(4) 、 (2)端 口 兩 路 信 號 同 相 疊 加 ， 且 反 相 （ ET）(1)端 口 信 號 兩 路 信 號 反 相 抵 消 (a=b=c=1/ )導 納2