耦合器/隔離器,耦合器/隔離器原理是什么?

在微波系統中, 往往需將一路微波功率按比例分成幾路, 這就是功率分配問題。實現這一功能的元件稱為功率分配元器件, 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絡, 因此可用微波網絡理論進行分析。

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, 它是由耦合裝置聯系在一起的兩對傳輸系統構成的。

如圖 5 - 13 所示。 圖中“①、 ②”是一條傳輸系統, 稱為主線；“③、④”為另一條傳輸系統, 稱為副線。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, 然后介紹波導雙孔定向耦合器、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

定向耦合器是四端口網絡, 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, 并設其散射矩陣為［S］。描述定向耦合器的性能指標有: 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”都接匹配負載時的輸入端口“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等參數均滿足要求時的工作頻率范圍。

2)波導雙孔定向耦合器?

波導雙孔定向耦合器是最簡單的波導定向耦合器, 主、副波導通過其公共窄壁上兩個相距d=(2n+1)λg0/4 的小孔實現耦合其中，λg0是中心頻率所對應的波導波長, n為正整數, 一般取n=0。耦合孔一般是圓形, 也可以是其它形狀。定向耦合器的結構如圖 5 - 14(a)所示, 下面簡單介紹其工作原理。 ?

根據耦合器的耦合機理, 畫出如圖 5 - 14(b)所示的原理圖。 設端口“①”入射TE10波(u+1=1), 第一個小孔耦合到副波導中的歸一化出射波為

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

5-14波導雙孔定向耦合器

副波導輸出端口“④”合成的歸一化出射波為

由此可得波導雙孔定向耦合器的耦合度為

小圓孔耦合的耦合系數為

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

當工作在中心頻率時, βd=π/2, 此時D→∞; 當偏離中心頻率時, secβd具有一定的數值, 此時D不再為無窮大。實際上雙孔耦合器即使在中心頻率上, 其定向性也不是無窮大, 而只能在30dB左右。

總之，波導雙孔定向耦合器是依靠波的相互干涉而實現主波導的定向輸出, 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, 其中分支線的長度和間距均為中心波長的1/4, 如圖 5 - 15 所示。 設主線入口線“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, 兩個分支線特性阻抗分別為和。下面來討論雙分支定向耦合器的工作原理。

假設輸入電壓信號從端口“①”經A點輸入, 則到達D點的信號有兩路, 一路是由分支線直達, 其波行程為λg/4, 另一路由A→B→C→D, 波行程為3λg/4；故兩條路徑到達的波行程差為λg/2, 相應的相位差為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, 使到達的兩路信號的振幅相等, 則端口“④”處的兩路信號相互抵消, 從而實現隔離。

同樣由A→C的兩路信號為同相信號, 故在端口“③”有耦合輸出信號, 即端口“③”為耦合端。耦合端輸出信號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計公式。 設耦合端“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| |的關系式為

可見， 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, 從而可設計出相應的定向耦合器。對于耦合度為3dB、阻抗變換比k=1的特殊定向耦合器, 稱為3dB定向耦合器, 它通常用在平衡混頻電路中。此時

此時散射矩陣為

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，電磁波正向通過它時幾乎無衰減，反向通過時衰減很大。常用的隔離器有諧振式和場移式兩種。 ?

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Hi作用下，與Hi方向成左、右螺旋關系的左、右圓極化旋轉磁場具有不同的導磁率（分別設為μ-和μ+）。 設在含鐵氧體材料的微波傳輸線上的某一點，沿+z方向傳輸左旋磁場，沿-z方向傳輸右旋磁場，兩者傳輸相同距離，但對應的磁導率不同，故左右旋磁場相速不同，所產生相移也就不同，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和圓極化磁場的諧振吸收效應。

所謂鐵氧體的鐵磁諧振效應，是指當磁場的工作頻率ω等于鐵氧體的諧振角頻率ω0時，鐵氧體對微波能量的吸收達到最大值。而對圓極化磁場來說，左、右旋極化磁場具有不同的磁導率, 從而兩者也有不同的吸收特性。

對反向傳輸的右旋極化磁場，磁導率為μ+，它具有鐵磁諧振效應，而對正向傳輸的左極化磁場，磁導率為μ-，它不存在鐵磁諧振特性, 這就是圓極化磁場的諧振效應。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的某個恰當位置上放置鐵氧體片而制成的, 在這個位置上，往一個方向傳輸的是右旋磁場, 另一方向上傳輸的是左旋磁場。圖 5 - 31 所示的矩形波導在x=x1處放置了鐵氧體, 下面來確定鐵氧體片放置的位置。 ?

對于矩形波導TE10模而言, 其磁場只有x分量和z分量, 它們的表達式為

可見兩者存在π/2的相差。在矩形波導寬邊中心處, 磁場只有Hx分量, 即磁場矢量是線極化的, 且幅度隨時間周期性變化, 但其方向總是x方向; 在其它位置上, 若|Hx|≠|Hz|,則合成磁場矢量是橢圓極化的, 并以寬邊中心為對稱軸, 波導兩邊為極化性質相反的兩個磁場; 當在某個位置x1上有|Hx|=|Hz|時, 合成磁場是圓極化的, 即于是有

解得

進一步分析表明, 對TE10模來說,在x=x1處沿+z方向傳輸的圓極化磁場不與恒定磁場方向成右手螺旋關系, 即為左旋磁場, 而沿-z方向傳輸的圓極化磁場則是右旋磁場。可見，應在波導x=x1處放置鐵氧體片, 并加上如圖 5 - 31 所示的恒定磁場, 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, 沿+z方向傳輸的波幾乎無衰減通過, 而沿-z方向傳輸的波因滿足圓極化諧振條件而被強烈吸收, 從而構成了諧振式隔離器。

應該指出的是，若在波導的對稱位置x=x2=a-x1處放置鐵氧體，則沿+z方向傳輸的波因滿足圓極化諧振條件而被強烈吸收, -z方向傳輸的波則幾乎無衰減地通過。也就是單向傳輸的方向與前述情形正好相反。另外，由于波導部分填充鐵氧體，主模TE10的場會有所變化，因此實際鐵氧體的位置與計算的略有差異。

2) 場移式隔離器?

場移式隔離器是根據鐵氧體對兩個方向傳輸的波型產生的場移作用不同而制成的。

它在鐵氧體片側面加上衰減片, 由于兩個方向傳輸所產生場的偏離不同，使沿正向（-z方向）傳輸波的電場偏向無衰減片的一側，而沿反向（+z方向）傳輸波的電場偏向衰減片的一側, 從而實現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。

由于場移式隔離器具有體積小，重量輕，結構簡單且有較寬的工作頻帶等特點, 因此在小功率場合得到了較為廣泛的應用。

3) 隔離器的性能指標

隔離器是雙端口網絡, 理想鐵氧體隔離器的散射矩陣為

圖 5 – 32 場移式隔離器

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

實際隔離器一般用以下性能參量來描述

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稱為輸入駐波比，記作ρ，此時

對于具體的隔離器, 希望ρ值接近于1。