功率分配器與定向耦合器

功率分配器與定向耦合器是主要用於無線電或微波領域的被動元件。它們將傳輸線中的電磁功率耦合到，使得訊號能夠用在另一個電路中。定向耦合器的一個基本特徵是它們只將電磁功率耦合到固定的方向。在兩個埠平均分配功率的定向耦合器又稱為混合耦合器。定向耦合器最常由兩個耦合的傳輸線構成，這兩個傳輸線足夠靠近，使得其中一個的能量能耦合到另一個。這種技術在微波頻率上是有利的，其中傳輸線設計通常用於實現許多電路元件。然而，集中式元件也可以在較低頻率下使用，例如電話中遇到的音訊頻率。同樣在微波頻率，特別是較高頻帶，可以使用波導設計。這些波導耦合器中的許多對應於導電傳輸線設計中的一個，但是也存在波導特有的型別。定向耦合器和功率分配器有許多應用。這些包括提供用於測量或監視的訊號樣本、反饋、組合來自天線的饋送、天線波束成形，為諸如有線電視的有線分散式系統提供分接頭，以及在電話線上分離傳送和接收訊號。符號.最常用於定向耦合器的符號如圖1所示。符號可以在其上標記以dB為單位的耦合因子。定向耦合器有四個埠。埠1是應用電源的輸入埠。埠3是耦合埠，其中出現應用於埠1的一部分功率。埠2是輸出埠1的電源輸出的埠，少於埠3的輸出埠。定向耦合器通常是對稱的，因此也存在埠4，即隔離埠。施加到埠2的一部分功率將耦合到埠4.但是，該裝置通常不用於此模式，埠4通常以匹配負載終止。 該終止可以在裝置內部，並且使用者不能訪問埠4。實際上，這導致3埠裝置，因此圖中的定向耦合器的第二符號的效用。formula_1“埠a處的引數P由於埠b處的輸入”。功率分配器的符號如圖2所示。功率分配器和定向耦合器都屬於同一類器件。定向耦合器通常是較少耦合的4埠器件，只有一小部分輸入功率出現在耦合埠上。功率分配器則相反，多數功率能到達輸出埠，常被視為三埠器件。引數.當其他埠都匹配負載時，所有定向耦合器所需的共同特性是較大的頻寬、高定向性和所有埠的良好阻抗匹配。耦合係數.耦合係數的定義為：formula_2其中P1是埠1的輸入功率，P3是耦合埠3的輸出功率。耦合係數是定向耦合器的主要特性引數。它是負數的，對於無源器件不能超過0 dB，並且通常小於−3 dB ，因為輸出功率不可能比輸入功率多。在其他，常會省略負號，甚至定義為正數 。耦合係數會隨著頻率而變化。雖然不同的設計可以減少方差，但理論上不能構建完美平坦的耦合器。定向耦合器是根據頻帶中心的耦合精度來規定的。損失引數.從埠1到埠2的插入損失(P1 – P2) 是:插入損失：formula_3部分損失是由於某些功率進入耦合埠而被稱為耦合損失，由下式給出：耦合損失: formula_4理想定向耦合器的插入損耗完全由耦合損耗組成。理想定向耦合器的插入損耗完全由耦合損耗組成。然而，實際定向耦合器中，插入損耗包括耦合損失、電介質損失，導體損失和駐波比損失。根據頻率範圍，耦合損耗在15 dB耦合之上變得不那麼顯著，其他損耗構成總損耗的大部分。耗散耦合器的理論插入損失的關係如圖3和下表所示。隔離度.定向耦合器的隔離度可以定義為當其他兩個埠由匹配負載時，輸入埠和隔離埠之間的訊號能差。隔離度定義如下式：formula_5也可以在兩個輸出埠之間定義隔離。在這種情況下，其中一個輸出埠用作輸入; 另一個被認為是輸出埠，而另外兩個埠則匹配負載。因此定義如下:formula_6輸入埠和隔離埠之間的隔離可能與兩個輸出埠之間的隔離不同。 例如，埠1和4之間的隔離可以是30 dB，而埠2和3之間的隔離可以是不同的值，例如25 dB。 可以從耦合加上回波損耗估算隔離。 隔離度應盡可能高。 在實際的耦合器中，隔離埠永遠不會完全隔離。 一些射頻功率將始終存在。 波導定向耦合器將具有最佳隔離度。定向性.定向性與隔離直接相關。 它被定義為：formula_7其中: P3是耦合埠的輸出功率，P4是隔離埠的功率輸出。定向性越高越好。定向性隨頻率改變而變化，並且在設計的頻率點上特別高。定向性對頻率特別敏感，因為它是兩個波分量的差。波導定向耦合器將具有最佳定向性。定向性無法直接測量，需要透過增加隔離度和耦合係數測量來計算：formula_8如果使用正的耦合係數，則公式改為：formula_9散射引數.理想無限隔離與完全匹配且對稱定向耦合器的散射引數由下式給出，formula_10formula_11是傳輸係數。formula_12是耦合係數。通常formula_11與formula_12都是複數，並且隨頻率變化。矩陣主對角線上0代表阻抗匹配，任何埠的功率輸入都不會反射回同一個埠。在反對角線上，0代表輸入和隔離埠之間完美隔離。對於無源無損定向耦合器，其矩陣為麼正矩陣：formula_15因為進入輸入埠的能量必須全部由其他兩個埠之一離開。插入損失與formula_11相關；formula_17耦合係數與formula_12相關；formula_19主對角線上飛零代表有回波損失；反對角線上非零則代表隔離不完全。然而，部分作者定義了埠號3和4互換的埠號。這導致散射矩陣在反對角線上不再是全零。幅度平衡.幅度平衡指的是3dB混合器的兩個輸出埠之間的功率差異。在理想的功率平分器中，其差值應為0dB。 然而，實際上，幅度平衡取決於頻率並且偏離理想的0dB。相位平衡.相位平衡定義為兩個輸出段口的相位差。理想情況，混合耦合器的兩個輸出埠之間的相位差應為0°，90°或180°。然而，與幅度平衡一樣，相位差依輸入頻率而變化。傳輸線模型.定向耦合器.耦合傳輸線.定向耦合器的最常見形式是一對耦合傳輸線。它們可以透過多種技術實現，包括同軸和平面技術定向耦合器為帶狀線。耦合線上的功率以與主線上的功率呈反方向流動，因此埠佈置與圖1中所示的不同，但編號保持相同。因此，它有時被稱為「後向耦合器」。埠1與埠2之間是「主線」；埠3與埠4之間是「耦合線」。由於定向耦合器是線性器件，因此圖1中的符號是任意的。任何埠都可以是輸入端，而耦合埠可以使用小型聯結器，例如。內部負載額定功率也可能限制耦合線路上的操作。耦合係數的精度取決於兩條耦合線間距的尺寸公差。對於平面印刷技術，這取決於印刷過程的解析度，決定了可以產生的最小軌道寬度，並且還限制兩條線的間距。當需要非常緊密的耦合併且經常使用不同的設計3dB的耦合器時，這成為一個問題。然而，可以在中生產緊密耦合的線，這也允許透過印刷平面技術製造。在這種設計中，兩條線印刷在電介質的“相對”側面而不是並排。兩條線在它們的寬度上的耦合遠大於它們彼此邊緣接合時的耦合。λ/ 4耦合線設計適用於同軸和帶狀線實現，但在現在流行的微帶格式中不能很好地工作，儘管設計確實存在。原因是微帶不是均勻介質 - 傳輸帶上方和下方有兩種不同的介質。這導致除了導電電路中常見的TEM模式之外的。偶模和奇模的傳播速度不同，導致訊號色散。微帶線的更好解決方案是比λ/ 4短得多的耦合線，如圖5所示，但這具有耦合因子隨頻率顯著上升的缺點。有時遇到的這種設計的變型使得耦合線具有比主線更高的，如圖6所示。這種設計在將耦合器饋送到用於功率監測的檢測器的情況下是有利的。對於給定的主線功率，較高阻抗線導致較高的射頻電壓，使得檢測器二極體的工作更容易。製造商規定的頻率範圍是耦合線的頻率範圍。主線響應要寬得多：例如，2-4 GHz指定的耦合器可能有一條可以在1-5 GHz執行的主線。主線響應要寬得多：例如， 2-4 GHz指定的耦合器可能有一條可以在1-5 GHz執行的主線。 與所有分散式元件電路一樣，耦合響應是頻率週期性的。 例如，λ/ 4耦合線耦合器將在"n"λ/ 4處具有響應，其中"n"是奇整數。單個λ/ 4耦合部分適用於小於八度的頻寬。 為了獲得更大的頻寬，使用多個λ/ 4耦合部分。 這種耦合器的設計與分散式元件濾波器的設計大致相同。 耦合器的各部分被視為濾波器的部分，透過調整每個部分的耦合係數，可以使耦合埠具有任何經典濾波器響應，例如最大平坦響應。 是通帶中耦合埠輸出的最大變化，通常用標稱耦合因子作為正或負的dB值。可以看出，耦合線定向耦合器的formula_11純實數，而formula_12在所有頻率上都是純虛數的。這導致S矩陣的簡化以及耦合埠始終與輸出埠處於正交相位相位的結果。一些應用程式利用這種相位差。 讓formula_22，無損操作的理想情況簡化為：formula_23分支線耦合器.分支線耦合器由兩條物理耦合在一起的並行傳輸線組成，它們之間有兩條或多條支路。分支線間隔λ/ 4並且以與耦合線耦合器的多個部分相同的方式表示多部分濾波器設計的部分，除了這裡每個部分的耦合由分支線的阻抗控制。主線和耦合線是系統阻抗的formula_24。耦合器中的部分越多，分支線的阻抗比越高。高阻抗線具有窄軌道，並且由於製造限制，這通常將設計限制為平面格式的三個部分。類似的限制適用於比10 dB寬鬆的耦合因子;低耦合也需要窄軌道。當需要鬆耦合時，耦合線是更好的選擇，但分支線耦合器適用於緊耦合，可用於3 dB混合。分支線耦合器通常不具有如耦合線那樣寬的頻寬。這種型別的耦合器適用於高功率、空氣介電、實心棒形式，因為剛性結構易於機械支撐。藍澤耦合器.藍澤耦合器的結構類似於交叉指形濾波器，並行的線路交錯以實現耦合。它用於3 dB到6 dB範圍內的強耦合。功率分配器.最早的傳輸線功率分配器是簡單的T型接頭。它們在輸出埠之間的隔離非常差，從埠2反射出來的功率很多都會進入埠3。三埠網路不能同時達到「無損」、埠匹配負載、「互易」。然而，這四埠網路可以達到這些條件，可以設計四埠裝置，使到達埠2的功率在埠1之間分配，埠4以匹配負載，埠3隔離。術語“混合耦合器”最初應用於3 dB耦合線定向耦合器，即其中兩個輸出均為輸入功率的一半。 這同義詞意味著正交3dB耦合器，輸出相位相差90°。 現在任何帶有隔離端和相等功率分配的匹配4埠稱為混合耦合器。 其他型別可以具有不同的相位關係。 如果為90°，則為90°混合，如果為180°，則為180°混合等。在本文中，沒有限定條件的“混合耦合器”意味著耦合線混合。威爾金森功率分配器.威爾金森功率分配器由兩個並聯的非耦合λ/4傳輸線組成。輸入並行饋送到兩條線路，輸出端接兩圈的系統阻抗。該設計可以採用平面格式實現，但它在同軸電纜中具有更自然的實現：在平面中，兩條線必須保持分開，這樣它們不會耦合，而是必須在它們的輸出端匯集在一起，這樣它們就可以被端接而不是在同軸電纜中，線路可以依靠同軸外導體並排執行以進行篩選。威爾金森功率分配器解決了簡單T型接頭的匹配問題：它在所有埠具有低電壓駐波比，在輸出埠之間具有高隔離度。每個埠的輸入和輸出阻抗設計為等於微波系統的特徵阻抗。這是透過使系統阻抗的線阻抗 formula_24來實現的 - 對於50Ω系統，威爾金森線約為70 Ω。混合耦合器.上面描述了耦合線定向耦合器。當耦合設計為3dB時，它被稱為混合耦合器。理想的對稱混合耦合器的S矩陣減少到：formula_26兩個輸出埠具有90°相位差，因此這是90°混合。混合環型耦合器.混合環型耦合器，也稱為滑鼠耦合器，是一個四埠3dB定向耦合器，由一個3λ/ 2環形傳輸線組成，其中四條線的間隔為如圖12所示。埠1處的電源輸入在環上分開並雙向傳播。在埠2和3處，訊號同相到達並且在埠4處增加，但是它是異相所以被消除。埠2和3彼此同相，因此這是0°混合的示例。圖12示出了平面實現，但是該設計也可以在同軸或波導中實現。透過使環的每個λ/ 4部分交替地低和高阻抗，但是對於3dB耦合器，可以產生具有與3dB不同的耦合因子的耦合器。 環是formula_24的埠阻抗，對於50Ω設計，環大約為70Ω。混合環型耦合器的S引數矩陣為：formula_28混合環的埠不對稱;選擇不同輸入埠不一定產生相同的結果。從埠1或埠3輸入，混合環是如所述的0°混合。但是，輸入埠2或埠4會產生180°混合。這一事實導致混合環的另一個有用的應用：它可用於從兩個輸入訊號產生和訊號，如圖12所示。對於埠2和3的輸入，出現Σ訊號在埠1處，Δ訊號出現在埠4處。多輸出分頻器.典型的功率分配器如圖13所示。理想情況下，輸入功率將在輸出埠之間平均分配。分頻器由多個耦合器組成，與耦合器一樣，可以反轉並用作多工器。缺點是對於四通道多路復用器，輸出僅由每個功率的1/4組成，並且效率相對較低。其原因在於，在每個組合器的一半輸入功率到達埠4並在終端負載中耗散。如果兩個輸入是相干，則可以安排相位，使得在埠4處發生消除，然後所有功率將轉到埠1。但是，多路復用器輸入通常來自完全獨立的源，因此不連貫。無損多路復用只能透過濾波器網路完成。波導型別.波導定向耦合器.波導分支線耦合器.上述波導分支線耦合器也可以在波導中實現。倍茲孔方向耦合器.倍茲孔方向耦合器是最常見、最簡單的波導定向耦合器之一。 它由兩個平行的波導組成，一個堆疊在另一個的頂部，在它們之間有一個孔。一個導向裝置的一些功率透過孔進入另一個導向裝置。倍茲孔方向耦合器是後向耦合器的另一個例子。倍茲孔方向耦合器的概念可以透過提供多個孔來擴充套件。孔間隔λ/ 4。這種耦合器的設計與多段耦合傳輸線相似。使用多個孔可以透過將這些部分設計為巴特沃斯、契比雪夫或其他一些濾波器類來擴充套件頻寬。選擇孔尺寸以為過濾器的每個部分提供所需的耦合。設計標準是在所需頻帶上實現基本上平坦的耦合以及高方向性。瑞雷特短槽藕合器.瑞雷特短槽藕合器是兩個波導並排，側壁是共同的，而不是像倍茲孔方向耦合器那樣的長邊。在側壁上切出一個槽以允許耦合。這種設計經常用於產生3dB耦合器。施溫格反相耦合器.施溫格反相耦合器是另一種使用平行波導的設計，這次一側的長邊與另一側的短側壁相同。 在間隔λ/ 4的波導之間切割兩個偏心槽。施溫格是一個後向耦合器。與Bethe-hole耦合器相比，這種設計具有基本上平坦的方向性響應和與頻率相關的強耦合的缺點，倍茲孔方向耦合器的耦合因子幾乎沒有變化。莫侖諾十字形波導耦合器.莫侖諾十字形波導耦合器有兩個波導，一個堆疊在另一個上面，像倍茲孔方向耦合器，但彼此成直角而不是平行。在波導之間的對角線上切割兩個通常為十字形的偏心孔，距離formula_29分開。莫侖諾十字形波導耦合器適用於緊耦合應用。 這是倍茲孔方向耦合器和莫侖諾耦合器的特性之間的折衷，其耦合和方向性隨頻率而變化。波導功率分配器.波導混合環.上面討論的波導混合環也可以在波導中實現。幻T形接頭.首先透過簡單的T形接頭完成相干功率分配。 在微波頻率下，波導三通有兩種可能的形式：。這兩個結均等地分配功率，但由於結處的場結構不同，輸出臂處的電場與H平面三通同相，並且對於E平面三通為180°異相。 這兩個發球檯的組合形成混合發球檯被稱為魔T。魔T是一個四埠元件，可以執行兩個相干微波訊號的向量和。集總元件.混合變壓器.標準的3dB混合變壓器如圖16所示。埠1的電源在埠2和3之間平均分配，但相互反相。因此，混合變壓器是180°混合動力。中心抽頭通常在內部端接，但可以將其作為埠4引出; 在這種情況下，混合可以用作和和混合。但是，埠4表示與其他埠不同的阻抗，如果需要在相同的系統阻抗下使用該埠，則需要額外的變壓器進行阻抗轉換。混合變壓器通常用於電信中，用於2到4線轉換。電話手機包括這樣的轉換器，用於將2線線路轉換為來自耳機和吹嘴的4線。交叉連線變壓器.對於較低的頻率，可以透過RF變壓器實現緊湊的寬頻實現。在圖17中，示出了用於弱耦合的電路，並且可以沿著這些線理解：訊號進入一個線對。一個變壓器降低訊號電壓，另一個變壓器降低電流。因此，阻抗匹配。相同的論證適用於透過耦合器的訊號的每個其他方向。感應電壓和電流的相對符號決定了輸出訊號的方向。耦合由下式給出：formula_30其中"n"是次級匝數比。對於3 dB耦合，即在傳送埠和耦合埠之間訊號的相等分割，formula_31，並且隔離埠以兩次終止 50Ω系統的特徵阻抗 - 100Ω。基於該電路的3dB功率分配器具有彼此180°相位的兩個輸出，與具有90°相位關係的λ/ 4耦合線相比。電阻性T形接頭.簡單電阻性T形電路可用作功率分配器，如圖18所示。透過Y-Δ變換，該電路也可以實現為Δ電路。使用增量形式電阻器等於系統阻抗。這可能是有利的，因為系統阻抗值的精密電阻器總是可用於大多數係統標稱阻抗。 三通電路具有簡單，低成本和本質上寬頻寬的優點。 它有兩個主要缺點; 首先，電路將耗散功率，因為它是電阻性的：相等的分裂將導致6 dB插入損耗而不是3 dB。 第二個問題是0 dB方向性導致輸出埠之間的隔離非常差。對於不均等的功率分配，插入損耗不是問題：例如埠3處的-40 dB在埠2處具有小於0.2 dB的插入損耗。隔離可以是透過用T pad s替換輸出電阻，以兩個輸出埠的插入損耗為代價進行了改進。 隔離改善大於增加的插入損耗。6dB電阻橋式混合電路.真正的混合分配器/耦合器理論上可以透過電阻橋電路實現無限隔離和方向性。與三通電路一樣，電橋具有6 dB插入損耗。它的缺點是不新增變壓器就不能用於不平衡電路; 但是，如果插入損耗不是問題，它是600Ω平衡通訊線路的理想選擇。橋中代表埠的電阻器通常不是器件的一部分組成。應用.監測.定向耦合器的耦合輸出可用於監視訊號的頻率和功率電平，而不會中斷系統中的主要功率流。利用隔離.如果隔離度很高，定向耦合器有利於組合訊號以將單線饋送到接收器以進行雙音接收機測試。在圖20中，一個訊號進入埠P3，一個進入埠P2，而兩個出口P1。從埠P3到埠P1的訊號將經歷10 dB的丟失，並且來自埠P2的訊號到埠P1將失去0.5 dB。隔離埠上的內部負載將消除埠P3和埠P2的訊號損耗。如果忽略圖20中的隔離器，則隔離測量。因此，注入損耗將是定向耦合器的隔離加上隔離器的反向隔離。混合電路.混合電路的應用包括單脈衝比較器、頻率混頻器、功率合成器、分頻器、調製器和相控陣雷達天線系統。兩個同相裝置混合耦合器可用於相干功率分配器應用。在家中使用便宜版本的功率分配器將有線電視或無線電視訊號分配給多個電視機和其他裝置。具有兩個以上輸出埠的多埠分離器通常由多個級聯耦合器內部組成。域內寬頻網際網路服務可由有線電視公司提供。域內使用者的網際網路電纜數據機連線到分離器的一個埠。功率合成器.由於混合電路是雙向的，因此它們可以用於相干地組合功率以及分離功率。在圖21中，示出了分離以饋送多個低功率放大器的訊號的示例，然後重新組合以饋送具有高功率的單個天線。每個功率組合器的輸入的相位被佈置成使得兩個輸入彼此異相90°。由於混合組合器的耦合埠與傳送埠成90°異相，這導致功率在組合器的輸出處相加並在隔離埠處抵消：圖22中的代表性示例在圖22中示出。注意，每個組合器/分配器的兩個埠都有一個額外的固定90°相移，為簡單起見，圖中未示出 。對兩個輸入埠施加同相功率將無法獲得所需的結果：兩個輸入端的正交總和將出現在兩個輸出埠：這是每個輸出埠總功率的一半。這種方法允許在電路中使用許多更便宜和更低功率的放大器而不是單個高功率行波管。另一種方法是讓每個固態放大器饋送天線並使功率在空間中組合或用於饋送連線到天線的鏡頭。相位差.90°混合耦合器的相位特性可用於微波電路中的巨大優勢。 例如，在平衡微波放大器中，兩個輸入級透過混合耦合器饋電。 場效應電晶體器件通常具有非常差的匹配並且反射大部分入射能量。然而，由於器件基本相同，因此來自每個器件的反射係數相等。來自FET的反射電壓在隔離埠處同相，並且在輸入埠處為180°不同。因此，來自FET的所有反射功率都會進入隔離埠的負載，並且沒有電源進入輸入埠。這導致良好的輸入匹配。如果相位匹配線用於180°混合耦合器的天線輸入，如圖23所示，則零點將直接出現在天線之間。要在該位置接收訊號，必須改變混合型別或線路長度。 要拒絕來自給定方向的訊號，或為單脈衝雷達建立差異模式，這是一種很好的方法。透過將相位延遲到天線陣列的下部元件，可以使用相位差耦合器在VHFFM 無線電臺中建立波束傾斜。更一般地，相位差耦合器與固定相位延遲和天線陣列一起用於諸如巴特勒矩陣的波束形成網路中，以在任何規定方向上建立無線電波束。參考書目.本條目引用的公有領域材料來自的文件《Electronic Warfare and Radar Systems Engineering Handbook (report number TS 92-78)》 。