功率分配器與定向耦合器

功率分配器与定向耦合器是主要用于无线电或微波领域的被动元件。它们将传输线中的电磁功率耦合到端口，使得信号能够用在另一个电路中。定向耦合器的一个基本特征是它们只将电磁功率耦合到固定的方向。在两个端口平均分配功率的定向耦合器又称为混合耦合器。
定向耦合器最常由两个耦合的传输线构成，这两个传输线足够靠近，使得其中一个的能量能耦合到另一个。这种技术在微波频率上是有利的，其中传输线设计通常用于实现许多电路元件。然而，集中式组件也可以在较低频率下使用，例如电话中遇到的音频频率。同样在微波频率，特别是较高频带，可以使用波导设计。这些波导耦合器中的许多对应于导电传输线设计中的一个，但是也存在波导特有的类型。
定向耦合器和功率分配器有许多应用。这些包括提供用于测量或监视的信号样本、反馈、组合来自天线的馈送、天线波束成形，为诸如有线电视的有线分布式系统提供分接头，以及在电话线上分离发送和接收信号。

参数

当其他端口都匹配负载时，所有定向耦合器所需的共同特性是较大的带宽、高定向性和所有端口的良好阻抗匹配。

耦合系数

耦合系数的定义为：
其中P₁是端口1的输入功率，P₃是耦合端口3的输出功率。
耦合系数是定向耦合器的主要特性参数。它是负数的，对于无源器件不能超过0 dB，并且通常小于−3 dB ，因为输出功率不可能比输入功率多。在其他文献里，常会省略负号，甚至定义为正数 。
耦合系数会随着频率而变化。虽然不同的设计可以减少方差，但理论上不能构建完美平坦的耦合器。定向耦合器是根据频带中心的耦合精度来规定的。

隔离度

定向耦合器的隔离度可以定义为当其他两个端口由匹配负载时，输入端口和隔离端口之间的信号能差（以dB为单位）。隔离度定义如下式：
也可以在两个输出端口之间定义隔离。在这种情况下，其中一个输出端口用作输入; 另一个被认为是输出端口，而另外两个端口（输入和隔离）则匹配负载。因此定义如下:
输入端口和隔离端口之间的隔离可能与两个输出端口之间的隔离不同。 例如，端口1和4之间的隔离可以是 30 dB，而端口2和3之间的隔离可以是不同的值，例如 25 dB。 可以从耦合加上回波损耗估算隔离。 隔离度应尽可能高。 在实际的耦合器中，隔离端口永远不会完全隔离。 一些射频功率将始终存在。 波导定向耦合器将具有最佳隔离度。

幅度平衡

幅度平衡指的是3dB混合器的两个输出端口之间的功率差异（dB）。在理想的功率平分器中，其差值应为0dB。 然而，实际上，幅度平衡取决于频率并且偏离理想的0dB。

相位平衡

相位平衡定义为两个输出段口的相位差。理想情况，混合耦合器的两个输出端口之间的相位差应为0°，90°或180°。然而，与幅度平衡一样，相位差依输入频率而变化。

分支线耦合器

分支线耦合器由两条物理耦合在一起的并行传输线组成，它们之间有两条或多条支路。分支线间隔λ/ 4并且以与耦合线耦合器的多个部分相同的方式表示多部分滤波器设计的部分，除了这里每个部分的耦合由分支线的阻抗控制。主线和耦合线是系统阻抗的。耦合器中的部分越多，分支线的阻抗比越高。高阻抗线具有窄轨道，并且由于制造限制，这通常将设计限制为平面格式的三个部分。类似的限制适用于比 10 dB宽松的耦合因子;低耦合也需要窄轨道。当需要松耦合时，耦合线是更好的选择，但分支线耦合器适用于紧耦合，可用于 3 dB混合。分支线耦合器通常不具有如耦合线那样宽的带宽。这种类型的耦合器适用于高功率、空气介电、实心棒形式，因为刚性结构易于机械支撑。

蓝泽耦合器

蓝泽耦合器的结构类似于交叉指形滤波器，并行的线路交错以实现耦合。它用于 3 dB到 6 dB范围内的强耦合。

功率分配器

最早的传输线功率分配器是简单的T型接头。它们在输出端口之间的隔离非常差，从端口2反射出来的功率很多都会进入端口3。三端口网络不能同时达到“无损”、端口匹配负载、“互易”。然而，这四端口网络可以达到这些条件，可以设计四端口设备，使到达端口2的功率在端口1之间分配，端口4以匹配负载，端口3隔离。
术语“混合耦合器”最初应用于3 dB耦合线定向耦合器，即其中两个输出均为输入功率的一半。 这同义词意味着正交 3dB耦合器，输出相位相差90°。 现在任何带有隔离端和相等功率分配的匹配4端口称为混合耦合器。 其他类型可以具有不同的相位关系。 如果为90°，则为90°混合，如果为180°，则为180°混合等。在本文中，没有限定条件的“混合耦合器”意味着耦合线混合。

威尔金森功率分配器

威尔金森功率分配器由两个并联的非耦合λ/4传输线组成。输入并行馈送到两条线路，输出端接两圈的系统阻抗。该设计可以采用平面格式实现，但它在同轴电缆中具有更自然的实现：在平面中，两条线必须保持分开，这样它们不会耦合，而是必须在它们的输出端汇集在一起，这样它们就可以被端接而不是在同轴电缆中，线路可以依靠同轴外导体并排运行以进行筛选。
威尔金森功率分配器解决了简单T型接头的匹配问题：它在所有端口具有低电压驻波比，在输出端口之间具有高隔离度。每个端口的输入和输出阻抗设计为等于微波系统的特征阻抗。这是通过使系统阻抗的线阻抗来实现的- 对于50Ω系统，威尔金森线约为70 Ω。

多输出分频器

典型的功率分配器如图13所示。理想情况下，输入功率将在输出端口之间平均分配。分频器由多个耦合器组成，与耦合器一样，可以反转并用作多工器。缺点是对于四通道多路复用器，输出仅由每个功率的1/4组成，并且效率相对较低。其原因在于，在每个组合器的一半输入功率到达端口4并在终端负载中耗散。如果两个输入是相干，则可以安排相位，使得在端口4处发生消除，然后所有功率将转到端口1。但是，多路复用器输入通常来自完全独立的源，因此不连贯。无损多路复用只能通过滤波器网络完成。

波导分支线耦合器

上述波导分支线耦合器也可以在波导中实现。

倍兹孔方向耦合器

倍兹孔方向耦合器是最常见、最简单的波导定向耦合器之一。 它由两个平行的波导组成，一个堆叠在另一个的顶部，在它们之间有一个孔。一个导向装置的一些功率通过孔进入另一个导向装置。倍兹孔方向耦合器是后向耦合器的另一个例子。
倍兹孔方向耦合器的概念可以通过提供多个孔来扩展。孔间隔λ/ 4。这种耦合器的设计与多段耦合传输线相似。使用多个孔可以通过将这些部分设计为巴特沃斯、契比雪夫或其他一些滤波器类来扩展带宽。选择孔尺寸以为过滤器的每个部分提供所需的耦合。设计标准是在所需频带上实现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两个波导并排，侧壁是共同的，而不是像倍兹孔方向耦合器那样的长边。在侧壁上切出一个槽以允许耦合。这种设计经常用于产生 3dB耦合器。

施温格反相耦合器

施温格反相耦合器是另一种使用平行波导的设计，这次一侧的长边与另一侧的短侧壁相同。 在间隔λ/ 4的波导之间切割两个偏心槽。施温格是一个后向耦合器。与Bethe-hole耦合器相比，这种设计具有基本上平坦的方向性响应和与频率相关的强耦合的缺点，倍兹孔方向耦合器的耦合因子几乎没有变化。

莫仑诺十字形波导耦合器

莫仑诺十字形波导耦合器有两个波导，一个堆叠在另一个上面，像倍兹孔方向耦合器，但彼此成直角而不是平行。在波导之间的对角线上切割两个通常为十字形的偏心孔，距离分开。莫仑诺十字形波导耦合器适用于紧耦合应用。 这是倍兹孔方向耦合器和莫仑诺耦合器的特性之间的折衷，其耦合和方向性随频率而变化。

波导混合环

上面讨论的波导混合环也可以在波导中实现。

幻T形接头

首先通过简单的T形接头完成相干功率分配。 在微波频率下，波导三通有两种可能的形式：E与H平面。这两个结均等地分配功率，但由于结处的场结构不同，输出臂处的电场与H平面三通同相，并且对于E平面三通为180°异相。 这两个发球台的组合形成混合发球台被称为魔T。魔T是一个四端口组件，可以执行两个相干微波信号的矢量和（Σ）和差值（Δ）。

混合变压器

标准的3dB混合变压器如图16所示。端口1的电源在端口2和3之间平均分配，但相互反相。因此，混合变压器是180°混合动力。中心抽头通常在内部端接，但可以将其作为端口4引出; 在这种情况下，混合可以用作和和混合。但是，端口4表示与其他端口不同的阻抗，如果需要在相同的系统阻抗下使用该端口，则需要额外的变压器进行阻抗转换。
混合变压器通常用于电信中，用于2到4线转换。电话手机包括这样的转换器，用于将2线线路转换为来自耳机和吹嘴的4线。

电阻性T形接头

简单电阻性T形电路可用作功率分配器，如图18所示。通过Y-Δ变换，该电路也可以实现为Δ电路。使用增量形式电阻器等于系统阻抗。这可能是有利的，因为系统阻抗值的精密电阻器总是可用于大多数系统标称阻抗。 三通电路具有简单，低成本和本质上宽带宽的优点。 它有两个主要缺点; 首先，电路将耗散功率，因为它是电阻性的：相等的分裂将导致 6 dB插入损耗而不是 3 dB。 第二个问题是 0 dB方向性导致输出端口之间的隔离非常差。
对于不均等的功率分配，插入损耗不是问题：例如端口3处的 -40 dB在端口2处具有小于 0.2 dB的插入损耗。隔离可以是通过用T pad s替换输出电阻，以两个输出端口的插入损耗为代价进行了改进。 隔离改善大于增加的插入损耗。

6dB电阻桥式混合电路

真正的混合分配器/耦合器理论上可以通过电阻桥电路实现无限隔离和方向性。与三通电路一样，电桥具有 6 dB插入损耗。它的缺点是不添加变压器就不能用于不平衡电路; 但是，如果插入损耗不是问题，它是600Ω平衡通信线路的理想选择。桥中代表端口的电阻器通常不是器件的一部分（端口4除外，它可能在内部永久端接），这些电阻由线路终端提供。因此，该装置基本上由两个电阻器（加上端口4终端）组成。

监测

定向耦合器的耦合输出可用于监视信号的频率和功率电平，而不会中断系统中的主要功率流（功率降低除外，见图3）。

利用隔离

如果隔离度很高，定向耦合器有利于组合信号以将单线馈送到接收器以进行双音接收机测试。在图20中，一个信号进入端口P₃，一个进入端口P₂，而两个出口P₁。从端口P₃到端口P₁的信号将经历 10 dB的丢失，并且来自端口P₂的信号到端口P₁将失去 0.5 dB。隔离端口上的内部负载将消除端口P₃和端口P₂的信号损耗。如果忽略图20中的隔离器，则隔离测量（端口P₂到端口P₃）确定来自信号产生器 的功率量F₂将被注入信号发生器F₁。随着注入水平的增加，它可能导致信号发生器F₁的调制，甚至注入锁相。由于定向耦合器的对称性，反向注入将发生与F₁的信号发生器F₂相同的可能调制问题。因此，在图20中使用隔离器以有效地增加定向耦合器的隔离（或方向性）。因此，注入损耗将是定向耦合器的隔离加上隔离器的反向隔离。

混合电路

混合电路的应用包括单脉冲比较器、频率混频器、功率合成器、分频器、调制器和相控阵雷达天线系统。两个同相设备（例如威尔金森分频器）和正交（90°）混合耦合器可用于相干功率分配器应用。
在家中使用便宜版本的功率分配器将有线电视或无线电视信号分配给多个电视机和其他设备。具有两个以上输出端口的多端口分离器通常由多个级联耦合器内部组成。域内宽带互联网服务可由有线电视公司提供（有线互联网）。域内用户的互联网电缆调制解调器连接到分离器的一个端口。

功率合成器

由于混合电路是双向的，因此它们可以用于相干地组合功率以及分离功率。在图21中，示出了分离以馈送多个低功率放大器的信号的示例，然后重新组合以馈送具有高功率的单个天线。
每个功率组合器的输入的相位被布置成使得两个输入彼此异相90°。由于混合组合器的耦合端口与发送端口成90°异相，这导致功率在组合器的输出处相加并在隔离端口处抵消：图22中的代表性示例在图22中示出。注意，每个组合器/分配器的两个端口都有一个额外的固定90°相移，为简单起见，图中未示出  。
对两个输入端口施加同相功率将无法获得所需的结果：两个输入端的正交总和将出现在两个输出端口：这是每个输出端口总功率的一半。这种方法允许在电路中使用许多更便宜和更低功率的放大器而不是单个高功率行波管。另一种方法是让每个固态放大器（SSA）馈送天线并使功率在空间中组合或用于馈送连接到天线的镜头。

相位差

90°混合耦合器的相位特性可用于微波电路中的巨大优势。 例如，在平衡微波放大器中，两个输入级通过混合耦合器馈电。 场效应晶体管器件通常具有非常差的匹配并且反射大部分入射能量。然而，由于器件基本相同，因此来自每个器件的反射系数相等。来自FET的反射电压在隔离端口处同相，并且在输入端口处为180°不同。因此，来自FET的所有反射功率都会进入隔离端口的负载，并且没有电源进入输入端口。这导致良好的输入匹配（低驻波比）。
如果相位匹配线用于180°混合耦合器的天线输入，如图23所示，则零点将直接出现在天线之间。要在该位置接收信号，必须改变混合类型或线路长度。 要拒绝来自给定方向的信号，或为单脉冲雷达创建差异模式，这是一种很好的方法。
通过将相位延迟到天线阵列的下部元件，可以使用相位差耦合器在VHFFM 无线电台中创建波束倾斜。更一般地，相位差耦合器与固定相位延迟和天线阵列一起用于诸如巴特勒矩阵的波束形成网络中，以在任何规定方向上创建无线电波束。