3dB耦合器

传输线定向耦合器功率合成与分配

带状线定向耦合器是一个四端口的器件，它是由两对传输线构成的，通常线长为中心频率对应的1/4波长，各端口都接以匹配负载，其结构示意图如图6-6所示。

6-6

我们只定性说明定向耦合器的工作原理：从能量耦合情况的角度进行讨论。如图6—7所示，当信号由带状线的端口1输入时，带状线1—4中有交变电流I1流过，由于带状线2—3与1—4线相互靠近，故2—3线中便耦合有能量，此能量既通过电场（以耦合电容C表示），又通过磁场耦合过来。通过C的耦合在带状线2—3中引起的电流为IC1、IC2，分别流向端口2和端口3。同时，由于交变磁场的作用，在2—3线上感应有电流IL，根据电磁感应定律，感应电流IL的方向与I1方向相反。因此，由图6—7可见，若能量从端口1输入，则端口2有耦合能量输出，所以端口2称为耦合端。而在端口3，因为电场耦合电流IC2和磁场耦合电流IL的方向相反，如果刚好使IC2=IL，则能量互相抵消，故端口3无能量输出，是隔离端。端口4也有能量输出，它是通过λg/4带状线直接传输过来的，称为直通端。由于耦合输出的能量具有一定的方向性，故称它为定向耦合器。

6-7

在理想情况下，可证明，当带状线长度为λg/4时，两线间耦合最大，并且输入端口1和输出端口2、4与耦合器相匹配时，端口3没有能量输出，而端口2和4各输出信号源功率的一半。U2=U4=U1，U2与U1同相，U4滞后U190°（因为1—4线长为λg/4 ），所以U2和U4间相差90°。

当作为功率分配时，如果端口1为输入端，所加输入信号电压为U1，可得：

由此可见，当输入功率由端口1注入时，在端口2和4分别得到输入功率的一半。因为在2、4端口功率下降一倍，也即下降3dB，所以称为3dB定向耦合器

这种定向耦合器也可用作功率合成。可将两信号源分别加于耦合器互为隔离的端口上（即1、3端口或2、4端口），且两信号源应相差90°，如图6—8所示。

6-8

根据3dB定向耦合器的基本特性可知：对于加在端口2的信号源电压 端口3为直通端，输出电压为

；端口1为耦合端，输出电压为

来说，

；

端口2和4互为隔离端，两信号源之间无影响。对加在端口4的另一信号源电压

来说，端口3为耦合端，输出电压为

电压为

。

；端口1为直通端，输出

由此可见，当两信号源电压振幅相等（即U2=U4=U）、相位相差90°，同时分别加于端口2和端口4时，则端口1和端口3总的输出电压分别为

从功率的角度看，如端口2和端口4的输入功率分别为

则端口1的输出功率为P1=0，而端口3的输出功率为

显然3dB定向耦合器作为功率合成时，端口3为输出端，其输出功率为两输入功率之和，即二功率合成。

此外，为了在电路中方便的表示3dB定向耦合器，通常采用如图6—9所示的符号表示。图中，若端口1为输入端，则端口4为直通端，端口2为耦合端，端口3为隔离端。

这种混合网络最主要的优点是能提供良好的带宽匹配。首先是网络本身带宽特性好，

一般在工作频带内≤1/4和≥3/4处的耦合度设计为3dB，中间频率上过耦合，而在两端为欠耦合，其耦合度可在整个Ⅲ波段或Ⅳ/Ⅴ波段内与3dB的偏差不大于±0.3dB，各端都可达到宽带匹配，电压驻波比可达S≤1.2～1.3。如图6—10所示。

耦合度变化

另外，当网络的耦合输出端和直通输出端所接负载不匹配，而具有相同的反射系数|ρ(ω)|和相同的反射相位 Φ(ω) 时，在其输入端仍能保持宽带匹配，如图6—11所示，信号U从端口1输入，经3dB定向耦合器从端口3、4功率均分输出，幅度均为 ，端口3的相位为原相位而端口4的相位则滞后90°。到达放大器1、2后将有一部分信号反射回来，返回端口3、4的反射波的幅度均为，而相位差仍为90°，返回端口3、4的反射波将在3dB定向接耦合器进行功率合成。可以判断出，在端口1两反射波相互抵消，而在端口2同相叠加，被负载电阻吸收，使输入端不出现反射波，从而达到良好匹配。两路功放只要阻抗相同，这种网络就能保持合成器输入端达到优质匹配，所以具有良好的负载隔离能力。这对输入阻抗随电平而变的甲乙类和丙类功放的合成很重要。同理在输出端也能保证合成级具有良好的宽带输出匹配，这是其它电路做不到的。另外，利用3dB定向耦合器作为功率合成电路，便于级间连接，也便于功放单元的互换。