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定向耦合器可以从不同的角度进行分类,除了上面按传输出方向分为同向和反向定向耦合器外,还可以按传输类型分(如矩形波导,圆形波导,同轴线型,带状线型,多孔耦合,连续耦合,支线耦合,环耦合等),这些分类方法常常彼此重迭,实际使用中根据方便而定。
3dB电桥属定向耦合器,它的耦合很强,达到3dB,即耦合输出与直通输出幅度相等,相位相差90°,使用范围很广。由于耦合很强,无论是设计,还是制造都有别于一般的定向耦合器,因此,将在定向耦合器的基础上再对3dB电桥进行适当的描述。
定向耦合器的主要指标是:定向性和耦合系数,现对其进行简要说明。
1. 耦合系数
副通道输出电压(设由端口(2)输出)与主通道输入电压(设由端口(1)输入)之比称之谓电压耦合系数K,相应的功率比为功率耦合系数C:
12UUK= (7.1)
221212KEEppC=== (7.2)
12log10ppCdB= (7.3)
dBC是以dB表示的功率耦合系数。由于输入功率总是大于输出功率,故总是负值。也可以用过渡衰减L表示定向耦合器的耦合特性,此时,不用pdBC2/p1,而是用其倒数p1/p2,用dB表示为: 1 2 43
1
21log10ppL= (7.4)
显然L为正值,它与等值反号,L越大,表明过渡衰减越大,耦合越弱。 dBC
一般来说,0dB~3dB耦合等定向耦合器为强耦合定向耦合器,而20dB以上者为弱耦合定向耦合器。耦合强弱不同,耦合结构也不同,设计时必需考虑。
2. 定向性系数
理想情况下,副通道中一个端口(例端口(2))有输出时,另一个相反端口应无输出,实际上由于设计和制作的原因,另一端口(端口(3))常有一些输出。副通道中正反两个输出功率之比的dB数表示定向传输的性能,称为“定向性系数”或简称“定向性”D。
32log10PPD= (7.5)
D越大,说明定向性越好,输入端口与隔离端口隔离性能越好,理想情况下,P3→0,D→∞,实际情况下,D不可能达到无穷大。应用中常对D提出一个最低要求,例如20dB或其它,定向耦合器的其它指标还有工作频段和带宽。
定向耦合器的种类很多,设计方法也各不相同。3dB电桥更是如此,本章根据雷达馈线技术的特点和应用情况,对其进行简要介绍。由于耦合传输线定向耦合器的具体形式很多,应用也很广泛。为了叙述方便和避免部分内容重复,本章将带共性的内容集中在一起介绍。
3. 定向耦合器的应用
定向耦合器,由于它具有定向性,能对传输线中的信号实现定向耦合,而且耦合器输出的大小可控,因此,它在雷达馈线系统中常用作信号采集和注入元件,以实时监测馈线系统工作的质量。这就是常说的监测定向耦合器。
在集中发射机的雷达馈线系统中,连接发射管的主馈线,功率很高,主馈线的输入驻波相对来说也较大,为了保护发射管的输出窗口。监视主馈线的驻波并实现保护控制很有必要。利用两只定向耦合器或一只双定向耦合器串接在发射管的输出端口,实时测量入射波和反射波信号的大小,并送控保电路以对发射管实现控保。
在大功率测量中,由于被测功率电平很高,直接测量有时十分困难,早期的大功率测量曾用流动的水作吸收负载,通过测量进出水的温差测量功率,这种方法测量误差较大。通过式大功率计,利用定向耦合器串接在吸受负载之前,耦合出少量功率进行测量,把大功率测量变为小功率测量。
总之,由于定向耦合器的定向耦合特性和耦合度大小可任意设计的特性,它在微波技术和雷达馈线系统中有较广泛的应用。
4. 3dB电桥的应用