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微带功分器和耦合器的研究与设计
微带功分器和耦合器的研究与设计
微带功分器和耦合器是微波传输线上常用的被动器件，广泛应用于高频电路和系统中。功分器被用于将一个输入端口的信号分为两路或多路输出，而耦合器则用于实现端口间的能量传输。本文将介绍微带功分器和耦合器的基本原理、常见的结构和设计方法。
1、微带功分器
微带功分器是指通过特殊的微带线结构实现功率分配的器件。功分器有多种类型，包括等分功分器、不等分功分器和反向功分器等。其中，等分功分器是最常用的，它将输入功率平均分配到输出端口，并能够实现较高的隔离度。具体的等分功分器结构如图1所示。
图1等分功分器结构图
等分功分器由一条输入线和多条输出线组成。输入端口和输出端口均采用50欧姆的匹配结构，保证了接口的阻抗匹配。输出端口之间的间隔d、50欧姆微带线的宽度w和长度L是功分器的关键参数，它们决定了功分器的工作频率、隔离度和插入损耗等性能指标。
功分器的设计思路是通过调整微带线的特性阻抗，使得输入功率能够平均分配到各个输出端口。具体的设计步骤如下：
（1）确定工作频率bandwidth和隔离度isolation的要求。
（2）选择微带线的材料和特性阻抗Z0，并计算出等效介电常数εr。
（3）根据公式选择微带线宽度w和线间距d。
（4）根据公式计算出微带线长度L和相应的串联电感值。
（5）根据公式计算出微带线上的耦合距离L1和相应的耦合电容值。
（6）通过仿真软件进行电路仿真和参数优化，实现功分器的设计。
除了等分功分器，还有一种常见的功分器是反向功分器。它能够将输入功率倒向输出端口，广泛应用于天线系统和射频前端等领域。反向功分器结构如图2所示。
图2反向功分器结构图
反向功分器是通过在微带线上引入反向耦合和3dB线路实现的。具体的设计思路是：
（1）确定工作频率和隔离度的要求。
（2）选择微带线的材料和特性阻抗，并计算出等效介电常数。
（3）通过仿真软件进行元器件参数优化，计算出反向耦合的微带线长度和串联电感值。
（4）通过仿真软件进行电路仿真，确定3dB线路和反向功分器的参数和性能指标。
2、微带耦合器
微带耦合器是用于实现端口之间互相耦合的器件，包括耦合度低的耦合器和耦合度高的耦合器，如图3所示。
图3微带耦合器结构图
（1）单馈线耦合器
单馈线耦合器（SCL）是一种直接耦合的微带结构，在一个单一接头上与其他微带线耦合。它适用于需要相对低耦合度的电路，如干扰滤波器和相位转换器。
（2）耦合度低的耦合器
耦合度低的耦合器（LC）是一种被动的微带传输线结构，可以分为两种类型：环形耦合器和不对称耦合器。根据耦合器的不同类型和结构，可以实现不同的耦合度和特性阻抗。
（3）耦合度高的耦合器
耦合度高的耦合器（DC）是一种利用耦合分布阻抗和电感来实现大强度耦合的微带传输线结构。耦合度高的耦合器适用于需要相对高耦合度的电路，如功分器和滤波器。
3、结论
微带功分器和耦合器是微波传输线上常用的被动器件，通过调整微带线的特性阻抗和线间距等参数，可以实现输入功率的分配和端口之间的能量传输。在具体的设计过程中，需要选择合适的工作频率，材料和特性阻抗，并通过仿真软件进行电路仿真和参数优化，以实现所需的性能指标。通过不同的组合和优化，可以实现更加复杂和高性能的微带功分器和耦合器。