宽带3dB混合环基本原理的研究

微波电路中常使用混合环结构来实现能量的耦合，根据混合环的不同结构，实现端口之间的相互隔离、功率的分配以及调节功率的输出地相位等作用[1]。宽带3 dB混合环是其中常用的一种结构，本文介绍了宽带3 dB混合环的原理以及支线交接不连续性对混合环设计的影响，并提出了修正公式，介绍了3 dB混合环等效的波导魔T结构。

1 宽带3 dB混合环的原理

1.1 混合环的原理

　混合环的基本电路如图1所示。两个输出端口的相位差为180°，当信号自混合环的端口1输入时，信号从端口3和4按一定的功率分配比反向输出，而端口2从理论上无输出，为隔离端口；反之，若信号从端口2输入，则端口3和4按照一定的功率分配比同相输出，端口1无输出，因此，端口1和端口2彼此隔离。同样，端口3和端口4也相互隔离，不论信号从其中哪一个端口输入，仅在端口1和端口2有同相或反相输出，而端口4或3没有输出。
混合环两输出端口的输出功率分配从理论上讲是可以任意的。但实际上，由于工艺的限制，功率分配相差悬殊的混合环因部分电路的阻抗太高而难以实现，实践中最常用的混合环是输出功率相等的-3 dB混合环，工艺上可实现的混合环的功率分配比的上限大约为3：1，即-6 dB的混合环[2-5]。

　等功率反相输出的-3 dB混合环与波导的魔T具有相同的性质，因此有时也称作魔T，其用途与-3 dB的双直线耦合器相似，而其带宽与隔离等方面的性能比直线耦合器更好，但是两个输出端口并非位于一侧，因而连接半导体时带来了一定的线耦合器方便[4-5]。

1.2 3 dB混合环的原理

　混合环的尺寸与波长有关，尤其是3λg/4对频率更敏感，因此它的带宽仅为百分之几，还不足一个倍频程。所以用一段相移为270°的耦合线节代替。3 dB混合环的基本原理示意图如图2所示。
　
其中，Zoi是理想情况下(不考虑不连续性)环的特性阻抗，n、B为T型交接不连续性等效电路的参数。

3 波导魔T的结构

　-3 dB的混合环也可称为魔T。本文介绍一种电路形式上与普通混合环极不相同的，由微带和槽线混合构成的魔T。其工作带宽比-3 dB混合环宽得多，可达一倍频程。

　波导魔T由并联(H面)T型接头和串联(E面)T型结构构成。并联T型接头在微带电路中容易实现，如图3(a)所示的串联T型结构在槽线电路里面容易实现，槽线串联T接头的水平臂可用微带代替，如图3所示。将图3(b)中的串联T和并联T的接地面和对称面重合在一起，就构成图3(c)的混合结构魔T。微带接头垂直臂的线性锥形过渡用作阻抗变换，直角处的反射由接地面中的串联电感补偿,如图3(b)。为了使串联T与微带水平臂实现最佳耦合，槽线的终端有锥形的过渡。过渡的长度至少是1/4槽线波长。串联T的阻抗锥形变换可通过微带电路实现。1/4波长的槽线是限制带宽的主要因素，而串联电感有扩展频带的作用。

　宽带3 dB的混合环能够较好地实现不同端口之间能量的隔离和耦合，但支线交接不连续性对混合环设计有一定的影响，进行修正后得到了3 dB混合环等效的波导魔T结构的实现。