定向耦合器
什么是定向耦合器
什么是定向耦合器定向耦合器的工作原理定向耦合器是微波测量和其它微波系统中常见的微波/毫米波部件，可用于信号的隔离、分离和混合，如功率的监测、源输出功率稳幅、信号源隔离、传输和反射的扫频测试等。
它是一种有方向性的微波功率分配器，更是近代扫频反射计中不可缺少的部件，通常有波导、同轴线、带状线及微带等几种类型。
图1为其结构示意图。
它主要包括主线和副线两部分，彼此之间通过种种形式小孔、缝、隙等进行耦合。
因此，从主线端上“1”输入的功率，将有一部分耦合到副线中去，由于波的干涉或叠加，使功率仅沿副线-一个方向传输（称“正向”），而另一方向则几乎毫无功率传输（称“反向”）图2为十字定向耦合器，耦合器中端口之一终端接一内装的匹配负载。
定向耦合器的应用1、用于功率合成系统在多载频合成系统中，通常会用到3dB的定向耦合器（俗称3dB电桥），如下图所示。
这种电路常见于室内分布系统，来自两路功率放大器的信号f1和f2经过3dB定向耦合器后，每路的输出均包含了f1和f2两个频率分量，每个频率分量的幅度减少3dB。
如果将其中一个输出端接上吸收负载，另外一路输出可以作为无源互调测量系统的功率源。
如果需要进一步提高隔离度，可以外加一些器件如滤波器和隔离器。
一个良好设计的3dB电桥的隔离度可以做到33dB以上。
定向耦合器用于功率合成系统一定向沟壑区作为功率合成的另外一种应用见下图（a）。
在这个电路中，定向耦合器的方向性得到了巧妙的应用。
假设两个耦合器的耦合度均为10dB，方向性均为25dB，则f1和f2端之间的隔离为45dB。
如果f1和f2的输入均为0dBm，则合成后的输出均为-10dBm。
与下图（b）中的Wilkinson耦合器（其隔离度典型值为20dB）相比，同样输入OdBm的信号，合成后还有-3dBm （未考虑插入损耗）。
作为间样条件下的比较，我们将图（a）中的输入信号提高7dB，这样其输出就和图（b）—致了，此时，图（a）中f1和f2端的隔离度“降低”为38 dB。
定向耦合器的工作原理及作用
定向耦合器的工作原理及作用嘿，你问定向耦合器的工作原理及作用呀，那咱就来聊聊呗。
定向耦合器呢，就像是一个有点“小聪明”的小装置。
它的工作原理其实还挺有意思的。
你可以把它想象成一个在信号传输道路上的“分流器”。
当信号在传输线中跑的时候，定向耦合器就会从这条传输线上“偷偷”地分出一部分能量来。
它是怎么做到的呢？它里面有一些特殊的结构，比如耦合线或者孔洞之类的。
这些东西就像小“窗口”，让一部分信号能通过它们“溜”到另一个通道里去。
而且它还很“聪明”地只让信号按照特定的方向分流哦，所以才叫定向耦合器嘛。
比如说，信号从左边往右边传，它就能按照设定好的方式把一部分能量准确地引导到旁边的通道里，而如果信号从右边往左边传，它可能就不会让那么多能量“溜”过去啦，是不是有点神奇那它有啥作用呢？作用可不少呢！首先，它可以用来检测信号的强度。
就好比你想知道水流有多大，放个小水表在旁边测一测一样。
定向耦合器能把传输线上的信号分出来一点，然后通过一些测量手段，你就能知道信号有多强啦。
这在很多通信系统里都很重要哦，要是信号太弱了，可能通信质量就不好，就得想办法调整啦。
其次，它还能用来实现信号的分配和合成。
比如说，你有一个信号源，想把它分成几个不同的部分送到不同的地方去，定向耦合器就可以帮你做到。
它把信号按一定的比例分出来，然后送到各个需要的地方。
反过来，如果有几个信号要合成一个，它也能在一定程度上帮忙哦，就像把几条小水流汇聚成一条大水流一样。
还有哦，在一些测量和测试设备中，定向耦合器也大有用处。
比如在射频测试中，它可以帮助工程师们准确地测量各种参数，确保设备正常工作。
我给你讲个例子吧。
有一次在一个通信基站的维护中，工作人员发现信号传输有点问题，怀疑是某个部件出了故障。
他们就用定向耦合器来检测信号的强度和分布情况。
通过它，找到了信号在传输过程中衰减比较大的地方，最后发现是一根传输线老化了。
换了新的传输线后，信号就恢复正常啦。
所以你看，定向耦合器虽然看起来小小的，但是在很多地方都发挥着重要的作用呢，你明白了不。
第6章定向耦合器
第六章 定向耦合器
对于波导的T形接头，我们把主波导的两臂分别称为1和2端口，分 支臂称为3端口。分析波导的T形接头的工作特性，可利用波导中 TE10模的电场分布来分析。E-T接头和H-T接头中TE10模的电场分布 分别如图所示。
8
第六章 定向耦合器
E-T接头具有下列特性：
(1) 当信号从3端口输入时，则1和2端口有等幅反相输出，用散射参量表示
二.分类
第六章 定向耦合器
定向耦合器的种类很多。
按传输线类型
按耦合方式
波导
同轴线 带状线 微带线
单孔耦合
多孔耦合
连续耦合
平行线耦合
输出方向
输出相位
按耦合强弱
同向耦合
反向耦合 90度定向
180度定向
强耦合
中等耦合
弱耦合 1
第六章 定向耦合器
下图给出了几种定向耦合器的结构示意图，其中图(a)为微带分支定 向耦合器，图(b)为波导单孔定向耦合器，图(c)为平行耦合线定向耦 合器，图(d)为波导匹配双T，图(e)为波导多孔定向耦合器，图(f)为微 带混合环。
a1
10C
10
1
1 2
a2 a1 R
b 1 a12 R
注：设计双分支定向耦合器尺寸方法
19
有时用方向性 (dB)来表示耦合器的隔离性能，它是耦合端输出功率P3与 隔离端的输出功率P4之比。也可用散射参量来表示方向性，即
D 10 lg P3 P4
10 lg
S31 2 S41 2
20 lg
S31 S41
DC
5
第六章 定向耦合器
(三） 输入驻波比
将定向耦合器除输入端外，其余各端均接上匹配负载时，输入端的 驻波比即为定向耦合器的输入驻波比。此时，网络输入端的反射系 数即为网络的散射参量S11，故有
使用定向耦合器注意事项及定向耦合器的用途
使用定向耦合器注意事项及定向耦合器的用途
定向耦合器是一种通用的微波/毫米波部件，可用于信号的隔离、分离和
混合，如功率的监测、源输出功率稳幅、信号源隔离、传输和反射的扫频测
试等。
主要技术指标有方向性、驻波比、耦合度、插入损耗。
用来分配或合成微波信号功率并具有定向耦合特性的微波元件。
它是在主、副两根传输线(简称主、副线)之间设置适当的耦合结构组成的。
定向耦合器
采用同轴线、带状线、微带线、金属波导或介质波导等各种型式。
耦合结构
有耦合孔、耦合分支线和连续结构耦合等型式。
什幺叫“定向耦合器”？
耦合器的主要功能就是主线中传输的功率通过多种途径耦合到副线,并互
相干涉而在副线中只沿一个方向传输。
目前，主要有两种类型的定向耦合器：具有一个耦合端口和一个端接端口的标准定向耦合器；以及具有正向和反向耦合端口的双定向耦合器。
此外，。
定向耦合器
定向耦合器相关图片编辑词条参与讨论所属分类：基本物理概念天体物理学电子电子技术电子术语通信通信技术定向耦合器是一种通用的微波/毫米波部件，可用于信号的隔离、分离和混合，如功率的监测、源输出功率稳幅、信号源隔离、传输和反射的扫频测试等。
主要技术指标有方向性、驻波比、耦合度、插入损耗。
用来分配或合成微波信号功率并具有定向耦合特性的微波元件。
它是在主、副两根传输线(简称主、副线)之间设置适当的耦合结构组成的。
定向耦合器采用同轴线、带状线、微带线、金属波导或介质波导等各种型式。
耦合结构有耦合孔、耦合分支线和连续结构耦合等型式。
目录·• 工作原理·• 网络特性定向耦合器-工作原理主线中传输的功率通过多种途径耦合到副线,并互相干涉而在副线中只沿一个方向传输。
图1 图2 图3图1为矩形波导定向耦合器的三种典型耦合结构。
a是相距1/4导波长的双孔耦合;b是间距和长度都等于1/4导波长的双串联分支线耦合；c是在裂缝区域内TE和TE两种传播模式的连续耦合。
以a和b两种结构为例，从端口①输入的信号分两路耦合到副线后，朝端口④方向因行程相等而同相叠加，有输出；朝③方向则行程相差1/2导波长而反相抵消，被隔离而无输出。
图2为微带定向耦合器的两种典型的耦合结构。
a是间距和长度都等于1/4导波长的双并联的分支线耦合,b是在平行区域内电场和磁场两种结构连续耦合。
以b的结构为例,从端口①输入的信号由电场耦合在副线的两个端口上产生同相感应电压，磁场耦合则产生反相感应电压。
结果在端口④处相加而有输出，③处则抵消而呈隔离无输出。
此外,也可构成其他传输线的定向耦合器（图3）。
定向耦合器-网络特性定向耦合器可被看作为四端口网络，其特性可用散射矩阵【s】表示，即其中各端口的反射系数s ii(i=1、2、3、4)的值很小（理想值为零）,表示各端口的匹配情况；衰减系数s13=s31=s24=s42的值也很小(理想值为零)，表示隔离情况；s14=s41＝s23＝s32是耦合系数，其值根据需要而设计。
定向耦合器参数
定向耦合器参数
定向耦合器是一种能够使传输信号按照指定方向传播的设备，其可以实现某个特定方向的特定信号的通过，而不会向其他方向传播，因此特别适用于在干扰比较严重的情况下的信号传输，它的参数有： 1、阻抗：定向耦合器的阻抗主要取决于物理结构和它的电气负载。
根据传输的信号类型，有50欧姆，75欧姆和93欧姆三种不同的阻抗值，其中50欧姆是最常用的阻抗。
2、传输损耗：传输损耗是指信号通过定向耦合器以后，能够有效传输的部分，也就是信号传输的系数，叫做传输损耗，它的值越小，表示信号传输的系数越高，传输的信号也就越强。
3、绝缘电阻：它是用来测量几个不同的电源桥连接的定向耦合器之间的静电耦合的一个参数，它可以测出定向耦合器之间的静电耦合关系，如果绝缘电阻过大，可能会影响定向耦合器的正常操作。
4、频率范围：定向耦合器的频率范围指的是它可以处理的信号的频率范围，如果信号频率超出定向耦合器的频率范围，那么频率超出的信号将不会被正常传输，可能会影响定向耦合器正常运行。
- 1 -。
第6章 定向耦合器
第6章 定向耦合器
环形桥定向耦合器 6.5 环形桥定向耦合器
混合环又称环形桥,结构如图 6-11(a)所示。 它的功能与分支线耦合器相似,不同的是两个输出端口 的相位差为180°。当信号从端口1输入时,端口4是隔 离端,端口2和端口3功率按一定比例反相输出,也就是 相位差为180°。当信号从端口4输入时,端口1是隔离 端,端口3和端口2功率按一定比例反相输出。同样地, 端口2和端口3也是隔离的,无论从哪个口输入信号,仅在 端口1和端口4比例反相输出。
第6章 定向耦合器
dB
0.55
0.60
0.65
0.70 0.75 0.80 FREQ[GHz]
0.85
0.90
0.95
1.00
图 6-8平行线型耦合器仿真结果
第6章 定向耦合器 在上述平行耦合线定向耦合器的基础上,可以得到 各种变形结构,如图6-9 所示。结构越复杂,计算越困难。 在正确概念的指导下,实验仍然是这类电路设计的有效 方法。
D(dB) = −10 lg
第6章 定向耦合器
集总参数定向耦合器 6.2 集总参数定向耦合器
6.2.1 集总参数定向耦合器设计方法 常用的集总参数定向耦合器是电感和电容组成的 分支线耦合器。其基本结构有两种： 低通L-C式和高 通L-C式,如图6-2所示。
第6章 定向耦合器
第6章 定向耦合器
图 6-7平行线型耦合器电路图
第6章 定向耦合器 Microwave Office软件仿真结果如图6-8 所示, 图中自上而下便是S21、 S31、 S41、 S11的dB值,这些值 可以在附录1的实验中测量作比较。
第6章 定向耦合器
0.00 S21 －5.00 －10.00 S31 －15.00 －20.00 －25.00 －30.00 －35.00 －40.00 0.50 S11 S41
定向耦合器的基础知识解析
定向耦合器的基础知识解析
定向耦合器是一种极具使用价值的无源射频器件，其可从主传输路径中提取一小部分能量，并将其导向至一个或多个耦合端口。
由于耦合端口与主传输路径之间具有高隔离度时较为有利，因此定向耦合器端口间的隔离度通常较高。
目前，主要有两种类型的定向耦合器：具有一个耦合端口和一个端接端口的标准定向耦合器；以及具有正向和反向耦合端口的双定向耦合器。
此外，还存在其他类型的双定向耦合器，根据耦合至正向或反向端口的耦合端口的种类，这些双定向耦合器被称为正向耦合器和反向耦合器。
常见定向耦合器示意图
需要注意的重要一点是，定向耦合器所提供的耦合量对主传输路径插入损耗的理论最小值具有直接影响。
端口的耦合量越小，插入损耗越低。
通常，耦合端口的额定功率水平低于主传输路径的额定功率水平，当主传输路径功率与耦合强度的差值超出耦合端口的功率处理能力时，则可能发生故障。
一般情况下，采用精密内部匹配端接方式的三端口定向耦合器的定向性高于采。
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Lp
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步骤四: 利用模拟软件检验,再微调。
6.2.2 集总参数定向耦合器设计实例
设计一个工作频率为400 MHz的10 dB低通L-C支 路型耦合器。Z0=50 Ω,要求S11≤-13dB, S21≥-2 dB, S31≥-13 dB,S41≤-10 dB 步骤一: 确定耦合器的指标,C=-10dB,fc=400MHz, Z0=50 Ω 步骤二: 计算K、Z0s、 Z0p：
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RF&MW ④
③
图 6-5平行线型耦合器
1
i1 2
C ic 4 4 iL
m
ic 3 3
图6-6
耦合线方向性的解释
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同时由于i1的交变磁场的作用,在线4—3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的方向 相反, 所以能量从1口输入, 耦合口就是4口。而在3口 因为电耦合电流的ic3与磁耦合电流iL的相位相反而叠 加抵消,故3口是隔离口。
C / 20 C / 20
C / 20
Z 0o Z 0
C / 20
步骤三: 依据基板参数（εr, h）,利用软件 Mathcad11 计算Z0e、Z0o的微带耦合线的宽度及 间距（W, S）和四分之一波长的长度（P 步骤四: 利用模拟软件检验,再微调。
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6.3.3 平行耦合线耦合器设计实例
各端口匹配且网络无耗互易，则S矩阵为
0 0 j 0 j 0 0 j 0 j 0 0
S
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展开，得
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b1 e b3 e
S 11 S14 2 S 12 S13 2
b 2 e b 4 e
S 12 S13 2 S 11 S14 2
引入偶模反射系数和传输系数
C / 20 C / 20
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69 . 37
C / 20
Z 0o Z 0
C / 20
36 . 04
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步骤三: 建立图示电路拓扑, 计算得W=2.38mm,S=0.31mm, P=57.16mm,且50Ω微带线宽度W50=2.92mm。
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k 10
c / 10
Z 0s Z 0 Z0p Z0
1 k 1 k k
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步骤三: 利用下列公式计算出元件值: （1） 低通L-C式:
Ls Z 0s 2 f c 1 2 f 2） 高通L-C式:
Cs 1 2 f c Z 0 s Z0p 2 f c
S
在耦合臂和直通臂之间存在着 / 2 的相位差 对于第二类，假设端口1和3完全隔离，由于对 称，端口2和4也完全隔离，即
S13 S 24 S 31 S 42 0
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由结构对称，还有
S 1 4 S 2 3 , S 1 2 S 4 3
图 6-7平行线型耦合器电路图
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dB(S(4,1)) dB(S(3,1)) dB(S(2,1)) dB(S(1,1))
m1 m1 0 freq=750.0MHz dB(S(2,1))=-0.629 m2 m2 freq=750.0MHz -10 dB(S(4,1))=-10.147
偶模激励时，有
b1 e S 1 1 S 1 2 S 1 3 S 1 4 1 / 2 b2 e S 1 2 S 1 1 S 1 4 S 1 3 0 b3 e S 1 3 S 1 4 S 1 1 S 1 2 0 b4 e S 1 4 S 1 3 S 1 2 S 1 1 1 / 2
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描述定向耦合器特性的三个指标间有严格的关 系,即方向性＝隔离度-耦合度。
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6.1.2 定向耦合器的原理
2 P 定 向 耦 合 器 4 P4 3 P3
1 P1
2
图 6-1 定向耦合器方框图
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若P1、P2、 P3、P4皆用毫瓦（mW）来表示, 定向耦合器的四大参数则可定义为：
插入损耗 耦合度 隔离度 方向性
T ( dB ) 10 lg P2 P1 P3 P1 P4 P1 P3 P4 10 lg 1 S 21 10 lg 1 S 31 10 lg 1 S 41 10 lg 1 S 41
2 2 2 2
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C ( dB ) 10 lg
I ( dB ) 10 lg
6.4 RF&MW 应用奇偶模理论分析定向耦合器
设有幅度为1的波从端口1输入，分解为奇偶模激励
a1 1
a1 1 / 2
a1 1 / 2
a4 1 / 2
a4 1 / 2
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考虑对称性和互易性，其 S矩阵为 RF&MW
S 1 1 S 1 2 S 1 3 S 1 4 S 1 2 S 1 1 S 1 4 S 1 3 S S 1 3 S 1 4 S 1 1 S 1 2 S 1 4 S 1 3 S 1 2 S 1 1
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网络无耗
S
H
RF&MW
S S I
2 2
H
的第一行乘以 S
S12 ＋ S13 1
S
H
的第一行乘以 S
S 12 S 13 S13 S12 0
* *
此式也可写作 即
S 13 S12
*
S13 S12
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第6章 定向耦合器
6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7
定向耦合器的基本原理 集总参数定向耦合器 耦合微带定向耦合器 应用奇偶模理论分析定向耦合器 分支线型定向耦合器 环形桥定向耦合器 波导定向耦合器
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RF&MW 6.1 定向耦合器的基本原理
D ( dB ) 10 lg
10 lg
1 S 31
2
I ( dB ) C ( dB )
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RF&MW 6.2 集总参数定向耦合器
6.2.1
常用的集总参数定向耦合器是电感和电容组成 的分支线耦合器。其基本结构有两种： 低通L-C式 和高通L-C式。
问题： RF&MW 1.可变衰减器的衰减量动态范围和平坦度 2.图示定向耦合器结构完全对称，若从三端口输入 信号，插入衰减、耦合度、方向性和隔离度怎么表示？
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问题： RF&MW 3.对称无耗匹配理想的定向耦合器的S矩阵是？ 分两类：第一类，假设端口1和4完全隔离，由于对 称，端口2和3也完全隔离，即
-20
m3
m3 freq=750.0MHz m4 m4 -30 freq=750.0MHz dB(S(3,1))=-24.785 dB(S(1,1))=-34.557
-40 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
freq, GHz
图 6-8平行线型耦合器仿真结果
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1 P1 C 4 P C L
4 s
Z0
Ls
2 P2
1 P1
Z0
Cs
2 P2
p
p
L 3 P 4 P
p
L C
s
p
3
4
3 P
3
(a )
(b )
图 6-2 L-C (a) 低通式； (b) 高通式
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步骤一: 确定耦合器的指标,包括耦合系数C(dB)、 端口的等效阻抗Z0（Ω）、电路的工作频率fc 步骤二：利用公式计算出k、Z0s及Z0p:
6.3.1
通常,它由主线和辅线构成,两条平行微带的长度 为四分之一波长。信号由1口输入,2口输出,4口是耦合 口,3口是隔离端口。 因在辅线上耦合输出的方向与主线上波传播的方向 相反,它也被称为“反向定向耦合器”。当导线1—2中 有交变电流i1流过的时候,由于4—3线和1—2线相互靠 近,4—3线中耦合有能量,能量既通过电场（以耦合电容 表示）又通过磁场（以耦合电感表示）耦合。通过耦合 电容Ｃm的耦合,在传输线4—3中引起的电流为ic4和ic3。
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k 10
C /10
0 .1 1 k 4 7 .4 3 1 k k 150
Z 0s Z 0 Z0p Z0
步骤三: 利用下列公式计算元件值：
C1 1 2 f c Z 0 s Z0p 2 f c 8 . 59 pF