射频微波电路导论(第二版) 第6章 定向耦合器
射频定向耦合器原理和使用
射频定向耦合器原理和使用射频定向耦合器，听起来是不是很酷炫？其实呀，它的原理并没有那么难以理解，就像我们生活中的一些小物件一样，有着自己独特的工作方式呢。
首先呢，咱们来想象一下射频信号就像一群小蚂蚁在电线这个“小路”上快速奔跑。
射频定向耦合器的作用呢，就是能够巧妙地从这群忙碌奔跑的“小蚂蚁”（射频信号）里分出一部分来，而且还能知道这部分信号的一些信息。
从原理上来说，它主要是基于电磁耦合的。
简单来讲，就像是两个互相靠近但又不直接接触的小世界（传输线），一个世界里的动静（射频信号在传输线中的变化）能够通过一种神奇的“感应”影响到另一个世界。
这就是电磁耦合啦。
射频定向耦合器有主传输线和副传输线，当射频信号在主传输线跑的时候，副传输线就能通过这种电磁耦合的魔法，接收到一部分信号呢。
那这个耦合是怎么个定方向的呢？这就很有趣啦。
我们可以把主传输线想象成一条大河，射频信号就是河水里的鱼群。
耦合器就像是在河边巧妙设置的一些小沟渠。
鱼群（射频信号）大部分是沿着大河（主传输线）流动的，但是有一小部分会被小沟渠（副传输线）巧妙地分流出来。
而且这个小沟渠的设计很巧妙，它只能从特定的方向把鱼群分出来，这就体现了“定向”的特点。
再来说说它的一些参数吧。
比如说耦合度，这个就像是小沟渠（副传输线）从大河（主传输线）里分出来的鱼群（射频信号）的比例。
如果耦合度是20dB，那就意味着分出来的信号功率是主信号功率的1/100。
还有隔离度呢，这就好比是小沟渠和大河其他方向之间有一道看不见的墙，隔离度越高，这道墙就越结实，其他方向的信号就越难影响到小沟渠里的信号。
在使用射频定向耦合器的时候，就像是在做一个很有趣的小实验。
你要先确定好它的输入端口，这个输入端口就是那群“小蚂蚁”（射频信号）进来的地方。
然后把主传输线正确地连接好，就像给小蚂蚁们铺好正确的道路一样。
接着，再连接副传输线，这就像是在小蚂蚁的大路上旁边设置好我们的“小观察站”（副传输线），用来观察被分出来的小蚂蚁（射频信号）。
《波导定向耦合器》课件
应用场景二：卫星通信
在卫星通信中，波导定向耦合器主要用于信号 的传输、分路和合成，实现卫星信号的定向耦
合和功率分配。
波导定向耦合器在卫星通信中还可以用于天线阵列的 信号处理，实现天线的相位和幅度控制。
卫星通信是波导定向耦合器的另一个重要应用 领域。
它能够提高卫星通信系统的信号传输效率和稳定 性，增强卫星通信系统的抗干扰能力。
结构分析
波导定向耦合器的结构通常由输入波导、主波导、副波导和输出波导组成。输入信号通过输入波导进入主波导，并在主波导 上产生多个谐振模。通过适当的结构设计，使得其中一个谐振模被强烈激励，而其他谐振模被抑制，从而实现信号的定向传 输。副波导的作用是提取被强烈激励的谐振模信号，并将其传输到输出波导中。
在选择使用哪种类型的波导定向耦合器时， 需要根据实际需求进行综合考虑。例如，对 于需要高集成度、小体积的应用场景，E面 波导定向耦合器是较好的选择；对于需要简 单结构、高可靠性的应用场景，H面波导定 向耦合器是较好的选择；对于需要便携式、 低成本的应用场景，微型波导定向耦合器是
较好的选择。
波导定向耦合器的
波导定向耦合器的
04
制造工艺
制造材料
金属材料
常用的金属材料包括铜、铝、不锈钢等，它们具有良好的导电性和机械强度， 适合用于制造波导定向耦合器。
绝缘材料
绝缘材料用于制造波导定向耦合器的介质层，常用的有聚乙烯、聚四氟乙烯等 ，它们具有良好的绝缘性能和耐高温性能。
制造流程
设计和绘图
01
根据设计要求，绘制波导定向耦合器的图纸，确定各部分的尺
制作样品并测试
根据优化后的设计参数，制作 波导定向耦合器样品，并进行 性能测试，验证设计效果。
设计参数
微波滤波器和无源电路讲座(06)
兰格定向耦合器
宽带对称定向耦合器
对称带状线定向耦合器的补偿
过渡段寄生电感 补偿电容C1和C2
补偿前后的仿真结果比较
补偿前
补偿后
补偿后的电路版图和测试结果
宽带非对称定向耦合器
非对称带状线定向耦合器的补偿
不连续段 补偿电容
补偿前后的仿真结果比较
补偿前
补偿后
补偿后的电路版图和测试结果
定向耦合器的基本类型
④
①
③ ④ ②
反向耦合
③ ②
①
前向耦合
假如①口是入射端口。后向耦合④口是耦合端 口。③口是隔离端口。②口是直通端口。前向 耦合③口是耦合端口。④口是隔离端口。②口 是直通端口。
定向耦合器的主要技术指标
耦合端口
④ P4 ① P1
P 3 ③
② P2
隔离端口
输入端口
直通端口
定向耦合器的主要技术指标：
利用电路软件中的传输线计算工具计算。
耦合线参数的计算方法(2)
利用三维仿真软件对结构上具有对称性的传输线 建模计算传输线参数，可以从对称面剖开，分别 建立模型。并把对称面分别设置为电壁和磁壁。
磁壁
电壁
耦合线参数的计算方法(3)
利用三维仿真软件对结构上不具有对称性 的传输线建模计算传输线参数，可以直接 计算 。但需要注意的是端口模式数应设置2个
注意:利用三维软件计算端口的特性阻抗分 别是差分阻抗（ Z1）和共模阻抗（ Z2）。 并不是C模和π模阻抗！！ 偶模的阻抗为：Ze=2XZ2 奇模的阻抗为： Zo=Z1/2
现代微波滤波器和无源器件设计（六）
射频电路理论与技术-Lectrue 6(定向耦合器等)
Z0
Z1
ZL
图2.50 单节四分之一匹配变换器。
4
南京理工大学通信工程系
向匹配端看去的输入阻抗是
Z in Z1 Z L jZ1t Z1 jZ L t
l
（2.76）
Z0
Z1
ZL
式中，t tan l tan 在设计频率f0处， l 2 于是反射系数为
Z in Z 0 Z1 Z L Z 0 jt Z12 Z 0 Z L Z in Z 0 Z1 Z L Z 0 jt Z12 Z 0 Z L
所以，在 =m 处，带宽低端的频率是
fm
由式（2.82）可得到相对带宽为
2 m f 0
2f 4 f 2 f 0 f m 2 m 2 m f0 f0 f0 2 Z0ZL m 2 arccos 2 Z Z 1 L 0 m 4
（2.83）
8
南京理工大学通信工程系
相对带宽通常表示为百分数 100f /f0 %。 注意，当ZL接近Z0时（小失配负载），变换器的带宽增加了。 上面的结果只对TEM传输线严格有效。 当用非TEM传输线（诸如波导）时，传播常数不再是频率的线性函数， 而且波阻抗也与频率有关。这些因素使得非TEM传输线的一般特性复杂 了。 在上面的分析中，忽略的另一因素是，当传输线的尺寸有阶跃变化时，与 该不连续性相联系的电抗的影响。这通常可对匹配长度做小的调整来补偿 该电抗的影响。
13
南京理工大学通信工程系
The theory of small reflections
I. Single-Section Transformer
The partial reflection and transmission coefficients are
微波技术_第6章
－35.00
－40.00 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00 FREQ[GHz]
图 6-8平行线型耦合器仿真结果
• 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。
步骤一: 确定耦合器指标,包括耦合系数C(dB)、 各端
口的特性阻抗Z0（Ω）、中心频率fc、基板参数（εr,h）。
•
步骤二: 利用下列公式计算出支线和主线的归一化导
纳a和b:
•
•
⎧ ⎪C = 20 lg
b2 −1
⎨
b
⎪⎩1+ a2 = b2
• 步骤三: 计算特性阻抗Za和Zb, 以及相应的波导波长。
4
1
θ
41
θθθ
4
2
3
2
3
K
K
θ
θ
(a)
图 6-9耦合线的变形
输入端口 1
3 耦合端口
隔离端口 2
(a) 输入端口
1
4 直接端口 C
3 耦合端口 (b)
图 6-9耦合线的变形
直接端口 2
4 隔离端口
W′
上置导体
l
h W W εr
基片 W
微带
h
S
εr
耦合微带
接地板 (c)
覆盖介质
上置导体
图 6-9耦合线的变形
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。
微波定向耦合器,混合电桥,功率分配器
微波定向耦合器、混合电桥、功率分配器1.微波定向耦合器基本概念：定向耦合器的技术指标(以同向为例)• 定向耦合器的技术指标：• 1.耦合：• 2.定向性：续上：• 5.插损：主线输入口到主线输出口的功率关系：• ６．各端口之间的功率关系：•2.耦合线定向耦合器基本原理• 如图：方向性的物理解释：奇、偶模分析和计算公式• 如图：续上•如下： •ｂ１ ｓ１１ｓ２１ｓ３１ｓ４１ ａ１ •ｂ２ ｓ２１ｓ１１ｓ４１ｓ３１ ａ２ •ｂ３ ＝ ｓ３１ｓ４１ｓ１１ｓ２１ ａ３ •ｂ４ ｓ４１ｓ３１ｓ２１ｓ１１ ａ４•偶模激励：ａ１＝ａ４ ＝１／２， ａ２ ＝ａ３ ＝０ 求出： •ＧＡＭＡｅ＝ｂ１ ／ａ１ ＝ ｂ４／ａ４ ＝ｓ１１＋ｓ４１ • Ｔｅ＝ｂ２ ／ａ１ ＝ｂ３／ａ４ ＝ｓ２１ ＋ｓ３１•奇模激励：ａ１＝１／２， ａ４ ＝－１／２， ａ２ ＝ａ３＝０求出：•ＧＡＭＡｏ＝ｂ１／ａ１＝ｂ４／ａ４＝ｓ１１－ｓ４１•Ｔｏ＝ｂ２／ａ１＝ｂ３／ａ４＝ｓ２１－ｓ３１•Ｓ１１＝（ＧＡＭＡｅ＋ＧＡＭＡｏ）／２，ｓ２１＝（Ｔｅ＋Ｔｏ）／２，ｓ４１＝（ＧＡＭＡｅ－ＧＡＭＡｏ）／２，ｓ３１＝（Ｔｅ－Ｔｏ）／２续上:混合电桥也是四端口网路，其特点是其中两个端口相互隔离，另两个端口等功率输出。
两输出信号的相位差，可以是•幺正性(无耗网路)：3.制造公差对隔离度(方向性+耦合度)的影响•设：续上：•相速影响• 4.功率分配器：续上：续上：•-------续上：•-----续上：•------5. 测试：•这些器件的端口数目N>2,属多端口测试，使用两端口网络分析仪测量这些器件时，多余的端口必须接上匹配负载。
例如写出测量耦合器方向性的连接关系，如图。
复习题•一、说明耦合线定向耦合器工作原理（物理解释）。
•二、一个10 dB定向耦合器，不考虑线路导体本身的损耗且认为理想匹配，当输入功率Pin,dBm=10 dBm时，求出：（2-1）Pc,dBm，Pout, dBm等于多少dBm? （2-2）Pc，Pout等于多少mW?•三、用两端口网路分析仪测量10dB定向耦合器，•（3-1）写出测量各端口VSWR、耦合度CdB、隔离度LdB的连接关系;简述测量方法。
微波电路西电雷振亚老师的课件第6章定向耦合器
03
定向耦合器的应用
通信系统中的应用
信号传输
定向耦合器在通信系统中用于传输信号，能够实现信号的定向传 输和监测，提高信号传输的稳定性和可靠性。
功率分配
定向耦合器可以将输入信号按照一定的比例分配到多个输出端口， 实现功率的合理分配，满足不同设备的需求。
信号分离
广播电视系统
定向耦合器可用于广播电视系统中， 实现对信号的定向传输和分配，提 高信号覆盖范围和传输质量。
04
定向耦合器的性能指标
耦合度
总结词
耦合度是定向耦合器最重要的性能指标之一，表示耦合器输出端口功率与输入端 口功率的比值。
详细描述
耦合度的大小决定了定向耦合器对信号的提取程度。一般来说，耦合度越高，信 号提取能力越强，但同时也可能带来更大的噪声和失真。因此，在选择定向耦合 器时，需要根据实际需求和系统指标来选择合适的耦合度。
LTCC工艺
LTCC工艺是一种低温共烧陶瓷技术，它将多层陶瓷材料叠层烧结而成。在定向耦合器的制作中，LTCC工艺可用于制作高精度 、高稳定性的微型结构。这种工艺具有高可靠性、高稳定性等优点。
具体而言，LTCC工艺可以通过流延、叠层、烧结等方法实现。在定向耦合器的制作中，LTCC工艺能够实现高精度、高稳定性 的结构设计和控制，从而提高定向耦合器的性能和可靠性。同时，LTCC工艺还具有较好的耐高温性能和化学稳定性，能够满 足高温、恶劣环境下的应用需求。
厚膜工艺
厚膜工艺是一种将材料以较厚的膜层形式沉积在衬底上的 技术。在定向耦合器的制作中，厚膜工艺可用于制作较厚 的结构层，如波导壁、腔体等。这种工艺具有工艺简单、 成本低等优点。
具体而言，厚膜工艺可以通过丝网印刷、喷雾镀膜等方法 实现。在定向耦合器的制作中，厚膜工艺能够实现快速、 大批量生产，同时保持一定的性能和稳定性。
射频实施技术-功率分配器和定向耦合器
微波炉工作原理（磁控管）
磁控管是在同轴放射状的电场加上与其成直角的磁场，并 由它来控制电子发射的电子管。我公司管系连续波磁控管 （固定频率、包装式磁钢、探头输出）。
我司磁控管的铭牌如下图：
图中以流水号最后六位数来分辨磁控管 的性质：如果在“—”前的三位数与后面 三位数相等的话为普通高功率磁控管， 如果两三位数数值相差2，侧为EMC 磁控管。
微波炉工作原理（微波发生系统）
微波炉的微波发生部分如下图所示
高压整流电路电路工作原理为，220伏电网电源经过变压器升压，输 出约2000伏左右的交流高压。高压绕组在正半周时，二极管D导通对 电容器C充电，电容器被充到电压的峰值。当高压绕组电压为负半周 时，二极管D截止，磁控管导通。电容器C上正半周所充的电与绕组 电压正相串联，获得2倍高压，即4000伏左右的直流高压，加在磁控 管的阳极与阴极之间射。频实施技术-功率分配器和定向耦合器
射频实施技术-功率分配器和定向耦合器
微波炉工作原理（磁控管）
工作原理：
在磁控管外侧阳极内壁上，沿着圆周 有偶数谐振腔。在这谐振腔内产生的 微波电场，与从位于中央部位的阴极 发射出来的电子进行能量交换，并由 此产生微波。
射频实施技术-功率分配器和定向耦合器
相关标准培训
引用标准：
IEC60335-1：2001 （家用电器通用标准） IEC60335-2-25：1996 （微波炉特殊要求） IEC60335-2-25：2002 （微波炉特殊要求） IEC60335-2-6：2002 （电热器具特殊要求） IEC60335-2-9：2002 （电热器具特殊要求） UL 923 （美国UL微波炉标准） CAN/CSA C22.2-No. 150-M89 （加拿大微波炉标准）
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1
2
P1
P2
Z
Z
Z0e
Z0o
Z
Z
P4
4
P3
4
3
图 6-5平行线型耦合器
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, 如 图6-6所示。所以能量从1口输入,则耦合口是4口。
而在3口因为电耦合电流的ic3与磁耦合电流iL的作用相反 而能量互相抵消,故3口是隔离口。
步骤一: 确定耦合器的指标,C=-10dB,fc=400MHz, Z0=50 Ω。
步骤二: 利用下列公式计算K、Z0s、 Z0p：
步骤三: 利用下列公式计算元件值：
C1
1
2f c Z 0 s
8.59 pF
L2
Z0 p
2fc
56.68nH
步骤四: 进行仿真计算,如图 6-3 所示。
图 6-3低通L-C支路型耦合器等效电路
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,如图6-2所示。
1 Z0
Ls
P1
Cp
4
Ls
P4
(a)
2 P2
Cp
3 P3
1 Z0
Cs
P1
Lp
4
Cs
P4
2 P2
ห้องสมุดไป่ตู้Lp
3 P3
(b)
图 6-2 L-C (a) 低通式； (b) 高通式
插入损耗
T (dB) 10lg P2 10lg 1
P1
S21 2
C(dB) 10lg P3 10lg 1
P1
S31 2
I (dB) 10lg P4 10lg 1
P1
S41 2
D(dB) 10lg P3 10lg 1 10lg 1 I (dB) C(dB)
P4
S41 2
S31 2
6.2
步骤二: 计算奇偶模阻抗：
Z0e Z0
110C /20 69.37 110C / 20
110C / 20
Z0o Z0
36.04 110C / 20
也就是说与频率有关。工作频带确定后才能设计满足 指标的定向耦合器。
(2) 插入损耗： 主路输出端和主路输入端的功率比值,包括耦合损 耗和导体介质的热损耗。
(3) 耦合度: 描述耦合输出端口与主路输入端口的比例关系,通常用分 贝表示,dB值越大,耦合端口输出功率越小。耦合度的大小由 定向耦合器的用途决定。 (4) 方向性: 描述耦合输出端口与耦合支路隔离端口的比例关系。理 想情况下,方向性为无限大。 (5) 隔离度: 描述主路输入端口与耦合支路隔离端口的比例关系。理 想情况下,隔离度为无限大。 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＝耦合度-隔离度。
6.3.2
平行线耦合定向耦合器的设计步骤如下:
步骤一: 确定耦合器指标, 包括耦合系数C(dB)、 各端 口的特性阻抗Z0（Ω）、中心频率fc、基板参数（εr,h）。
步 骤 二 ： 利 用 下 列 公 式 计 算 奇 模 阻 抗 和 偶 模 阻 抗 Z0e 和Z0o。
i1
1
2
C i1
1
m
2
ic 4
6.1.2 定向耦合器的原理 定向耦合器是个四端口网络结构,如图6-1所示。
2
1 P1
P2 定向 耦合 器
4
3
P4
P3
图 6-1 定向耦合器方框图
信号输入端1的功率为P1,信号传输端2的功率为P2, 信号耦合端3的功率为P3,信号隔离端4的功率为P4。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：
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： 利用下列公式计算出k、Z0s及Z0p:
k 10c/10
Z0s Z0 1 k 1 k
Z0p Z0 k
步骤三: 利用下列公式计算出元件值: （1） 低通L-C式:
Ls
Z0s
2fc
Cp
1
第6章 定向耦合器
6.1 定向耦合器的基本原理 6.2 集总参数定向耦合器 6.3 耦合微带定向耦合器 6.4 分支线型定向耦合器 6.5 环形桥定向耦合器
6.1 定向耦合器的基本原理
6.1.1 定向耦合器的技术指标包括频率范围、 插入损耗、
耦合度、 方向性、 隔离度等。 (1) 工作频带: 定向耦合器的功能实现主要依靠波程相位的关系,
仿真结果如图6-4
0.00
－ 5.00
－ 10. 00
－ 15. 00
－ 20. 00
－ 25. 00
－ 30. 00
0.00
0.20
0.40
0.60
FREQ[GHz]
0.80
1.00
图 6-4 低通L-C支路型耦合器仿真结果
6.3
6.3.1
通常,平行耦合线定向耦合器由主线和辅线构成,两条平 行微带的长度为四分之一波长,如图6-5所示。信号由1口输 入,2口输出,4口是耦合口,3口是隔离端口。
因为在辅线上耦合输出的方向与主线上波传播的方向 相反,故这种形式的定向耦合器也称为“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,故4—3线中便耦合有能量,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。
步骤四: 利用模拟Microwave Office 软件检验,再 经过微调以满足设计要求。
6.3.3
设计一个工作频率为750 MHz的10dB平行线型耦 合器(Z0=50 Ω)。
步骤一: 确定耦合器指标,包括C=-10dB,fc=750MHz, FR4基板参数εr=4.5, h=1.6 mm，tanδ=0.015,材料为铜(1 mil)。
2fcZ0 p
（2） 高通L-C式:
Cs
1
2f c Z 0 s
Lp
Z0 p
2fc
步骤四: 利用模拟软件检验,再经过微调以满足设计 要求。
6.2.2
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≥-10dB。
ic 3Cm
ic 4
ic 3
4
4
3
3
iL
iL
图6-6 耦合线方向性的解释
Z0e Z0
110C / 20 110C / 20
110C / 20 Z0o Z0 110C / 20
步骤三: 依据设计使用的基板参数（εr, h）,利 Mathcad11 计算出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）。