理想的定向耦合器
定向耦合器论文
定向耦合器论文定向耦合器论文定向耦合器在射频电路中有着重要作用，既可作分支器件及功率检测部件，又可作为放大器的反馈元件。
本文在介绍了课题背景的基础上，首先简要阐述了定向耦合器的基本原理、种类以及相关应用。
接着又具体介绍了几种定向耦合器的原理，包括波导双孔、双分支、平行耦合微带和隔离器。
最后放眼国内外的研究现状，从而对本课题的方向有了较好的把握。
电路的设计部分是实物制作的基础，设计电路时首先要对多个电路方案进行对比分析，找出实际最容易制作而性能最佳的方案，最终我们选择了集中参数形式的并联耦合电路。
其次要注意材料的选取，在第三章中我们着重讨论了磁芯的种类、作用和特性参数，从理论上分析了各种磁芯可能对耦合器产生的影响。
在实物制作阶段，我们分别选取了大小磁环来制作多个耦合器，并利用网分测量每一个的耦合度和隔离度，经过多次调试选出其中性能最好的。
然后用这个达到要求指标的定向耦合器进行功率测试，最后对数据进行分析得出结论。
关键词：定向耦合器原理电路磁芯功率测试AbstractDirectional coupler in the RF circuit has an important role, both as a branch of the device and the power detection unit, but also as an amplifier of the feedback element.This paper introduces the topic on the basis of background, briefly describes the basic principles of the directional coupler, types, and related applications. Then he describes several specific principle of the directional coupler, including waveguide holes, two branches in parallel coupledmicrostrip and isolators. Finally Looking research status, and thus the direction of this project have a better grasp.Circuit design part is the basis of physical production, first when designing circuits for multiple circuit schemes were analyzed to identify the most easy to make and the actual performance of the best solution weultimately chose lumped parameter circuit coupled in parallel form. Second, we must pay attention to the selection of materials, in the third chapter, we focused on the core types, functions and parameters, from the theoretical analysis of various cores may impact on the coupler.In-kind production stage, we were selected to produce a plurality of ring size coupler, and use a network of measuring the degree of coupling each and isolation, after several debugging elect one of the best performance. And then use this to achieve the required targets directional coupler for power testing, the final conclusions drawn from the analysis of the data.Keywords: directional couplers principle circuit core power test摘要 (I)Abstract (II)1绪论 (1)1.1课题背景和研究意义 (1)1.2定向耦合器的种类和应用 (1)1.3几种定向耦合器的实现方式 (3)1.4研究现状 (7)2方案选择 (8)2.1定向耦合器的原理 (8)2.2耦合方式 (11)2.3匝数的选择 (13)2.4磁环大小的影响 (18)3传输线变压器 (19)3.1传输线变压器的构成 (19)3.2磁芯 (20)4定向耦合器的制作与功率特性的测量 (24)4.1定向耦合器的制作 (24)4.2大功率特性的测量 (25)5.结论与总结 (28)致谢 (30)参考文献 (31)1.1课题背景和研究意义定向耦合器是微波系统中应用广泛的一种微波器件，它的本质是将微波信号按一定的定向耦合器比例进行功率分配。
微波报告之定向耦合器
目录一、前言 (02)二、发展背景 (02)三、组成及分类 (03)四、原理简介 (03)五、定向耦合器的基本功能和参数指标 (04)1、耦合度 (05)2、隔离性 (05)3、定向性D (05)4、输出驻波比....................................... .065、工作频带宽度 (06)六、定向耦合器的应用 (08)七、总结 (11)八、参考文献 (12)定向耦合器的原理及介绍一、前言定向耦合器在微波波段有着广泛的应用，其主要用途有用来监视功率、频率和频谱，把功率进行分配和合成，构成平衡混频器和测量电桥，利用定向耦合器来测量反射功率系数和功率。
它的本质是将微波信号按一定的定向耦合器比例进行功率分配。
二、发展背景在20世纪50年代初以前，几乎所有的微波设备都采用金属波导和同轴线电路，那个时候的定向耦合器也多为波导小孔耦合定向耦合器，其理论依据是Bethe小孔耦合理论，Cohn和Levy等人也做了很多贡献。
随着航空和航天技术的发展，要求微波电路和系统做到小型化、轻量化和性能可靠，于是出现了带状线和微带线。
随后由于微波电路与系统的需要有相继出现了鳍线、槽线、共面波导和共面带状线等微波集成传输线。
这样就出现了各种传输线定向耦合器。
第一个真正意义上的定向耦合器由H. A. Wheeler在1944年设计实现，Wheeler使用了一对长为四分之一中心频率波长的圆柱来实现电场与磁场的能量相互耦合，遗憾的是这种方法只能实现一个倍频程的带宽。
三、组成及分类定向耦合器由传输线构成，同轴线、矩形波导、圆波导、带状线和微带线都可构成定向耦合器，所以从结构来看定向耦合器种类繁多，差异很大。
但从它的耦合机理来看主要分为四种，即小孔耦合、平行耦合、分支耦合以及匹配双T。
定向耦合器四、原理简介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为矩形波导定向耦合器的三种典型耦合结构。
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
350-520MHz定向耦合器
定向耦合器是一种具有定向传输特性的四端口元件，它是由耦合装置联系在一起的两对传输系统构成的，它是微波功率分配器件的一种。
定向耦合器实物图：定向耦合器主要指标有：耦合度、隔离度、方向性、插入损耗、输入输出驻波比、功率容限、频段范围、带内平坦度。
下面介绍的是350-520MHz定向耦合器：Model No.Freq.Range(MHz)NominalCoupling(dB)IL.(dB)Directivity(dB)VSWRPower(W)ConnectorTypeTemp.(°C)UIYDCP14337A350T520C5NF 350 ~ 520 5±0.6 2.1 20 1.25 200 N-F -20~+70 UIYDCP14337A350T520C6NF 350 ~ 520 6±0.6 1.7 20 1.25 200 N-F -20~+70 UIYDCP14337A350T520C7NF 350 ~ 520 7±0.6 1.4 20 1.25 200 N-F -20~+70 UIYDCP14337A350T520C8NF 350 ~ 520 8±0.6 1.0 20 1.25 200 N-F -20~+70 UIYDCP14337A350T520C10NF 350 ~ 520 10±1 0.8 20 1.25 200 N-F -20~+70 UIYDCP14337A350T520C13NF 350 ~ 520 13±1 0.5 20 1.25 200 N-F -20~+70 UIYDCP14337A350T520C15NF 350 ~ 520 15±1.2 0.4 20 1.25 200 N-F -20~+70 UIYDCP14337A350T520C20NF 350 ~ 520 20±1.2 0.22 20 1.25 200 N-F -20~+70 UIYDCP14337A350T520C30NF 350 ~ 520 30±1.5 0.2 20 1.25 200 N-F -20~+70 UIYDCP14337A350T520C40NF 350 ~ 520 40±1.5 0.2 20 1.25 200 N-F -20~+70机械图：下面则是为大家提供的耦合器：定向耦合器✧频率136MHz-18GHz.✧应用于民用,军事,航天,空间技术等.✧低噪声,高功率,高增益.✧可按客户要求订制生产.✧Directional Coupler型号频率范围(GHz)耦合度(dB)耦合平坦度(dB)插损(dB)方向性(dB)驻波比功率(W)连接形式温度(°C)尺寸长x宽x高(mm)UIYDCP14337B0.136~0.174 5~40 ±1.0 0.2 20 1.25 200 N -20~+70 143×37×18.5 UIYDCP14337A0.35~0.52 5~40 ±1.0 0.2 20 1.25 200 N -20~+70 143×37×18.5 UIYDCP22440A0.35~2.7 5~40 ±2.0 0.2 55 1.3 200 N -35~+65 224.4×40×16.5 UIYDCP12815A0.4~0.5 10~30 ±0.7 0.5 18 1.25 50 SMA -55~+85 128×15×11 UIYDCP13315A0.5~2.5 10~30 ±0.7 0.5 18 1.25 50 SMA -55~+85 133×15×11 UIYDCP12040A0.698~2.7 5~40 ±2.0 0.2 19 1.25 200 N -20~+70 120×40×16.5 UIYDCP8515A0.8~2.5 10~30 ±0.7 0.5 18 1.25 50 SMA -55~+85 85×15×11 UIYDCP7315A 1.0~4.0 10~30 ±0.7 0.5 18 1.25 50 SMA -55~+85 73×15×11优译创立于中国深圳市，注册资金2亿元人民币，是集军民用微波通信器件开发、设计与生产的一体化企业，产品远销海内外。
定向耦合器
小孔定向耦合器原理及结构
波导系统中，多数定向耦合器是通过正、副波导公共壁上的耦合小孔进行耦合的。该小孔能用电和磁偶极矩组成的等效源替代。此法向的电偶极矩和轴向的磁偶极矩在耦合波导中具有偶对称性质，而横向磁偶极矩的辐射有奇对称性质。因此通过调整两个等效源的相对振幅就能抵消在隔离端口方向上的辐射，增强耦合端口上的辐射。
耦合线定向耦合器的原理结构
当两条平行传输线的间距逐渐缩小时，主线与副线之间发生电磁耦合，主线的功率耦合到副线，副线的功率也能耦合到主线。此类定向耦合器早起为同轴线结构，有两个导体同置于一个外导体中，此后出现带状线结构和微带线结构。
定向耦合器的本质是将微波信号按一定的比例进行功率分配，主要由传输线构成，同轴线，矩形波导，圆波导，带状线和微带线均可构成定向耦合器，所以其种类较多，可从耦合机理将其分为四种：小孔耦合，平行耦合，匹配双T
概述
定向耦合器常用于提取和测量微波设备与系统中的功率，是一种具有方向性的四端口功率耦合原件，其本质是将微波信号按一定的比例进行功率分配。主要组成包括：主线（直通线）、副线（耦合线）、耦合机构。而定向耦合是指通过一定的耦合机制把主线（直通线）上的一部分功率沿一定的方向耦合到副线（耦合线）中，理想的耦合器中，功率在耦合线中只传向一个输出端口，另一个端口无功率输出。
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 -。
定向耦合器的工作原理
定向耦合器的工作原理
定向耦合器是一种广泛应用于微波和光纤通信系统中的耦合器。
它可以将输入信号耦合到特定的输出端口上，而忽略其他端口的信号。
定向耦合器的工作原理基于两个相互作用的波导。
通常，一个主波导拥有一个或多个辅助波导。
输入信号通过主波导输入，并根据耦合器的设计，耦合到特定的辅助波导上。
定向耦合器的设计需要考虑特定的耦合比例。
耦合比例决定了输入信号在辅助波导中的功率分配情况。
通常，定向耦合器被设计为在几个特定的频率范围内实现理想的耦合比例。
当输入信号通过主波导时，它会遇到与辅助波导的耦合结构相互作用。
这个相互作用通常是通过耦合窗口或者耦合插入件实现的。
耦合窗口或耦合插入件被设计为在特定频率范围内产生最大的垂直耦合效率。
定向耦合器的一个重要性能参数是其插入损耗。
插入损耗是指输入信号在经过耦合器时损失的功率。
通常，设计者会尽量降低插入损耗，以便提高整体系统的性能。
总之，定向耦合器是一种常用的耦合器，它通过特定设计的主波导和辅助波导相互作用，将输入信号耦合到特定的输出端口上。
它在微波和光纤通信系统中扮演着重要的角色，能够实现理想的耦合效果和较低的插入损耗。
定向耦合器的耦合度,隔离度,定向度计算公式
定向耦合器是指能够将输入信号从一个端口转移到指定的输出端口的设备。
在设计和使用定向耦合器时，需要考虑其耦合度、隔离度和定向度。
这些参数对定向耦合器的性能和使用效果具有重要影响。
一、耦合度耦合度是定向耦合器传输信号中的一种重要参数，指的是输入端口与输出端口之间的能量传输。
耦合度越高，输入端口的能量会更多地传输到输出端口，实际上就是指定向耦合器所提供的端口之间传输能量的程度。
耦合度的计算公式为：C = 10 * log10(Ws/Wi)其中C表示耦合度，单位为分贝(dB)，Ws表示输入端口的能量，Wi 表示输出端口的能量。
通常情况下，耦合度的取值范围一般在20dB 至50dB之间，不同的应用场景下，所需的耦合度也会不同。
选择合适的耦合度能够满足不同的需求。
二、隔离度隔离度是定向耦合器的另一个重要参数，用来描述输入端口和其他端口之间的隔离程度。
隔离度越高，表示输入端口与其他端口之间的干扰越小，这对于提高定向耦合器的性能和稳定性非常重要。
隔离度的计算公式如下：I = 10 * log10(Ws/Wi)其中I表示隔离度，单位也是分贝(dB)，Ws表示输入端口的能量，Wi 表示其他端口的能量。
隔离度的取值范围一般在20dB至40dB之间，隔离度越高，输入端口和其他端口之间的干扰就越小。
三、定向度定向度是描述定向耦合器在将能量从输入端口传输到指定输出端口时的效果的参数。
在使用定向耦合器时，需要考虑定向度的大小，定向度越高，表示定向器在传输时的效果越好。
定向度的计算公式如下：D = 20 * log10(sqrt((1 - |S21|^2) * (1 - |S31|^2)))其中D表示定向度，S21和S31表示定向耦合器的S参数，用来描述能量在端口之间的传输情况。
定向度的取值范围一般在20dB至30dB 之间，选择合适的定向度能够确保定向耦合器在实际使用中能够高效地传输信号。
总结在设计和使用定向耦合器时，需要充分考虑耦合度、隔离度和定向度这些重要参数。
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④端输入，②和③端功率平分相位 相同。 用于和差：②和③端同相等幅输入 ，④端输出最大；②和③端反相等 幅输入，④端无输出。
二、三口元件
2. 铁氧体环行器——环行元件
3
1
2
0 0 1 [S ] 1 0 0 0 1 0
理想s矩阵 [例1] 理想环行器端口③接匹配负载 L o ，即可构 成二端口隔离器。
2 2
(20-26)
对于理想的3 dB桥
1 | S13 | | S14 | 2 2
(20-27)
代入上式可知 |S11|≈|S12| 另一方面，由
* * * * S11S12 S12 S11 S13S14 S14 S13 0
(20-28)
三、四口网络的一般性质
又可得到
| S11 || S12 |cos(1 2 )| S13 || S14 |cos(3 4 ) 0
b3 a e j ( n1) a e j ( n1) a e j ( n1) a ne j ( n1) b2 a a e j 2 a e j 4 a e j 2( n1)
a (1 e j 2 e j 4 e j 2( n1) ) 1 e j 2 n j ( n 1) sin n a a e j 2 sin 1 e
* * * * (| S11|2 | S12 |2 )( S13 S14 S13 S14 ) (| S13 |2 | S14 |2 )( S11S12 S11S12 )
三、四口网络的一般性质
也即
(| S11 |2 | S12 |2 )| S13 || S14 |sin( 3 4 ) (| S13 | | S14 | )| S11 || S12 |sin(1 2 )
其中DS 表示单孔定向性，后项表示阵列定向性， 只要取在合适的范围，D可以很大。
三、四口网络的一般性质
0 0 [S ] S13 S14
2
1
0 0 S 23 S 24
S13 S 23 S 33 0
S14 S 24 0 S 44
3 4
图 20-3
定向耦合器
根据么正性又写出
三、四口网络的一般性质
| S13 |2 | S14 |2 1 2 2 | S 23 | | S 24 | 1 | S13 |2 | S 23 |2 | S 33 |2 1 | S |2 | S |2 | S |2 0 24 44 14
11 22 33 44
(20-17)
于是，散射矩阵成为
S11 S 12 [S ] S13 S14
S12 S11 S14 S13
S13 S14 S11 S12
S14 S13 S12 S11
(20-18)
三、四口网络的一般性质
且由无耗的么正性条件写出
| S11 |2 | S12 |2 | S13 |2 | S14 |2 1 * * * * S11S12 S12 S11 S13 S14 S14 S13 0 * * * * S11S13 S12 S14 S13 S11 S14 S12 0 S S * S S * S S * S S * 0 12 13 13 12 14 11 11 14
(20-5)
只要L很小，即可得到典型的隔离器。
三、四口网络的一般性质
1. 定向耦合网络 定向耦合网络是一种常用的四端口网络，它一般 规定,是无耗互易网络,每对端口相互隔离:
S12 S34 0
(20-6)
其中一对匹配:
S11 S 22 0
(20-7)
符合上述条件的即可称为定向耦合器，其［S］矩阵是
(20-23) (20-24)
由此可得到
cos( 3 4 ) 0
三、四口网络的一般性质
或者说
3 4 90
(20-25)
从对称定向耦合器中我们可以得到十分重要的性质： · 定向耦合器的端对隔离和端口固有反射密切相关； · 定向耦合器的主副路相差也和端对隔离密切相关； · 因此，在工程中常常采用考察输入反射和路间相 差来别断这类定向耦合的质量优劣。 3. 3 dB桥网络 我们把主副路功率相等的称之为3dB网络，重新写出
二、三口元件
[解] 由［S］参数定义写出
b1 a 3 b2 a1 b a 2 3
而 L a3 / b3 ，计及这一条件即可导得
写出双口网络的［S］矩阵
b1 0 L a1 b 1 0 a 2 2
b1 L b3 L a2 b2 a1
S11=S22=S33=0
一、三口网络的一般性质
* S13 S 23 0 * ［证明]采用反证法：假定S11=S22=S33=0,可知 S12 S13 0 S * S 0 分路 12 23
N bN aN . a1 1 b1 . a2 2 b2 . 耦合 [S] ai . i 环行 . . 和差 D S
S12 S 22 S 23
S13 1 0 0 S 23 0 1 0 S33 0 0 1
(20-1)
将上述矩阵展开后可分别得到两组方程，我们 称之为振幅条件和相位条件
一、三口网络的一般性质
| S11|2 | S12 |2 | S13 |2 1 | S12 |2 | S 22 |2 | S 23 |2 1 | S |2 | S |2 | S |2 1 23 33 13
现在我们讨论一种比较接近实际的情况，即端口① (20-20) S12＝0 和端口②理想隔离
| S11 |2 | S13 |2 | S 24 |2 1 * * S13 S14 S14 S13 0 * * S11S14 S14 S11 0 S S * S S * 0 14 11 11 14 * * | S11 |2 ( S13 S14 S13 S14 ) 0
三、四口网络的一般性质
4
( 3 4 ) 90
3
2
1
图 20-4
隔离度I与相差关系
四、定向耦合器
1. 典型的定向耦合器是四口网络，①-④是主波导， ②-③是副波导，主副波导之
2 1 θ aa+ 3 4
图 20-5
孔阵定向耦合器
间采用孔耦合。 2. 孔阵定向耦合器 为了加强定向性和耦合度，一般均采用多孔排阵
(20-19)
把方程(20-19)重新排列
* * * * * * * * ( S11S13 S12 S14 )( S11S14 S12 S13 ) ( S13S11 S14 S12 )( S12 S13 S14 S11 )
三、四口网络的一般性质
进一步可简化为
* * * * (| S11|2 | S12 |2 )( S13S14 S13S14 ) (| S13 |2 | S14 |2 )( S11S12 S11S12 )
也就是说，理想的定向耦合器，主路和副路相位差 90°，也称为90°定向耦合器。
三、四口网络的一般性质
2. 对称定向耦合器网络 我们研究一种四端全对称的定向耦合器网络，有 条件 S S S S
S S S S 12 21 34 43 S13 S 31 S 24 S 42 S14 S 41 S 23 S 32
第20章
多口元件
Multi - Port Element
多口网络在微波工程中承担分路(功率 分配)、和差、环行、耦合等等重要功能。
一、三口网络的一般性质
1. 无耗互易网络的么正性
[ S ]+ [ S ]=[ I ]
具体应用互易条件有
* S11 * S12 * S13 * S12 * S 22 * S 23 * S13 S11 * S 23 S12 * S33 S13
四、定向耦合器
3 2
1
4 2 2
1
3 4
波导定向耦合器
dB (1)耦合度 C 20 log| S11| S D 20 log dB (2)定向性 S 一般耦合度 20 dB, 10 dB, 6 dB, 一般定向性 30～40 dB 愈大愈好。
31 21
3 dB
四、定向耦合器
若N个孔完全相同
(20-9)
要满足上式当且仅当
|S33|=|S44|=0
| S13 | | S 24 | | S14 | | S 23 |
(20-10)
(20-11)
三、四口网络的一般性质
从相位关系得到的方程是
* * S13 S 23 S14 S 24 0 * * S13 S14 S 23 S 24 0
(20-32)
(20-33)
于是耦合度
C 20 log a 20 log n CS 20 log n
(20-34)
四、定向耦合器
其中，CS 是单孔耦合度。 定向性
a n sin D 20 log 20 log a sin n n sin DS 2 log sin n
| S11 || S12 | |cos(3 4 )| |cos(1 2 )| 0 | S13 || S14 |
(20-29)
(20-30)
考虑最坏可能性，即1=2
|cos(3 4 )| 2| S12 |2 210
1 10
(20-31)
其中，I是隔离度，定义为 I 10 log 1 2 ，式(20-31)可 | S12 | 由相差确定隔度离。