定向耦合器方向性的分析
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。
高方向性超宽带定向耦合器的研究与设计
摘要摘要定向耦合器作为现代通信系统中一种举足轻重的微波/毫米波部件，其本质作用是按照一定的比例对一定频率范围内的信号进行功率分配或者功率合成，并且具有方向性。
定向耦合器从结构上看种类繁多，近几十年来，许多专家学者基于带状线、微带线、同轴线、波导均成功设计出了具有不同优势的定向耦合器。
其中带状线和微带线结构的定向耦合器具有最宽的带宽，而其中带状线定向耦合器由于工作于TEM模式，能实现比微带线定向耦合器更高的方向性。
所以，在功率要求不高的情况下，带状线定向耦合器的应用最为广泛。
定向耦合器的综合方法与相关的设计图表经过几十年来业界中各位专家学者的研究与探索，在理论层面已经较为成熟。
但是其理论公式推导过于复杂，设计图表也并不完善，只涵盖了一些典型的设计数据，无法满足当今工程上的设计需要。
当代通信系统对定向耦合器的带宽比要求不断提高，当定向耦合器的工作频率增高到微波高端甚至毫米波频段时，各个端口的输入驻波比和端口之间的隔离度性能会不断下降，甚至方向性会接近于零以至于失去定向性能。
故为了实现定向耦合器的高方向性与超宽带性能，相关的研究与改进仍不可或缺而且十分迫切。
本文在现有的理论基础上进行推广和创新研究，总结了能够满足实际工程需要的定向耦合器的各类设计方法。
分别研制了对称、非对称、切比雪夫渐变线三类定向耦合器，并就提高方向性指标提出了几种实用的改进方法，通过实测，证明了设计方法的有效性与普遍适用性。
关键词：定向耦合器，带状线，超宽带，高方向性ABSTRACTABSTRACTDirectional coupler can be considered as a kind of microwave / millimeter wave components in modern communication system, it can be used to divide or combine the power of signals within a certain frequency range according to a certain proportion, and has a direction.Directional couplers have many kinds of structures. In recent decades, many experts and scholars have successfully designed the directional couplers of different advantages based on stripline, microstrip line, coaxial line and waveguide. The directional coupler based on stripline and microstrip line has the widest bandwidth, and the stripline directional coupler can get higher directivity than the microstrip directional coupler because of working in TEM mode. Therefore, in the case of low power requirements, the stripline directional coupler is the most widely used.The synthesis method and related design chart of directional couplers have been researched and explored by experts and scholars for decades, and have been mature in theory. But its theoretical formula is too complicated and the design chart is not perfect. It can not meet the needs of engineering design because of covering only some typical design data. The requirement of bandwidth ratio of directional coupler in modern communication system is increasing. When the working frequency of the directional coupler is increased to the microwave or even the millimeter wave frequency band, the isolation and VSWR between each ports will continue to decline, and even close to zero so that the directional performance will be lost. Therefore, in order to achieve high directivity and ultra wideband performance of directional couplers, the related research and improvement are still indispensable and urgent.On the basis of the existing theory, this paper carries on the popularization and the innovation research, and summarizes all kinds of design methods of the directional coupler which can meet the needs of practical engineering. We also developed symmetric and asymmetric, Chebyshev tapered transmission line directional coupler, and improve the directivity index method is proposed to improve. Through several practical test, the validity and applicability of the design method is proved. Keywords: coupler, stripline, ultra-wideband, high-directivity目录第一章绪论 (1)1.1定向耦合器的基本概念及研究意义 (1)1.2定向耦合器的发展趋势与研究现状 (1)1.3 本文的研究目标与研究内容 (3)1.4 本论文的结构安排 (3)第二章耦合带状线的理论分析与综合方法 (5)2.1 带状线的基本结构 (5)2.2带状线的基本特性参数 (5)2.2.1传播常数、相速度、波导波长 (6)2.2.2特性阻抗 (6)2.2.3衰减常数与Q值 (8)2.2.4单模传输条件 (8)2.3耦合带状线的理论分析与设计 (9)2.3.1带状线的奇偶模特性阻抗 (9)2.3.2侧边耦合带状线的设计 (9)2.3.3宽边耦合带状线的设计 (10)2.3.4偏置耦合带状线的设计 (11)第三章定向耦合器的理论分析与综合设计 (14)3.1定向耦合器的网络分析 (14)3.2定向耦合器的技术指标 (15)3.3平行耦合线定向耦合器的分析的设计 (16)3.3.1奇偶模分析法 (16)3.3.2 TEM波耦合线定向耦合器的设计 (21)3.4定向耦合器的定向性与方向性指标 (22)3.4.1方向性的重要性 (22)3.4.2为何会有定向性 (22)3.4.3端口驻波比对方向性的影响 (22)3.4.4提高方向性的方法 (23)第四章n节对称带状线定向耦合器的综合与设计 (25)4.1引言 (25)4.2 n阶对称定向耦合器的理论分析 (25)4.3 n节对称带状线定向耦合器的设计 (28)第五章n节非对称带状线定向耦合器的综合与设计 (35)5.1 引言 (35)5.2 n阶非对称定向耦合器的理论分析 (35)第六章渐变线定向耦合器的综合与设计 (42)6.1引言 (42)6.2 渐变线定向耦合器的理论分析 (42)6.3 渐变线定向耦合器的设计 (44)6.3.1 8-40GHz-10dB定向耦合器的设计实例 (44)6.3.2 13-34GHz-20dB定向耦合器的设计实例 (46)6.3.3 0.5-20GHz-10dB定向耦合器的设计实例 (48)第七章全文总结与展望 (50)7.1 全文总结 (50)7.2 后续工作展望 (50)致谢 (51)参考文献 (52)附录渐变线定向耦合器综合程序 (56)攻读硕士学位期间取得的成果 (58)第一章绪论第一章绪论1.1 定向耦合器的基本概念及研究意义定向耦合器作为现代通信系统中一种举足轻重的微波/毫米波部件，其本质作用是按照一定的比例对一定频率范围内的信号进行功率分配，同时也可以用来进行功率合成。
一种耦合组件、定向耦合器、提高定向耦合器方向性的方法与流程
一种耦合组件、定向耦合器、提高定向耦合器方向性的方法与流程导言在无线通信领域，耦合组件是一种常用的器件，用于将无线信号从一个系统传输到另一个系统。
定向耦合器作为一种重要的耦合组件，具有将信号定向传输的能力。
然而，传统的定向耦合器在实际应用中存在一些问题，例如方向性不足等。
因此，本文将介绍一种改进的定向耦合器，以提高其方向性，同时给出相关的方法及流程。
1. 耦合组件的基本原理耦合组件是一种用于传输无线信号的器件，通常由两个互相连接的端口组成。
它的基本原理是通过电磁场的相互作用，将输入信号从一个端口传输到另一个端口。
在传统的耦合组件中，信号的传输是均匀的，没有明显的方向性。
2. 定向耦合器的基本结构和工作原理定向耦合器是一种特殊的耦合组件，它具有将信号按照一定比例分配到不同的端口的能力。
它通常由一个主端口和多个辅助端口组成。
其基本结构包括耦合器主体、耦合线圈和耦合孔，工作原理是通过耦合线圈和耦合孔之间的电磁场相互作用，实现信号的定向传输。
3. 定向耦合器的问题然而，传统的定向耦合器在实际应用中存在一些问题，其中之一是方向性不足。
由于设计限制或制造误差，定向耦合器无法实现较高的方向性，导致信号的传输存在一定的误差，影响系统的性能。
4. 提高定向耦合器方向性的方法为了解决定向耦合器方向性不足的问题，可以采取以下方法：4.1 优化设计通过优化定向耦合器的设计，可以改善其方向性。
例如，可以对耦合线圈和耦合孔的尺寸、形状进行调整，以使得电磁场的分布更加均匀，提高定向耦合器的方向性。
4.2 材料选择选择合适的材料也可以提高定向耦合器的方向性。
某些材料具有较强的电磁场传导能力，可以降低信号的传输损耗，提高定向耦合器的方向性。
4.3 精密制造精密制造是提高定向耦合器方向性的重要方法之一。
通过精细加工和严格控制制造工艺，可以降低制造误差，提高定向耦合器的方向性。
4.4 反馈控制引入反馈控制机制，可以实时调整定向耦合器的参数，使其在工作过程中动态适应信号的变化，从而提高方向性。
定向耦合器的研究
定向耦合器的研究几种定向耦合器结构与分析班级 XXXXXXXXXXXXXXXX学号 XXXXXXXXXXX姓名 XXXXXX功率分配器是一种将一路输入信号能量分成两路或多路输出相等或不相等能量的器件，也可反过来将多路信号能量合成一路输出，此时可也称为合路器。
一个功分器的输出端口之间应保证一定的隔离度。
也叫过流分配器，分有源，无源两种，可平均分配一路信号变为几路输出，一般每分一路都有几dB的衰减，信号频率不同，分配器不同衰减也不同，为了补偿衰减，在其中加了放大器后做出了无源功分器。
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比例进行功率分配，所以它是一种具有方向性的功率分配器。
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。
由于微带线具有平面电路结构，用其做成的定向耦合器往往比波导型的立体结构简单的多，故在微波集成电路中获得广泛应用。
下面我们将来研究几种微带定向耦合器。
微带分支线定向耦合器微带分支线定向耦合器由两根平行导带组成，通过一些分支导带实现耦合。
分支导带的长度及其间隔均为1/4线上的波长，其结构示意图如下图所示，其分支数可为两分支或更多。
所谓电桥是一种将功率平分耦合的定向耦合器的特称，即3dB定向耦合器。
下面着重分析二分支的情况。
在一些电桥电路及平衡混频器等元件中，常用到分支线定向耦合器，微带二分支定向耦合器如下图所示，图中的字母G、H和数字1是各线段特性导纳的归一化值（对50欧姆阻抗对应的导纳值归一化），因各端口的导纳值相同，所以又称为等阻二分支定向耦合器。
当功率由（1）臂输入时，（2）、（3）两臂有输出；理想情况下，（4）臂无功率输出，故（4）臂是隔离臂，（2）、（3）两臂的输出可按一定的比例分配，若（2）、（3）两臂的输出功率相同，都等于输入功率的一半，则成为3dB定向耦合器或3dB分支电桥。
微波实验 定向耦合器
实验六定向耦合器特性的测量及应用目的：研究定向耦合器的特性及其应用。
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器件，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为本实验所用的十字定向耦合器，耦合器中端口之一终端接一内装的匹配负载。
主线副线图1（一）定向耦合器的主要特性参量有二：为了便于解释耦合度和方向性，画出了定向耦合器传输示意图（图3），图中P1、P2分别为主线输入、输出功率；PF3为副线中正向输出功率，PR3为副线中反向输出功率。
（1）耦合度（或过度衰减）C如图31243主线副线图3P3F 1243主线副线P1P23RP P1P21（a ）所示，主线输入功率P 1，与副线中正向输出功率P F 3之比，称为定向耦合的耦合度，若以分贝（db ）表示则：C=10logFP P 31(db) （6.1） （2）方向性D如图3所示，副线中正向输出功率P F 3与反向输出功率P R 3之比称为定向耦合器的方向性，若以分贝表示，则:D=logRFP P 33(db) （6.2） 有时，反映定向程度的指标也用隔离度D ’来表示。
隔离度表示主线输入功率P 与副线反向输出功率之比，即D=10logRP P 31(db) （6.3） 由式子（2）D=10logR F P P 33=10log R P P31=D ’-C （6.4） 从上可知，定向耦合器的方向性等于隔离度与耦合度之差，理想的定向耦合器的方向性D →∞;也就是说，当各端均匹配端接时，若功率从主线端“1”输入，则副线仅端“3”有输出，而端“4”无输出；即端“1”与端“4”彼此隔离；端“2”与端“3”彼此隔离，实际的定向耦合器隔离端的耦合隔离的理想器件。
深入讨论定向耦合器的方向性
深入讨论定向耦合器的方向性－ 方向性对功率、驻波比和回波损耗测量的影响方向性在决定射频功率、电压驻波比和回波损耗测量精度方面扮演着重要的 角色。
由于方向性产生的误差可能会严重影响基于测试结果所得出的结论。
本文就方向性的问题进行了深入的探讨。
BXT™ Technologies zh@Application NoteAN-0802深入讨论定向耦合器的方向性前言：在通过式功率测量中，定向耦合器的方向性在 决定射频功率、驻波比和回波损耗测量精度方面扮 演着重要的角色。
由方向性产生的误差可能会严重 影响基于测试结果所得出的结论，本文就方向性的 问题进行了深入的探讨。
图 1 是一个用通过式功率计在线测量发射系统 的例子，表 1 则阐述了方向性对测量精度的影响。
图 1 驻波比的测量精度取决于功率计的方向性表 1 定向耦合器方向性对测量精度的影响 项目 功率计的方向性实际天线 VSWR VSWR 测量范围 VSWR 测量误差 实际发射机正向功率 正向功率测量范围 正向功率测量误差 实际天线反射功率 反射功率测量范围 反射功率测量误差指标 25dB1.50（回波损耗-14dB） 1.33 至 1.69 (回波损耗-16.9 至-11.8 dB) -0.17 至+0.19 (回波损耗-2.9 至+2.2 dB) 20.0 W 19.54 至 20.45 W -2.3% 至+2.25% W 0.8 W 0.41 至 1.31 W -48.3%至+64.1% W40dB1.50(回波损耗-14dB) 1.47 至 1.53(回波损耗-14.4 至-13.5 dB) -0.03 至+0.03(回波损耗-0.4 至+0.5 dB) 20.0 W 19.92 至 20.08 W -0.4% 至+0.4% W 0.8 W 0.72 至 0.88W -9.8%至+10.3% W表 1 表明， 方向性为 25dB 的功率计或天线监 测仪的测量误差要比方向性为 40dB 时大得多， 这 种误差将影响判断天线是否符合指标， 同时也会在 监测天线时造成误报警。
定向耦合器指标
定向耦合器指标定向耦合器是一种常用的微波器件，主要用于功率的分配和组合，以及信号的测量和处理。
其性能指标对于整个系统的性能至关重要。
本文将对定向耦合器的主要性能指标进行详细介绍。
一、耦合度耦合度是定向耦合器最重要的性能指标之一，它表示耦合端口输出信号与输入信号之比。
通常用分贝（dB）来表示。
耦合度的选择取决于系统的具体需求，如需要将主信号的多少部分分流出来，以及需要将多少功率传输到负载等。
一般来说，耦合度越高，意味着更多的功率被分流出来，反之则更少的功率被分流。
在设计定向耦合器时，需要根据系统的具体要求和用途，选择合适的耦合度。
二、方向性方向性是定向耦合器的另一个重要指标，它表示定向耦合器对指定方向的信号具有较高的传递系数，而对相反方向的信号具有较低的传递系数。
方向性的大小取决于定向耦合器的设计结构和工艺水平。
一般来说，方向性越高，意味着定向耦合器的信号传递性能越好，越能有效地抑制反向信号的干扰。
因此，在某些需要防止信号反向泄漏或提高信号传输可靠性的系统中，应选择高方向性的定向耦合器。
三、隔离度隔离度表示定向耦合器的输出端口之间的信号相互隔离的程度。
理想的定向耦合器应具有完全的隔离，以避免信号在各输出端口之间的相互干扰。
然而，由于各种因素的影响，实际的定向耦合器隔离度总是存在一定的限制。
隔离度的高低取决于定向耦合器的设计、工艺和材料等因素。
在实际应用中，应根据系统的具体要求选择隔离度合适的定向耦合器，以保证系统的稳定性和可靠性。
四、带宽带宽表示定向耦合器正常工作的频率范围。
理想的定向耦合器应在较宽的频带内具有一致的传输特性和相位特性。
然而，由于各种因素的影响，实际的定向耦合器带宽总是存在一定的限制。
带宽的大小取决于定向耦合器的设计、工艺和材料等因素。
在实际应用中，应根据系统的具体要求和用途选择带宽合适的定向耦合器，以保证系统的正常工作和稳定性。
五、驻波比驻波比（VSWR）表示定向耦合器输入端的电压最大值与最小值之比。
定向耦合器特性的测量
姓名：学号：实验台号： 实验日期：
实验名称：定向耦合器特性的测量成绩：
实验目的
研究定向耦合器的特性。
,
实验仪器
2.方向性及其测量
副线中正方向传输功率与反向传输的功率之比称为定向耦合器的方向性D。
@
实
验
原
理
定向耦合器是一种有方向性的微波功率分配器件，通常有波导、同轴线、带状线及微带等几种类型。定向耦合器包含主线和副线两部分，在主线中传输的微波功率经过小孔或间隙等耦合元件，将一部分功率耦合到副线中去，由于波的干涉和叠加，使功率仅沿副线中的一个方向传输（称“正方向”），而在另一方向几乎没有（或极少）功率传输（称“反方向”）。
、
图5—1 定向耦合器原理图
定向耦合器的特性参量主要是：（1）耦合度，（2）方向性，（3）输入驻波比，（4）带宽范围。
1. 耦合度及其测量
输入至主线的功率与副线中正向传输的功率之比称为定向耦合器的耦合度C。
（5－1）
式中， 、 分别为主线输入端的功率及电压； 、 分别为副线正方向传输功率及电压。
本实验测定某定向耦合器的耦合度。首先测量主波导输入端的功率电平，然后将耦合器正向接入测量系统，参见图5－2，测出副波导正向输出端的功率电压，在耦合度C可根据公式（5－1）计算。也可以改变精密可变衰减器衰减量，使两种情况的检测指示器读数相等，则衰减器的读数差即为耦合度C。
}
实验原理
（5－2）
式中， 、 分别为耦合至副线正方向传输的功率及电压； 、 分别为耦合至副线反方向传输的功率及电压。
有时，反向程度也用隔离度来表示。隔离度表示输入至主线的功率与副线反方向传输的功率之比，即：
（5－3）
根据以上定义可知：
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定向耦合器方向性的分析
目前公司许多产品都用到定向耦合器，但在应用过程中都需要大量调试其方向性来满足指标要求，为了减小调试时间以及调试过程中产生的一些不稳定因素，让产品在设计时就能满足指标要求或在产品中增加一些可调器件来降低调试时间和增加产品的可靠性。
一、定向耦合器为什么会有方向性
上图为一段平行耦合传输线，当传输线1-4中有交变电流i I流过时，由于2-3线与1-4线靠得很近，所以2-3线中就有耦合来的能量，这个能量可通过电场（以耦合电容表示）又通过磁耦合（以耦合电感表示）耦合过来的。
通过C m的耦合在2-3线中产生的电流i c2和i c3，同时由于i I的交变磁场作用，在2-3线上有感应电流i L，根据电磁感应定律，感应电流i L的方向与i I相反。
由上图可以看到，若有能量从端口1口输入，端口2是耦合口，端口4是输出端，端口3上有电耦合电流i c3和磁耦合电流i L，这两个电流是方向相反能量相同，相互抵消了，故端口3为隔离端，也使得定向耦合器变得有方向性了。
二、如何改善耦合器的方向性
图二
图三
图一是一段耦合微带线，上面什么也没有，仿真的结果为图二，可以看出这时耦合器的方向性很差，就个2dB，但在这段耦合微带上覆盖一层与基片相同厚度的介质后，得到的仿真结果为图三，这时方向性有很大的改善，有20dB左右。
这个在我们实际的设计时已经应用到了，就是在主杆旁边直接用微带线来进行耦合，在调试时去改变腔深对方向性变化很明显，这是因为耦合微带的电场分别处在空气和介质中，所以它的奇模和耦模的相速不相同的，在隔离端的信号就不能相互抵消，方向就会变差，当覆盖一层介质后，电场就只在介质中传输，奇模和耦模的相速就变得相同了，方向就会得到很大的改善。
2、旋转耦合附杆，使之与传输主杆形成一个角度，这在实际应用中很多例子，这和第一种方法是同种道理，改变奇、耦模的电角度来改变它的相速，使方向性变好。
图五
在图一的基础上，在隔离端加一电容后仿真的结果，可以看出。