第11讲 定向耦合器1
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。
ADS设计定向耦合器讲解
<<ADS>>课程设计——分支线耦合器目录1概述 (1)1.1 微波技术产生的背景及发展趋势 (1)1.2 微波电路仿真软件ADS简介 (2)1.3定向耦合概念及分类 (3)1.3.1概念 (3)1.3.2分类 (4)1.3.3 主要技术指标 (6)2工作原理 (7)2.1 传输线理论 (7)2.2 输入阻抗 (8)2.3 特性及测量 (9)2.3.1网络特性 (9)2.3.2测量方法（定向耦合器的特性参量） (10)2.4 定向耦合器的用途 (11)3.微带分支电路的分析与设计 (12)3.1 分支线耦合器 (12)3.2 分支线耦合器的奇偶模分析 (13)4设计过程 (17)4.1 建立工程 (17)4.2 原理图的设计 (18)4.3微带线参数的设置 (19)4.4 VAR控件的设置 (20)4.5 S参数仿真设计 (20)4.6 参数的优化 (22)4.7分支线耦合器版图的生成 (23)5.总结与展望 (25)1概述1.1 微波技术产生的背景及发展趋势微波技术是无线电电子学的一个重要分支，已成为现代通信、雷达、导航和遥感等领域最为敏感的课题之一，发展至今已经有比较久的历史了，无论在理论上还是在实践上，微波科学技术逐渐成熟，并拥有很多的从业人员。
微波波段的电磁波能穿透电离层,因而卫星通信与卫星电视广播、宇宙通信及射电天文学的研究等均需利用微波来实现，在通信、雷达、导航、遥感、天气、气象、工业、农业、医疗以及科学研究等方面得到越来越广泛的应用，成为了无线电电子学的一个重要的分支趋向。
随着通信技术的迅速发展，为了便于携带和移动,无线电设备的小型化是未来的发展趋势，而移动通信所使用频段处于微波范围,因此实现微波电路的更高频率化, 小型化,固体化,不仅在实用方面,而且在学术方面均有重要的研究价值。
定向耦合器通常有两种实现方式: Lange耦合器和带线耦合器。
Lange耦合器具有结构紧凑,便于集成的优点,但一般使用陶瓷基板, 电路制作要求较高,加工工艺和成本限制了它的应用。
定向耦合器(1).ppt
(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,也就是说与频率有关。 (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。
( a )
( b )
图 6-2 L-C分支线型耦合 (a) 低通式； (b) 高通式
集总参数定向耦合器的设计步骤： 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:
k 10
c / 10
Z 0s Z 0 1 k Z0p Z0 1 k k
D(dB) 10 lg
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。
1 Z 0 P 1 C p 4 P 4 L s L s 2 P 2 C p 3 P 3 4 P 4 1 Z 0 P 1 L p C s C s 2 P 2 L p 3 P 3
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 C (dB) 10 lg I (dB) 10 lg P2 1 10 lg P S 21 2 1 P3 1 10 lg P S31 2 1 P4 1 10 lg P S 41 2 1 P3 1 1 10 lg 10 lg I (dB) C (dB) 2 2 P4 S 41 S31
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
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。
第11讲 定向耦合器1
S31
S41
实际上，方向性和隔离度同属表征定向耦 合器定向性能的指标，故而取其一就够 了。
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11.2 理想定向耦合器特性
South China University of Technology
【定理】互易、无耗、对称、完全匹配的四端口 网络可以构成一个理想的90定向耦合器。
South China University of Technology
cos jZ0e sin
[ Ae
]
j
1
sin
cos
Z0e
由于传输线两端接匹配负载，所以
S11e
A11 A12 Z0 A21Z0 A22 A11 A12 Z0 A21Z0 A22
Z0 Z0e Z0 Z0o
对应为 Z02 Z0eZ0o
在此条件下，有
式中
k0
Z0e Z0o Z0e Z0o
S11 0
S12
jk0 sin 1 k02 cos j sin
S31
1 k02
1 k02 cos j sin
S41 0
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于是，任意激励时平行耦合线的散射参数
S11
21
1 2
(S11e
S11o )
j sin( Z0e Z0 )
j sin( Z0o Z0 )
Z0 Z0e
Z0 Z0o
4cos 2 j sin(Z0e Z0 ) 4cos 2 j sin(Z0o Z0 )
《定向耦合器》PPT课件
归一化转移参量
[ Ao
]
Ao Co
Bo
Do
a2 R b
j b R
j R (b a1a2 b) a1 b R
17
第六章 定向耦合器
Ae Ao , Be Bo , Ce Co , De Do 奇偶模网络参量关系
Ur1o
(1) 匹配特性：在理想情况下，它的四个端口是完全匹配的，只要1和2
端口能调到匹配，3和4端口一定匹配，即S11=S22=S33=S44=0 ；
(2) 隔离特性：当3和4端口具有隔离特性时，即S34=S43=0，则1和2端口 也具有隔离特性，即S12=S21=0；
(3) 平分特性：当信号由3端口输入时，则同相等分给1和2端口，即S13
Ur3
R
( Ae
Be )
R2ba2 jbR 1 a22R2
Ur3
2
R2b2 1 a22R2
R 10C
10
R2b2 1 a22R2
.....................................(2)
19
第六章 定向耦合器Biblioteka 联立得a1
10C
10
1
路的路程差为p0/2，即相位差为，故两路信号在D点相抵消，使4端口
无输出。 （二)双分支定向耦合器的特性分析 1.前提条件：仅从1口输入电压，设Ui1＝1v，其他各口均接匹配负载
14
第六章 定向耦合器
2.奇偶模等效法分析设计有关参数
U i1
1
1 2
1 2
功分器、定向耦合器课件
S 12 S 23 S 31 1
1 0 0 0 1 0
2
0 0 1
1 0 0
1
3
1
3
环形器
三端口网络——两个端口匹配，无耗，互易
j
S 21 e
0 j S e 0
e
j
0 0
0 0 j e
1
S12 e
无耗网络的散射矩阵满足么正性
2 S kj 1, k 1 4 S * S kj 0, k 1 ki 4
j 1, 2, 3, 4 i j, i , j 1, 2, 3, 4
四端口网络的基本特性（续2）
S12 S12 S13 S14
λg/4 ZC1 ZC ①
③
ZC
R
ZC1 λg/4
ZC
②
0 S 0 j 2
0
0 j 2
j 2 j 2 0
微带功分器（Wilkison 功分器）（续3）
功率不等分：
Z c2 Z c
2
1 K
2
/K
证明：采用反证法，假设三端口网络的所有端口匹配、互易，网络无耗。
S11 S S 21 S 31 S12 S 22 S 32 S13 S 23 S 33
匹配： S 11 S 22 S 33 0
互易： S ij S ji
无耗： S S 1
2
S13 S 23 S 23 S 24
2
S14 S 24 S 34 S 34
2
1 1 1 1
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第二步，求平行耦合线定向耦合器实现条件 为使平行耦合线构成完全匹配的反向定向耦合 器，必须有 S11 S 41 0
Z0e Z0 Z 0o Z 0 Z0e Z 0 Z 0o Z 0 应有 Z Z 和 Z 0 Z0o Z 0 Z 0e Z 0 Z 0o 0 0e
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由于传输线两端接匹配负载，所以
Z oe Z 0 A12 j sin ( ) A11 A21Z 0 A22 Z0 Z 0 Z oe S11e A12 Z oe Z 0 A A Z A 2 cos sin ( ) j 11 21 0 22 Z0 Z 0 Z oe 2 2 S21e A Z Z A11 12 A21Z A22 2 cos j sin ( oe 0 ) Z0 Z 0 Z oe
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当奇模激励时 a1 a3 ao1，b1 b3 bo1 a2 a4 ao 2，b2 b4 bo 2
定向耦合器是一个四端口网络，它有输入端
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（端口1）、直通端（端口2）、耦合端（端 口3）和隔离端（端口4)。
当信号从输入端输入时，除了一部分功率直
接从直通端输出外，同时还有一部分功率耦 合到耦合端输出，但不会从隔离端输出。 如果耦合端与直通端同方向，则称为“同向定 向耦合器”。反之，称为“反向定向耦合器” 。
S 44 S 43 S 42 S 32
b [ S ]a
平行线等效为单根偶模传输线。
be [ Se ]ae
S11e S11 S 21 S 21e S31 S 41
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e j (12 14 ) e j (12 14 ) 2 cos(12 14 ) 0
得证。
12 14 900
理想定向耦合器耦合端与直通端输出功率之 和等于输入功率。 理想定向耦合器直通端与耦合端相差90度。
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实际上，方向性和隔离度同属表征定向耦 合器定向性能的指标，故而取其一就够 了。
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11.2 理想定向耦合器特性
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【定理】互易、无耗、对称、完全匹配的四端口 网络可以构成一个理想的90定向耦合器。 证明：根据互易、对称、完全匹配，有
12 13 900
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设S13＝0（反向定向耦合器），则
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2 2 | S | | S | 1 12 14 * * S S S S 12 14 14 12 0
对应为 Z Z 0e Z 0o
2 0
在此条件下，有
Z 0e Z 0o 式中 k0 Z 0e Z 0o
S11 0 jk0 sin S12 2 1 k 0 cos j sin 2 1 k S 0 31 2 1 k 0 cos j sin S 41 0
采用奇偶模激励法分析。当偶模激励时: a1 a3 ae1，b1 b3 be1
a2 a4 ae 2，b2 b4 be 2
S 11 S 12 S 13 S 14
S 22 S 21 S 31 S 41
S 33 S 34 S 24 S 23
11.1 定向耦合器的技术指标
定向耦合器是一种有方向性的功率耦合器件，
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在射频系统中有着广泛的应用，如功率监控系 统、测试系统、功率分配系统等。 定向耦合器的种类繁多。
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O.C
PMC
偶模激励
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单根偶模传输线的A矩阵为
jZ 0 e sin cos [ Ae ] 1 sin cos j Z 0e
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1 S31 ( S 21e S21o ) 2 41 1 1 Z0e Z0 Z0o Z 0 2 cos j sin ( ) 2 cos j sin ( ) Z0 Z 0e Z0 Z 0o
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S.C
PEC
奇模激励
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于是，任意激励时平行耦合线的散射参数
1 S11 (S11e S11o ) 2 21 Z0 e Z0 Z 0 o Z0 ) j sin ( ) j sin ( Z0 Z0 e Z0 Z0 o Z Z Z Z 4cos 2 j sin ( 0e 0 ) 4cos 2 j sin ( 0o 0 ) Z0 Z0 e Z 0 Z0 o
隔离度I定义
P 1 1 I 10 lg 20 lg P4 S 41
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理想情况下 P4 0, I
显然
P3 P 1 1 1 I 10 lg 10 lg 20 lg 20 lg CD P3 P4 S31 S41
P a1 1 1 1 10 lg 20 lg C 10 lg 10 lg 2 P3 b3 S31 S31
2
方向性D定义 D 10 lg P3 20 lg S31
P4
S41
理想情况下 P4 0, D
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除了所有器件都有的一些指标外，如电压驻波
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比、工作带宽外，定向耦合器的主要技术指标 有耦合度、方向性和隔离度。设输入功率为 P1，直通端、耦合端和隔离端在接匹配负载时 的输出功率分别为P2, P3, P4. 耦合度C定义
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(4) (1) (a)
(3) (2)
(3) (1) (b)
(4) (2)
同向定向耦合器
反向定向耦合器
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11.3 平行耦合线定向耦合器
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对称面
带状线结构
Il (3) IC1 (1) I1 I2
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(4) IC2 (2)
等效 电路
工作原理（定性解释）
平行耦合线等效为单根奇模传输线，
S11o S11 S 21 S 21o S31 S 41
同理，可得奇模传输线的散射参数，只须在 偶模传输线的散射参数公式中将下标e变为o 即可。
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当信号从端口1输入时，一部分信号沿着主传 输线1-2传输，一部分通过缝隙耦合到副传输 线3-4上。耦合包括电场耦合（等效为电容耦 合）和磁场耦合（等效为电感耦合）。 通过电容耦合到副线上的电流分别向端口3和 端口4传输（Ic3和Ic4），而通过电感耦合到副 线的电流只向端口3传输（Il）。 两种电流在端口3同向相加，在端口4反向相 减。在适当的耦合条件下两部分信号在端口4 相互抵消，使端口4无输出，只有端口2和3有 输出，从而构成反向定向耦合器。
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严格分析
第一步：求平行耦合线的散射矩阵 平行耦合线具有互易、对称特性，所以
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射频电路与天线
RF circuits and antennas