定向耦合器的研究
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。
定向耦合器的原理与应用
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带状线定向耦合器的分析与设计的开题报告
带状线定向耦合器的分析与设计的开题报告1. 研究背景和意义带状线定向耦合器是一种常用的微波器件，它的主要作用是在微波电路中实现信号的定向耦合和功率的分配。
随着微波通信技术的不断发展，带状线定向耦合器在微波器件的应用中越来越重要。
因此，对带状线定向耦合器的分析和设计具有重要的理论和实际意义。
2. 研究目的本次研究旨在深入探究带状线定向耦合器的特性和工作原理，进行模拟仿真和优化设计，通过对其结构和参数的研究，提高其工作效率和性能，以满足实际应用。
3. 研究内容本次研究主要包括以下内容：（1）带状线定向耦合器的基本原理和特性分析；（2）仿真分析，利用软件对其工作效率和性能进行模拟计算，包括S参数、功率分配等方面的测试；（3）优化设计，对其结构和参数进行调整和优化，提高微波器件的性能和可靠性；（4）实验验证，对优化后的带状线定向耦合器进行实验验证，验证理论分析正确性，同时考虑到实际应用，对其稳定性和使用寿命等方面进行测试。
4. 研究方法本研究将采用理论分析、仿真计算和实验验证相结合的方法。
（1）理论分析：利用微波电路的基本原理和计算方法，对带状线定向耦合器进行理论分析和建模。
（2）仿真计算：应用仿真软件对带状线定向耦合器进行模拟计算，得到其S参数、功率分配等性能指标。
（3）优化设计：根据模拟计算的结果，对带状线定向耦合器的结构和参数进行优化设计。
（4）实验验证：对优化后的带状线定向耦合器进行实验验证，验证理论分析正确性，同时考虑到实际应用，对其稳定性和使用寿命等方面进行测试。
5. 预期结果通过本次研究，预期能够深入了解带状线定向耦合器的工作原理和特性，对其进行理论分析和建模，并通过仿真计算和优化设计，提高带状线定向耦合器的工作效率和性能，进一步提高微波通信系统的运作效率和稳定性，为实际应用提供一定的理论和技术支持。
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。
定向耦合器的研究
定向耦合器的研究定向耦合器的研究——几种微带定向耦合器结构与分析摘要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。
现在国内外研究定向耦合器都向体积小、功率容量大、频带宽、插入损耗小，有良好的驻波比和方向性等发展。
如今已研制出的高性能的耦合器，如中国电子科技集团公司第四十一研究所研制的耦合器，频率范围可从30kHz达到110GHz，耦合度也有3dB、10dB、20dB各种型号，且它的功率有的可以达到10KW，例如AV70606耦合器，它在保证方向性大于30dB的情况下，功率就可达到10KW。
甚至有些公司在耦合度控制在10dB的情况下，它的回波损耗可以低于-50到-60dB，甚至更低。
然而在某些特性场合，对耦合器的要求也是越来越高，因而更加优良的耦合器也有待我们去研究。
关键词: 传输线；微带线；定向耦合器；耦合度；奇模；偶模1引言在一些电桥及平衡混频器等元件中，常用到分支线定向祸合器分支线电桥或定向藕合器由两根平行传输线所组成，通过一些分支线实现拐合它们在中心频率上分支线的长度及其间的间隔全都是四分之一波长。
由于徽带线分支定向祸合器在结构和加工制造方面都比波导和同轴线简便得多，因此在徽带电路，分支线电桥和定向祸合器得到了较多的应用。
随着定向耦合器技术的发展，它应用到了更多更广泛的领域当中去，例如相控阵雷达等，越来越多的人开始关注这项技术，这更使定向耦合器得到了长足发展，随着时间的推移它在电子技术领域占到了越来越重要的地位。
2 微带定向耦合器的种类微带定向耦合器的种类有很多，例如：平行耦合微带线定向耦合器、微波3dB 微带双分支定向耦合器、宽带微带定向耦合器等。
2.1 平行耦合微带线定向耦合器图12所示，是平行耦合微带线定向耦合器的示意图。
当①端口信号激励时，③端口为隔离端无输出、而耦合端口②及直通端口④有输出。
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。
定向耦合器
单位代码： 10293 密 级：硕 士 学 位 论 文论文题目：带短路支节的高隔离度分支线定向耦合器设计研究电磁场与微波技术 移动通信与射频技术 工学硕士二零一五年三月学 科 专业 研 究 方向 申请学位类别 论文提交日期摘要定向耦合器是一种常用微波无源元件，在无线系统的射频前端中有着广泛的应用。
特别在收发同频的无线系统中定向耦合器常常被用作隔离收发信号的一种关键部件。
但是传统的定向耦合器隔离度偏低且工作带宽较窄，无法满足系统的要求。
本文以分支线定向耦合器为研究对象，主要围绕如何提高其隔离度和增加工作带宽来进行深入研究。
论文的主要工作和创新点包括：（1）根据功率相消原理在其耦合端口增加一条微带短路支节，设计出一款3dB带短路支节双分支线定向耦合器。
这种方法结构简单，易于实现，且能够大幅提高耦合器隔离度。
（2）完成了一款实验样品的加工、测量工作，验证了短路支节线用于提高双分支线定向耦合器隔离度的效果，以及工作带宽提高不明显的缺点。
（3）在双分支线定向耦合器基础上，总结出一种有效提高其工作带宽的方法：增加耦合路径，并设计出一款3dB三分支线定向耦合器，该耦合器能够大幅拓宽工作带宽。
在3dB带短路支节双分支线定向耦合器的基础上设计出一款3dB带短路支节三分支线定向耦合器，该款改进型定向耦合器在很大程度上拓宽了工作带宽，且提高了隔离度。
关键词: 定向耦合器，隔离度，短路支节，工作带宽AbstractReader is an important part of the RFID system, and the reader send and receive isolation is one of the key performance of RFID system. At present, the most common methods to improve the reader transceiver isolation degree is to add directional coupler in front of the reader antenna feed network.The traditional directional coupler isolation and working bandwidth is narrow,and can not meet the requirements if the RFID system. In this paper,we focus on the branch line of directional coupler and research on how to improve the isolation and increase bandwidth. The main work and innovation of this paper include:(1)We use method of old-even mode to analyze the double branch line directional coupler,and use the HFSS simulation software to model and simulation,find the directional has a low degree isolation shortcoming. In order to increase isolation of the directional coupler,according to the theory of destructive power we increase a short branch section in the port, and design a 3dB dual-branch directional coupler with a short branch section.This method is simple in structure, easy to implement, and can greatly improve the coupler isolation.(2) We process the 3dB dual-branch directional coupler with a short branch section into objects, using a vector network analyzer to measure it,finally compare the simulation results and measurement results and found the isolation has been improved in the very great degree but the bandwith is not obvious increased.(3) Base on the dual branch line directional coupler,we sum an effective operating to improve its bandwidth approach:increase the coupling path,and design a 3dB three-branch line directional coupler, the coupler can greatly expand the bandwidth.Base on the dual-branch line directional coupler with a short branch section we design a 3dB three-branch directional coupler with a short branch section,The directional coupler significantly increases the operating bandwidth, and improve the isolation.Key words: the RFID system, isolation , short branch section, directional coupler目录第一章绪论 (1)1.1 研究的背景与意义 (1)1.2 RFID系统基本介绍 (1)1.3 RFID系统现状和进展 (3)1.3.1 RFID系统使用现状 (3)1.3.2 RFID系统中读写器收发隔离技术的重要程度 (3)1.4本文的主要工作及内容安排 (4)第二章定向耦合器基本原理 (6)2.1 定向耦合器工作原理 (6)2.1.1 定向耦合器基本特性 (6)2.1.2 定向耦合器理论分析 (7)2.1.3 定向耦合器的技术指标 (9)2.2 常见定向耦合器的介绍 (10)2.2.1 平行耦合线定向耦合器 (11)2.2.2 波导定向耦合器 (11)2.2.3 分支线定向耦合器 (13)2.2.3 环形定向耦合器 (14)2.3 3dB微带分支线定向耦合器理论分析 (15)2.4 本章小结 (18)第三章带短路支节双分支线定向耦合器设计 (19)3.1 3dB双分支线定向耦合器设计 (19)3.1.1 3dB双分支线定向耦合器ADS仿真 (19)3.1.2 微带线理论分析 (21)3.1.3 3dB双分支线定向耦合器建模与结果分析 (23)3.2 3dB带短路支节双分支线定向耦合器设计 (26)3.2.1 3dB带短路支节双分支线定向耦合器的工作原理 (27)3.2.2 3dB带短路支节双分支线定向耦合器建模与仿真 (29)3.2.3 相关参数优化与结果分析 (31)3.2.4 两款定向耦合器对比分析 (38)3.3 本章小结 (40)第四章实物测试与结果分析 (41)4.1 实物加工与测试 (41)4.2 测试结果与仿真结果分析 (44)4.3 本章小结 (47)第五章改进型微带分支线定向耦合器设计 (48)5.1 3dB微带三分支线型定向耦合器设计 (48)5.1.1 3dB微带三分支线定向耦合器ADS仿真 (48)5.1.2 3dB微带三分支线定向耦合器建模与仿真 (51)5.2 3dB带短路支节三分支线定向耦合器设计 (54)5.2.1 3dB带短路支节三分支线定向耦合器建模与仿真 (54)5.2.2 参数优化与结果分析 (56)5.2.3 3dB带短路支节双分支线和3dB带短路支节三分支线定向耦合器对比分析 (60)5.3 本章小结 (61)第六章总结与展望 (62)参考文献 (64)第一章绪论1.1研究的背景与意义无线射频识别技术(Radio Frequency Identification,RFID)是一种非接触式的自动识别技术，它的主要特征是运用射频信号和空间耦合传输特性，达到对被识别物体的自动识别[1]。
射频微波电路研究第六章定向耦合器
2 插入损耗
主路输出端和主路输入端的功率比值，包括 耦合损耗以及导体介质的热损耗
3 耦合度
描述耦合输出端口与主路输入端的比例关系
4 方向性
描述耦合输出端与耦合支路隔离端的比例关系。 理想情况下为无穷大
5 隔离度
描述主路输入端口和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
T(dB )10lgP2 P1
奇偶模分析
对线上所有阻抗用Z0归一化，在端口1输入单位幅值 1的波，采用偶模激励和奇模激励相叠加的方式来分 析分支线耦合器，奇模激励为±1/2,偶模激励为1/2
偶模激励 在两个端口的输入波振幅是1/2
由对称性可知，在中心线处无电流通过，相当于开路
奇模激励 在两个端口的输入波振幅是±1/2
由对称性可知，在中心线处电压为零，相当于短路
m3
0
m3
freq=7.510GHz dB(S(4,1))=-0.224
-5
dB(S(4,1)) dB(S(3,1)) dB(S(2,1))
-10
m1
-15
m2
-20
-25 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0
freq, GHz
微带定向耦合器ADS仿真结果，可 以在ADS中对定向耦合器优化得到 更好的结果
平行耦合线耦合器设计方法
1 确定耦合器指标：耦合系数C（dB），各端口的 特征阻抗Z0(Ω)，中心频率ƒc，基片参数(εr，h)
2 利用奇偶模阻抗计算式计算奇偶模特征阻抗
Z0e Z0
110C 20 110C 20
110C 20 Z0o Z0 110C 20
3 利用所得奇偶模特征阻抗在奇偶模特征阻抗设计 数据中查得S/b,W/b(其中S为耦合线间距，W耦合 线宽度，b为基片厚度)
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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。
利用奇偶模分析法，将上述电路在中心线A－A1处切开，此时可将两条线（1）－（2）及（3）－（4）从A－A1面分开来考虑，这样将四端口网络转换为二端口网络，上下是对称的。
所以利用各端口理想的匹配及（1）、（4）端口之间理想的隔离条件，得出下列公式：
其中C称为定向耦合器的耦合度，u1、u2、u3分别为（1）口输入电压和（2）、（3）口输出电压，可见（2）口和（3）口的输出电压相位差90度，对与3dB定向耦合器（C＝3dB）代入上式得：
含量定向耦合器性能的主要技术指标有耦合度、定向性、隔离度、输入电压驻波比和频带宽度。
（1）耦合度C 当端口1接信号源，端口2、3、4均接匹配负载时，端口1的输入功率p1与端口2的输出功率p2之比的分贝数为该定向耦合器的耦合度C，则
2）方向性系数D 端口2的输出功率p2与端口3的输出功率p3之比的分贝为定向耦
合器的方向性系数D，则
3）隔离度I 端口1的输入功率p1与端口2的输出功率p3之比的分贝数为该定向耦合器的隔离度I，则
（4）输入电压驻波比指定向耦合器直通端口4、反向耦合端口2、隔离端口3都匹配负载时，在输入端口1测量到的驻波系数。
（5）频带宽度频带宽度是指当耦合度及输入驻波比都满足指标要求时定向耦合器的工作频带宽度。
对于一个理想的定向耦合起器，p3=0，S31=0，I趋向于无穷大。
微带环形定向耦合器
微带环形定向耦合器，又称微带环形电桥，如下图所示，其各引出臂的归一化特性导纳
为1，环形导带分为四段，它们的归一化特性导纳分别为H
1和H
2
.这种微带环形定向耦合器上
下结构是对称的，但左右结构不再对称，故其散射矩阵可写为
整个环的周长为1.5λg，四个分支线并联在环上，将环分为4段，4段长度如图所示，λg为混合环波长。
混合环有两个端口相互隔离，另外两个端口平分输入功率的特性，因此可以看作是一个3dB定向耦合器。
当端口1输入信号时，到达端口2的两路信号等幅同相，端口2有输出，相位滞后90度；达到端口3的两路信号等幅反相，端口3无输出；达到端口4的两路信号等幅同相，端口4有输出，相位滞后90度。
其中端口2和端口4输出振幅相同。
因此，有
端口2输入信号时，到达端口1的两路信号等幅同相，端口1有输出，相位滞后90度；到达端口3的两路信号等幅同相，端口3有输出，相位滞后70度；到达端口4的两路信号等幅反相，端口4无输出。
其中端口1和端口3输出振幅相同。
因此有
当端口3输入信号时，到达端口1 的两路信号等幅反相，端口1无输出；到达端口2的两路信号等幅同相，端口2有输出，相位滞后270度；到达端口4的两路信号等幅同相，端口4有输出，相位滞后90度。
其中端口2和端口4输出振幅相同。
因此，有
当端口4输入信号时，到达端口1的两路信号等幅同相，端口1有输出，相位滞后90度；到达端口2的两路信号等幅反相，端口2无输出；到达端口3的两路信号等幅同相，端口3有输出，相位滞后90度。
其中端口1和端口3输出振幅相同。
因此，有
在理想的情况下，它的四个端口完全匹配。
平行耦合线定向耦合器
如下图所示，它由等宽的耦合线段组成，其耦合线的长度是中心波长的1/4，各个等宽均接匹配负载。
当信号从端口①输入时，出来向端口②传输外，通过两线之间的电磁耦合，还会向端口③和④传输。
由于电场耦合在副线中向端口③和④反向产生的电压是等幅同相的，而磁场耦合在副线中向端口③和④反向产生的电压时等幅反相的，因此，副线中端口③处的电压是同
相叠加而又信号输出，而副线中端口④处的电压时反向而抵消的。
在理想情况下，端口④无输出，可达到理想隔离。
端口②和③的输出信号相位差为90度，故又称为90度反向定向耦合器。
它的耦合系数为
为50Ω，匹配条件（理想输入匹配条件）为
当系统阻抗Z
因此，对于给定的耦合系统C，设计等式为
平行耦合线定向耦合器常用两种形式。
TEM型和分布参数型。
TEM线定向耦合器
当支持纯TEM模传播的两个同轴线的内导体互相靠近是，电磁能量就从一条线耦合到另一条线，这一特性就产生了一类宽带平面定向耦合器。
大多数这样的耦合器采用支持纯TEM 或准TEM模的带状线或微带传输线。
平面TEM传输线定向耦合器即可以采用窄边耦合，也可以采用宽边耦合。
一般而言，哦耦合的TEM线支持相互作用产生耦合的两种模式：偶模和奇模。
TEM线定向耦合器是一个四端口网络，如下图所示
根据叠加原理，可以得到偶模和奇模的反射和传输系数。
式中传输矩阵为
性能分析：
对于平行耦合微带定向耦合器，耦合度为15dB时，其方向性，定向性都远远小于平行耦合带状线定向耦合器较差。
原因在于，对于平行耦合器微带线定耦合器，七天冲的是含有空气和戒指的混合介质系统，奇模和偶模的像素不相等，导致定向性变坏，这是导致定向性差的根本原因。
对于平行耦合线定向耦合器，耦合度为15dB时的方向性大于耦合度为30dB时方向性。
这就说明耦合度越大，耦合越弱，耦合端输出越小，隔离断输出越大，定向性越差。
耦合器的耦合度的绝对值随频率的变化而有所波动。
这是因为耦合度C本身是与频率相关的参数，随着频率的改变，C就会随之变化。
总结
我们在本文中对几种定向耦合器进行了研究，明白了它们的结构并对其进行分析。
知道不同结构的耦合器，有着不同的特性与功效，运用在不同的地方。
随着技术的改进，耦合器也一定会随之继续发展更多的种类，性能更加完备。