定向耦合器
定向耦合器的工作原理
定向耦合器的工作原理
定向耦合器是一种用于将电磁波从一个波导或传输线路中耦合到另一个波导或传输线路中的器件。
它的工作原理是利用耦合结构中的电磁场相互作用来实现能量传输。
一种常见的定向耦合器是方向耦合器，主要由两个波导或传输线路、相互交叉的耦合结构和一个调整器件组成。
当电磁波从一个波导传输到耦合结构时，会发生与相邻波导的能量耦合。
耦合结构的设计保证了能量在不同波导之间的传输效率。
在实际工作中，通过调整器件可以改变波导之间的耦合强度，从而控制能量的传输。
具体来说，通过调整器件的位置、形状或参数等方式，可以改变波导之间的相位差，从而影响耦合效应。
通过适当的调整，可以实现不同耦合强度的定向耦合。
定向耦合器在微波和光纤通信等领域具有广泛的应用。
它能够将电磁波从一个波导或传输线路中耦合到另一个波导或传输线路中，实现能量的传输和分配。
通过合理设计和调整，定向耦合器可以实现高效的能量传输，有助于实现复杂的通信和传输系统的正常工作。
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
使用定向耦合器注意事项及定向耦合器的用途
使用定向耦合器注意事项及定向耦合器的用途
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。
什幺叫“定向耦合器”？
耦合器的主要功能就是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。
目前，主要有两种类型的定向耦合器：具有一个耦合端口和一个端接端口的标准定向耦合器；以及具有正向和反向耦合端口的双定向耦合器。
此外，。
微波定向耦合器工作原理
微波定向耦合器工作原理一、引言微波定向耦合器是一种常用的微波器件，广泛应用于微波通信、雷达系统、卫星通信等领域。
它具有方便、灵活、高效的特点，能够实现微波信号的分配和耦合，是实现无线通信系统中重要的组成部分。
本文将对微波定向耦合器的工作原理进行全面、详细、完整的探讨。
二、微波定向耦合器的基本结构微波定向耦合器通常由耦合器和耦合环组成。
耦合器是一种特殊的波导结构，用于将微波信号从一个波导传输到另一个波导。
耦合环是一种特殊的环形结构，用于实现信号的定向耦合。
三、微波定向耦合器的工作原理微波定向耦合器的工作原理可以简单地分为两个步骤：耦合和定向。
3.1 耦合在耦合器中，微波信号通过波导进入耦合环。
当信号进入耦合环时，一部分能量会被传输到耦合环内部，形成环内模式。
耦合环内部的环形结构可以通过控制其几何参数来实现对耦合效果的调节。
当耦合环的几何参数适当时，可以实现最佳的耦合效果，使得尽可能多的能量被传输到耦合环内部。
3.2 定向在耦合环内部，耦合器通过调节耦合环的几何参数和输入信号的相位差，实现对信号的定向耦合。
定向耦合是指将输入信号按照一定的比例传输到不同的输出端口上。
耦合环内部的环形结构可以通过调节其几何参数来实现对信号的定向耦合。
当耦合环的几何参数适当时，可以实现理想的定向耦合效果，使得输入信号按照预定的比例传输到不同的输出端口上。
四、微波定向耦合器的性能指标微波定向耦合器的性能主要包括插入损耗、耦合平衡度、隔离度等指标。
4.1 插入损耗插入损耗是指微波信号在经过耦合器时的功率损耗。
插入损耗越小，说明耦合器的能量传输效果越好。
4.2 耦合平衡度耦合平衡度是指在不同的输出端口上输出的信号功率之间的平衡程度。
耦合平衡度越高，说明耦合器的定向耦合效果越好。
4.3 隔离度隔离度是指不同输出端口上的信号之间的相互干扰程度。
隔离度越高，说明耦合器的输出信号之间的相互干扰越小。
五、微波定向耦合器的应用微波定向耦合器在无线通信系统中有着广泛的应用。
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。
第6章 定向耦合器
第6章 定向耦合器
环形桥定向耦合器 6.5 环形桥定向耦合器
混合环又称环形桥,结构如图 6-11(a)所示。 它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。
第6章 定向耦合器
dB
0.55
0.60
0.65
0.70 0.75 0.80 FREQ[GHz]
0.85
0.90
0.95
1.00
图 6-8平行线型耦合器仿真结果
第6章 定向耦合器 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。
D(dB) = −10 lg
第6章 定向耦合器
集总参数定向耦合器 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,如图6-2所示。
第6章 定向耦合器
第6章 定向耦合器
图 6-7平行线型耦合器电路图
第6章 定向耦合器 Microwave Office软件仿真结果如图6-8 所示, 图中自上而下便是S21、 S31、 S41、 S11的dB值,这些值 可以在附录1的实验中测量作比较。
第6章 定向耦合器
0.00 S21 －5.00 －10.00 S31 －15.00 －20.00 －25.00 －30.00 －35.00 －40.00 0.50 S11 S41
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。
第六章 定向耦合器
B3
1 2
B4 0
分之线耦合器所有端口都是匹配的，从端口1输入 的功率对等的分配给端口2和端口3，这两个输出 端口之间有90°相移，没有功率从耦合到端口4 （隔离端） 由于分支线混合网络有高度的对称性，任何端口 都可以作为输入端口，输出端口总在输入端口相 反的一侧，而隔离端是输入端口同侧的余下端口
考虑C＝-3dB时所得的定向耦合器与功率分配器的关系？
6.2 耦合微带定向耦合器
两平行微带线的长 度为四分之一波长 在辅线上耦合输出 的方向与主线上传 播的方向相反，也 称为反定向耦合器
耦合线方向性解释
磁耦合：电流i1的交 变磁场会在辅传输线 激励起相反方向传输 的电流IL
主传输线和辅传输线相互靠近， 相互间有能量耦合，有电耦合 (以耦合电容表示)，也有磁耦合 (以耦合电感表示)
第六章 定向耦合器
在射频/微波领域按一定相位和功率关系分 配功率的器件称为定向耦合器，通常具有 无耗、互易、匹配的特性 在混频器、倍频器、衰减器、移相器、功 率放大器等微波电路中应用较多。
定向耦合器的基本指标
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，也就跟频率有关系 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
1 S 21
1 S 31
2
2
I (dB ) 10 lg
P4 P 1
10 lg
1 S 41
2
D(dB) 10 lg
P 3 P4
I C
6.1 集总参数定向耦合器
低通式L-C
高通式L-C
集总参数定向耦合器设计公式
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是无耗四端口网络的散射参数。
导出了Dp的关系为：
DP
20 log
D'
1 KL4
式中
D'
DM
10 20
如果网络的端口1和端口2互相对称；端口3和端口4互相对称，则存在对称算子 F
0 1 0 0
F 1 0 0 0
0 0 0 1 0 0 1 0
根据对称算子【F】的性质，有
可知
s 23 s 41 s32
C＝A1－A2
(22-12)
我们注意到，在一般情况下，端接负载不完全匹配对分贝耦合度C的测量影响很
小。有些文献喜欢用电压耦合系数 C ' ，它们之间关系是
C'
c
10 20
（2）实际器件定向性Dp的测量 图22-5表示实际器件定向性的测试系统。与分贝耦合度不同，这里主波导终端 所接的是滑动匹配负载。在正向运用时，滑动匹配负载对P0毫无影响；而在反向 运用时，滑运匹配负载的不同位置，对P0影响很大，为了保持P0不变，即衰减器
定向耦合器的基本参数有三个：分贝耦合度C,定向性D和输入驻波比p。这三个参
数都有一定的频带指标。
（1）分贝耦合度C
定义在各端口匹配情况下，端口1的输入功率P1和端口3的耦合功率P3之比再取
101og
即
C
10 log
P1 P3
20 log
a1 a2
20log 1 dB
s 31
请注意这里定义的分贝耦合度大于odB,数字愈大则意味着耦合愈松，即进入 端口3的功率愈少。实用中，最紧的耦合为3dB，否则只需要将主波导输出臂作耦 合臂即可。
SF FS
在这一条件下,（22一2）式和（22一0）式完全相等。也就是说：在对称定向耦合
器条件下，理论定向性Dr和测量定向性Dm相等。
至于Dm和Dp的关系则更为明显：在端口4所接负载L4＝0的条件下Dm和Dr相
同。很自然还能进一步推论：若对称定向耦合器在端口4所接负载 论定向性Dr和实际器件定向性相同。
输入时端口3的耦合功率P32 之比，再取10log, 即
DM
10
log
P31 P32
20 log
s31 dB
s32
具体参见图22-2。很显然，测量定向性Dm定义是在端口4所接负载 匹配情况下取得的.
L4
＝0，即全
大家知道，实际上任何定向耦合器不管其做得如何理想，其端口4的负载L4 不可
能为零。所以又引出另一种定向性定义。
输入驻波比。
1. 连接好微波系统，调谐探针，调配信号源 g ，测定电源工作频率f。 2．调配功率计，使等效 L 尽量小。
3，按图22一4系统测定分贝耦合度C。 C＝ A1 A2
4．按图22一5的系统测定实际器件的定向性Dp。根据|Dp|和| kL | 大小判别进
行计算。在我们的情况下按
D
' p
kL
（2）定向性D 在一般文献中，对定向性的定义论述得不够严谨、深入。本讲义将提出三
种不同的定向往定义，供实用时参考。
第一种，称为理论定向性定义Dr 它定义为在各端口均接匹配负载时，端口1输入功率情况下，端口3的耦合功 率P3与端口4的耦合功率P4之比，再取101og。即
Dr
10 log
P3 P4
20 log
L4
＝0，则理
实用上，由于端口3一般为弯口波导，且 L4 0，所以Dr、Dm、Dp，三者是
不同的。而要衡量定向耦合器性能的，恰好就是实际器件的定向性Dp，这正是我
们所要测量的
（3）输入驻波比p 它定义在各端口匹配条件下，输入端口1的驻波比p为输入驻波比，见图22-3所 示。显然有
实际上，由于 0L，4 所以严格说来（22一9）式中的是端口4接了 的有L4耗三端口
第三种，称为实际器件的定向性.D P
个它 三端定口义为网在络定的S向31耦与合S3器2 模端之口比4接，有再取L24 0情1o况g，下即，器件对外显示为三端口网络。这
DP
20 log s 31 s 32
(dB)
需要特别注意的（22一4）式不计（22一3）式尽管形式相同，但含义却是根本
不同的。（22一4）式的参数是有耗三端口网络的散射参数，而（22一3）式则
网络的 ，S它11 与原四端口网络 S 参数的关系已由附录4-1给出
s11
L4C'2 D'2 1 L4
由于 是原四端口网络的 ，S显11 见两者在
离度较大，即上式中
D0' ，因此
Байду номын сангаас
0L情4 况 下不相等，但实际上由于隔
S11
2，测量基本原理 （1）分贝耦合度C的测量 分贝耪合度C的测量系统见图22－4所示。采用衰减法可知
可能在某一范围内变化，从 A1m ax 变化到 A 2 min 。
显然这时所测的，定向性Dp也有一个范围，即
(3) 输入驻波比的测量
输入驻波比 ，采用下图测试系统。当 很小时，也可采用滑动负载法
三， 实验线路和仪器
四、实验步骤
本实验主要测定定向耦合器三个参数：分贝耦合度C，实际器件定向性Dp和
5．按图22－8系统测定输入驻波比 。
b3 b4
20log s31 (dB) s 41
在理想定向耦合器中，定向性应为无穷大。我们注意到对于实际的定向耦合器， 由于端日4接有负载，因此（22一2）式定义的定向性往往无法加以实测。为了解 决这一矛盾，我们引出另一种定向性定义。
第二种，称为测量定向性定义Dm
它定义为：在各端口匹配情况下，端口1输入时，端口3的耦合功率 P31 和端口2
定向耦合器研究
一、实验目的和要求
本实验要求学会测量定向耦合器的主要参数：分贝耦合度C,定向性D和输入驻 波比ρ.同时从理论上了解几种实际的定向性概念，以及与定向性有关的一些因素 。
二、实验原理
1， 定向耦合器的主要参数 图22－1表示一波导定向耦合器。它共有四个端口。1一2代表主波导通道，3一
4代表副波导通道。定向耦合器的主要特性表现在从1端口输入的主波导功率除直 接由2端口输出，还可以通过孔耦台由3端口输出。由于高定向性，4端口几乎没 有功率输出。同样，如果由2端口输入则可耦合至4端口，但几乎与3端口隔离。 常用的定向耦合器一般在4端口接有良好匹配的负载Гl，于是真正对外工作的端 口便只有三个。如果在端口1输入时，这时称定向耦合器为正向运用；反之，若 端口2输入时，则称之为反向运用。