集总参数定向耦合器的设计步骤
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如何设计定向耦合器电路
如何设计定向耦合器电路汽车雷达、5G 蜂窝、物联网等射频 (RF) 应用中，电子系统对射频源的使用量与日俱增。
所有这些射频源都需要设法监测和控制射频功率水平，同时又不能造成传输线和负载的损耗。
此外，某些应用需要大功率发射器输出，因此设计人员需要设法监测输出信号，而非直接连接敏感仪器，以免受高信号电平影响导致损坏。
另外还有诸多其他挑战：在较宽的频率范围内如何确定射频负载（如天线）的特性；在发射器处于广播状态时如何监测负载变化和驻波比，以防止大反射功率和放大器损坏等。
只需将定向耦合器接入传输线，这些要求和挑战便可迎刃而解。
此方法可精确监测线路中的射频能量流，同时将功率水平降低已知的固定量。
在采样过程中，定向耦合器对主线信号的干扰极小。
此外，还能分离正向和反射功率，允许监测回波损耗或驻波比，从而在广播时提供负载变化反馈。
什么是定向耦合器？定向耦合器是一种测量设备，可接入信号发生器、矢量网络分析仪和发射器等射频源与负载之间的传输线，用于测量从射频源到负载的射频功率（正向分量），以及从负载反射回射频源的功率（反射分量）。
若测得正向和反射分量，即可计算总功率、负载的回波损耗和驻波比。
定向耦合器的四端口电路可配置为三端子或四端子设备（图 1）。
图 1：三端口（左）和四端口定向耦合器（右）的原理图符号。
（图片来源：Digi-Key Electronics）通常情况下，电源连接耦合器的输入端口，负载则连接输出或传输端口。
耦合端口输出是衰减后的正向信号。
衰减值如三端口设备原理图中所示。
在三端口设备中，隔离端口已在内部端接；而在四端口设备中，该端口输出与反射信号成正比。
原理图符号内的箭头表示分量路径。
例如，在四端口配置中，输入端口指向耦合端口，表明它接收了正向分量，而输出端口连接隔离端口，后者用于读取反射信号。
端口号并未标准化，因制造商不同而有所差异。
不过，各个供应商的端口命名相对统一。
耦合器是对称设备，各端口连接可互换。
第5讲定向耦合器
Z0 1 3 Z0 z
l Z0
Z 0 Z 0 e ( z ) Z 0o ( z )
Z0 2
Z0 4 Z0
(e)
图 6-9耦合线的变形
15
第6章 定向耦合器
传输线定向耦合器的设计*
1/4波长
分析方法：若在2、3、4端口都接以标准引出线的特性阻抗 Z0作为负载阻抗，而在1口接一个内向波电压U1，则根据奇、偶 模分析的原理，可将其分解为一对偶模和一对奇模同时加在1、 2口。则定向耦合器的四口网络问题即可简化为奇、偶模的两端 口问题。可以先求出奇、偶模两网络的解，再将其叠加。
I 4o
I 3o
V3o3I14z0e z0oI2
Z0
V4
～
Z0
V
3
I1o
4
z0e z0o
Z0
V4o Z0
Z0
I 2o
1
V1
2
V2
～ 2V
～V
1
V1o
2
V2o
o Z in Z 0o
V V V zin 1 1e 1o I1 I1e I1o
I1o I 3o , I 4o I 2o V1o V3o ,V4o V2o
第6章 定向耦合器
按照优化后的仿真结果尺寸进行加工，为了提高导磁率及 及光洁度进而减小定向耦合器的插入损耗，印制板表面镀金。
定向耦合器测试曲线图
测试结果表明，实验结果与仿真设计结果符合性较好。定 向耦合器性能指标满足了设计要求。但是插入损耗比设计的 略大了些。造成该误差的主要原因是加工精度不够，接插件 19 焊接、安装对指标的影响。
0.00 － 5.00 － 10.00 － 15.00 － 20.00 － 25.00 － 30.00 0.00
功分器、定向耦合器及应用简介
2.5.2 三分支线定向耦合器 （Three-Branch Coupler）
图2.8为三分支线定向耦合器。三分支 线定向耦合器的带宽比双分支线定向耦 合器宽，相对带宽为20%。 三分支线定向耦合器也有图2.1 1类定 向耦合器的理想方向性。 S12=S21=0
2.5.3 集总参数分支线lkinson功分器输出端所加隔离电阻 为输出端提供了很高的隔离度。但在高 频应用中，隔离电阻的寄生电抗将造成 严重问题。因为隔离电阻的几何尺寸和 波长相比拟，在大功率应用中，为了承 受大的功率，电阻的几何尺寸也必须很 大，电阻的寄生电抗则降低了功分器的 性能，不仅使隔离度、电压驻波比变坏， 而且增加了插损。
2.2 用途
在那些微波器件中会使用定向耦合器， 定向耦合器在如下所示许多微波器件中 都有应用。 平衡混频器 平衡放大器 功分器/合成器 移相器 衰减器 调制器 鉴频器（鉴相器）（Discriminators） 天线阵的馈电网络
2.3定向耦合器参数的定义
如图2.1（a）所示，定向耦合器是一个 四端口网络。假定从端口1为输入端，端 口3为输出端，端口4为耦合端，端口2为 隔离端。假定P1为端口1的输入功率, P1’ 是从端口1反射回来的功率。P2、P3、P4 分别是输出端口3、耦合端口4、隔离端 口2的输出功率。
图1.6
为了比较，图1.6（a）为同频常规3dB 功分器的形状和大小。相对图1.6（a）常 规设计，图1.6（b）所示3dB功分器等效 矩形面积比图（a）减少40%，图1.6（c） 则减少37% 。 为了减少功分器的尺寸，可以采用电 容加载技术，图1.7就是缩短尺寸2功分器 的一种结构形式。图中功分臂的特性阻 抗Z01及加载电容C1、C2可由下式求出：
λ/4
3、缩小尺寸的3dB Wilkinson功分器
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
隔离度等。
(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
(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
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
1—30MHz双定向耦合器的设计与制作
This paper presents the background of this topic at first.Then this paper introduce two kinds of coupling ways of bidirectional coupler.They are serial coupling and parallel coupling.These two kinds of coupling ways are the base of bidirectional coupler.This paper presents two different available circuit structure by combination two different coupling ways introduced in front .This paper deducesin detail the various parameters and comparestheiradvantages and disadvantages.Bidirectional couplerconsisted of two transformers is simple but its isolation is not good.Bidirectional couplerconsisted of three transformers is complex but its isolation is good.
图1-1单定向耦合器（左）与双定向耦合器（右）示意图
综上所述，定向耦合器具有两个主要特性：第一，可以用来耦合或分流信号；第二，耦合或分流是有方向性的。
1．3实现方式
要实现定向耦合器的功能：耦合端有信号，隔离端无信号。最基本的思想是使信号从输入端传输到主线输出端的过程中泄露几部分信号，这几部分信号在耦合端相位相同，因此耦合端输出泄露的信号的叠加，而这几部分泄露的信号在隔离端相位相反，因此隔离端的信号相互抵消，没有信号输出。在基本思想不变的情况下，具体实现方式多种多样，下面列举几类典型的实现方法。
图1-1单定向耦合器（左）与双定向耦合器（右）示意图
综上所述，定向耦合器具有两个主要特性：第一，可以用来耦合或分流信号；第二，耦合或分流是有方向性的。
1．3实现方式
要实现定向耦合器的功能：耦合端有信号，隔离端无信号。最基本的思想是使信号从输入端传输到主线输出端的过程中泄露几部分信号，这几部分信号在耦合端相位相同，因此耦合端输出泄露的信号的叠加，而这几部分泄露的信号在隔离端相位相反，因此隔离端的信号相互抵消，没有信号输出。在基本思想不变的情况下，具体实现方式多种多样，下面列举几类典型的实现方法。
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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RF&MW
步骤四: 利用模拟软件检验,再微调。
6.2.2 集总参数定向耦合器设计实例
设计一个工作频率为400 MHz的10 dB低通L-C支 路型耦合器。Z0=50 Ω,要求S11≤-13dB, S21≥-2 dB, S31≥-13 dB,S41≤-10 dB 步骤一: 确定耦合器的指标,C=-10dB,fc=400MHz, Z0=50 Ω 步骤二: 计算K、Z0s、 Z0p：
RF&am 定向耦合器
6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7
定向耦合器的基本原理 集总参数定向耦合器 耦合微带定向耦合器 应用奇偶模理论分析定向耦合器 分支线型定向耦合器 环形桥定向耦合器 波导定向耦合器
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RF&MW 6.1 定向耦合器的基本原理
RF&MW
6.3.2
平行线耦合定向耦合器的设计步骤: 步骤一: 确定耦合系数C(dB)、 各端口的特性阻 抗Z0（Ω）、中心频率fc、基板参数（εr,h）。 步骤二：计算奇模阻抗和偶模阻抗Z0e和Z0o。
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Z 0e Z 0
1 10C / 20 1 10C / 20 1 10C / 20 1 10C / 20
6.1.1 定向耦合器的技术指标
包括频率范围、 插入损耗、 耦合度、 方向性、
隔离度等。
(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。
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(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。
(5) 隔离度:
描述主路输入端口与耦合支路隔离端口的比例关 系。理想情况下,
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k 10C /10 0.1 Z 0 s Z 0 1 k 47.43 Z0 p Z0 1 k 150 k
步骤三: 利用下列公式计算元件值：
1 C1 8.59 pF 2f c Z 0 s L2 Z0 p 2f c 56.68nH
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D(dB) 10 lg
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RF&MW 6.2 集总参数定向耦合器
6.2.1
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 Z0 P1 Cp 4 P4 Ls Ls 2 P2 Cp 3 P3 4 P4 1 Z0 P1 Lp Cs Cs 2 P2 Lp 3 P3
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步骤三: 利用下列公式计算出元件值: （1） 低通L-C式: Z0s Ls 2f c
1 Cp 2f c Z 0 p
（2） 高通L-C式:
1 Cs 2f c Z 0 s Lp Z0 p 2f c
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(a )
(b )
图 6-2 L-C (a) 低通式； (b) 高通式
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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
Z0s Z0 1 k Z0 p Z0 1 k k
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描述定向耦合器特性的三个指标间有严格的关 系,即方向性＝隔离度-耦合度。
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6.1.2 定向耦合器的原理
2 P2 定向耦合器 3 P3
1 P1 4 P4
图 6-1 定向耦合器方框图
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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：
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RF&MW 步骤四 : 仿真计算。
图 6-3低通L-C支路型耦合器等效电路
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图 6-4 低通L-C支路型耦合器仿真结果
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6.3 RF&MW 耦合微带定向耦合器
6.3.1
通常,它由主线和辅线构成,两条平行微带的长度 为四分之一波长。信号由1口输入,2口输出,4口是耦合 口,3口是隔离端口。 因在辅线上耦合输出的方向与主线上波传播的方向 相反,它也被称为“反向定向耦合器”。当导线1—2中 有交变电流i1流过的时候,由于4—3线和1—2线相互靠 近,4—3线中耦合有能量,能量既通过电场（以耦合电容 表示）又通过磁场（以耦合电感表示）耦合。通过耦合 电容Ｃm的耦合,在传输线4—3中引起的电流为ic4和ic3。
Z 0o Z 0
步骤三: 依据基板参数（εr, h）,利用软件 Mathcad11 计算Z0e、Z0o的微带耦合线的宽度及 间距（W, S）和四分之一波长的长度（P 步骤四: 利用模拟软件检验,再微调。
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RF&MW ④
③
图 6-5平行线型耦合器
i1 1 Cm ic3 3 iL 2
ic4 4
图6-6
耦合线方向性的解释
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同时由于i1的交变磁场的作用,在线4—3上感应有 电流iL。 根据电磁感应定律,感应电流iL的方向与i1的方向 相反, 所以能量从1口输入, 耦合口就是4口。而在3口 因为电耦合电流的ic3与磁耦合电流iL的相位相反而叠 加抵消,故3口是隔离口。
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 2 P S 1 21 P3 1 10 lg 2 P S 1 31 P4 1 10 lg 2 P S 1 41 P3 1 1 10 lg 10 lg I (dB) C (dB) 2 2 P4 S 41 S31