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

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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

Abstract

Reader 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]。RFID技术是在雷达的理念的基础上，并由此进化出来的一类新型自动识别技术。19世纪40年代，哈里斯托克曼所创新的“利用反射功率的通信”从而奠定了无线射频技术的相关基础理论[2]。

无线射频识别系统一般由电子标签（应答器）和阅读器（读头）这两个部分构成。RFID 的现实运用中[10,11]，电子标签贴敷于被识别物体的表面或内部，每当带有着电子标签的被识别物体经过它的可识读范围内，阅读器可以自己用非接触的方式将电子标签中的识别信息提取，进而达到自动收集物品标志信息或自动识别物品的性能。

RFID技术起始于上个世纪90年代，它是一个新的自动化识别技术，而且发展迅速且得到了很大的肯定。RFID是一类新型的无接触识别技术，它运用发射射频信号经过空间的耦合来自动识别需要识别的物体。RFID技术相比于早期的识别技术如IC卡等最大的优势在于其并不需要与待识别物体接触就可以实现自动识别的功能，因此这一技术在射频通信领域得到了十分迅速的发展。无线射频识别技术应用范围非常大，如制造，信息，材料等新技术方面，也覆盖了无线通信，芯片设计，集成系统，信息安全等层面。在21世纪初，美国，欧洲等西方发达国家及地区已申请了数千项涉及到RFID的专利。因而，我国目前将RFID技术的列入深入研究已经是迫不及待且有着十分重大的影响。

RFID技术的研究迅速依赖着很多技术的共同进步。其所涉及的关键技术包括：芯片、无线接收发、电磁传播、数据转换和编码等。RFID技术的发展路程已经跨过50个年头，21世纪的这些年中它的发展很快。伴随技术的迅速发展，RFID衍生物品的类别将会越来越多，而随之而来的应用也会更多。能够想象到，今后的岁月中，RFID技术仍继续维持以这种快速的发展趋势[9]。

1.2RFID系统基本介绍

RFID的实现形式如下1-1，它的构成由读写器，电子标签和后台数据管理系统这个三个

模块[4]。该系统的基本原理为：读写器利用天线发射指定频率的射频信号给电子标签，电子标签运用耦合机制反馈数据信息于读写器，再经过后台数据管理对数据信息进行相关处理和分析并发出有关的处理信号给射频终端设备。

图1.1 RFID的基本结构图

读写模块和信号发射接收这两块构成了阅读器，而读写模块又由读写电路和读写程序这两块组成，读写器则是用来链接应答器和应用系统，信号发射和接收部分由射频信号放大器、滤波器、检波器及发射天线等几部分共同构成[5]。RFID系统的标签是芯片电路和元件两块所构成。标签是含有识别信息且有具有表明身份信息的编码，标签由天线、电容和芯片等几个部分组成。对于标签的种类，当今市面上的标签有下面几种：无源、有源和半有源半无源。后台数据管理系统承担的主要职责是对数据信息进行存储及处理操作，此系统可以是功能唯一的本地软件，也可以使用集成了无线射频识别系统管理模块的分布式ERP管理软件来替代[7]。

一个完整的RFID系统的运行过程如下，读写器天线连续将指定频率的信号发射到周围的空间当中去，每当在读写器的可识读范围内进入了具有电子标签的识别物体时，此时电子标签内的天线和线圈能够感应出相应的感应电流。此时，电子标签就会利用感应出来的电流为自己提供能量，使得标签芯片内存储的待识别物品的数据信息由标签天线发射出去，当读写器天线接收到电子标签返回的电磁信号时，把该电磁信号经过检波和解码，再将接收到的数据信息反馈给后台的数据库管理系统进行数据分析和整合处理，然后管理系统将所获得的识别物数据信息和自身数据库数据进行比对，最终完成对待识别物的识别目的[2-4]。

1.3RFID系统现状和进展

1.3.1RFID系统使用现状

目前国际上使用的RFID系统的工作频段主要包括低频（LF）、高频（HF）和超高频（UHF）以及微波频段这四个不同的频段[7]。低频RFID系统主要工作频段是100kHz-500kHz，通常用的工作频率是125kHz和134.2kHz两种；高频RFID系统主要工作频段是10MHz-15MHz，比较常用的工作频率是13.56MHz；超高频RFID系统主要工作频段是850MHz-960MHz，比较常用工作频率是915MHz；微波RFID系统主要工作在2.4GHz-5Ghz频段。具体情况见表1.1[12]：

表1.1 不同频段的RFID系统详情

1.3.2RFID系统中读写器收发隔离技术的重要程度

众所周知，RFID系统中读写器和电子标签之间是用数字信号信息进行传输和交换的，射频标签和读写器中的天线只能发射和接收模拟信号，那么，首当其冲的就是要把数字信号变换成模拟信号然后经天线发射出去。而在收发具有相同频率的RFID系统中，读写器的发射信号和接收端的接收信号难免要产生同频互扰，此时读写器的抗干扰能力的强弱就对整个RFID系统的使用质量就起着非常重要的影响。读写器的抗干扰能力具体体现在读写器的收发隔离性能方面。因此，读写器天线的收发隔离性能的好坏直接决定了整个RFID系统的运行质量的好与坏，如果读写器天线的收发隔离性能较差，就会造成接收端接收到天线发射端的同频强信号，从而对信号接收机进行干扰，造成信号处理出现误码，对整个RFID系统的正常使用产生了严重的危害[13,14]。

RFID系统中至关重要的一部分就是读写器，它的结构图如下1.2所示，它的好坏将会对整个RFID系统都产生一定影响。常见的RFID系统中采用环行器作为收发隔离器来提升隔离度，然而环行器是基于铁氧体制作而成的，成本高，体积大，隔离度较低，并不满足RFID 读写器的隔离度要求[43-45]。

图1.2 读写器结构图

为了能够提升该器件的隔离度，常见改进如：一种是改变天线自身的结构来提升隔离度的性能[6-8]；一种是提高天线前端馈电网络的隔离性能来提升系统收发隔离度[16-18]。而关于天线结构的改变是非常有限的，所以当今研究的重点都放在了馈电网络上。目前最流行的方法是：采用3dB定向耦合器作为馈电网络产生两个同频、同功率、相位差为90度的正交线极化波，然后组成一个圆极化波。这样，关于3dB定向耦合器的隔离度的研究就成为了RFID 系统收发隔离度的关键[19,20]。

1.4本文的主要工作及内容安排

本文主要工作是针对RFID系统的需求，研究如何改进提高定向耦合器的隔离度指标，在多种不同结构的传统定向耦合器中，本文选择了3dB微带分支线定向耦合器作为基本结构，研究了通过在耦合端口添加一条短路微带线来改进隔离度指标的设计方案。根据该设计思路本文首先在双分支微带线定向耦合器的基础上，通过数值仿真进行优化设计，成功地设计出了一款高隔离度分支线定向耦合器。在此基础上又进行了实验样品的加工测试，并通过实际测量验证了设计方案的正确性和可靠性。然后，本文又进一步将该设计思路应用于三分支定向耦合器，结果表明采用三分支定向耦合器通过添加一条短路微带线可以获得更好的技术指标，特别是工作带宽可以获得显著的改善。本文具体章节安排如下：

第一章，主要从结构，工作原理等内容对RFID系统作了系统的描述，同时根据有内外

RFID系统的背景和发展趋势对RFID系统的重要性进行详细的分析，并对该结构中读写器收发隔离度的重要性进行了分析。

第二章，先简单说明了定向耦合器的主要特性，并着重描述了定向耦合器的相关原理，并对定向耦合器运用网络分析；再对当今经常运用的几种定向耦合器分别作了简介；重点对3dB双分支定向耦合器作了介绍，运用奇偶模分析法对其基本结构进行了电路分析；最后用ADS仿真了一个中心频率为915MHz的3dB双分支线型定向耦合器，同时给出仿真结果。

第三章，先设计出了一种耦合度为3dB的双分支定向耦合器并将其进行建模优化。其次，重点研究展示了一款微带短路分支线定向耦合器，并对此结构进行HFSS建模仿真，同时对此微带短路分支线定向耦合器的参数进行分析及优化，得出短路分支线对定向耦合器隔离度性能的提高。最后对优化后的短路分支线3dB定向耦合器和传统的双分支3dB定向耦合器进行分析对比，由分析结果可知短路分支线定向耦合器的各项性能都比传统的双分支线定向耦合器有了较大的提升。

第四章，本章主要是将前一章设计的微带短路分支线定向耦合器加工成实物，并用适量网络分析仪对其性能进行测量分析；将测量结果与此前仿真结果进行分析对比，得出实物的测试性能与仿真结果大致相同，并对此次实物的测量值和仿真值的误差进行了简要分析，并得出结论。

第五章，在第四章的基础上，为了更好的提高耦合器的隔离度和工作带宽，提出了一种常见的方法：增加耦合路径，并设计一款3dB微带三分支线定性耦合器，仿真后验证了作者的猜想。将第三章提高隔离度的方法运用到三分支定向耦合器研究出一款改进型的定向耦合器：3dB微带短路三分支线型定向耦合器，对该耦合器作了重点建模和结果分析，并将微带短路三分支线定向耦合器和短路双分支线定向耦合器进行比较，发现此耦合器所有性能参数都能够提高很多。

第六章，对本文主要研究工作的内容总结，并对过程中出现的问题作了分析，最后对下一步工作提出展望。

第二章 定向耦合器基本原理

2.1 定向耦合器工作原理

2.1.1 定向耦合器基本特性

定向耦合器是一种无源微波器件，其功能是功率组合分配或功率组合，如下2.1所示。定向耦合器可使一路输入信号P 1变成具备一定比例关系的两路小功率的信号P 2和P 3，同样也可以将具备一定比例关系的两路功率较小的信号P 2和P 3汇合成一路信号P 1输出[8]。

图2.1 耦合器示意图

定向耦合器在微波系统领域的应用非常广泛，比如调制器、混频器及天线中信号合成与信号分离都有涉及。它既可是如图2.1所示的无耗的或者有耗的三端口器件，也可以是四端口或者多端口网络。经常运用的有三端口和四端口结构。三端口网络比较常见如T 型结或其他功率分配器形式，而四端口网络一般常见的是定向耦合器及混合网络结构[46]。

23

图2.2 定向耦合器平面示意图 定向耦合器如上图2.2，上图中1-2和4-3分别是两根普通的线，而这两根线间包含一定的耦合机制，若信号能量经过1端口输入，由耦合器的功率分配比可知，一些信号能量从端口2输出，而另一部分被耦合到了4-3传输线中，并从3端口或4端口输出。如若3端口是信号输出端口，那么端口4则是隔离端口，称作“同向定向耦合器”，因其信号在1-2及4-3传输线上同向传输；同理，当信号由端口4输出，且端口3没有信号输出时，那么称作“反向定向耦合器”。以耦合方式可归分为单孔耦合、连续耦合、多孔耦合、支线耦合、环耦合等；

以输出相位可以归划成o 90定向耦合器和o 180定向耦合器等[2]。

2.1.2 定向耦合器理论分析

分析四端口网络，若设网络是互易并且各个端口都匹配[21]，那么S 矩阵就为：

??????????????=0000][342414342313242312

141312S S S S S S S S S S S S S (2.1)

当网络是无耗的，使矩阵中的第一行和第二行以及第三行和第四行进行乘法运算：

024*1423*13=+S S S S (2.2)

023*2413*14=+S S S S (2.3) 现以S 24*乘式(2.2)，以S 13*乘式(2.3)，并用二者所得答案进行减法运算，得出

0)(2

24213*14=-S S S (2.4)

同样由矩阵第一行和第三行及第二行和第四行展开乘法运算得：

034*1423*12=+S S S S (2.5)

023*3412*14=+S S S S (2.6) 现以S 12乘式 (2.5)，以S 34乘式(2.6)，并用二者所得结果进行减法运算，得到

0)(2

3421223=-S S S (2.7)

同时满足式(2.4)和式(2.7)时的情况是：假设S 14=S 23=0，此时结果四端口网络则为定向耦合器。则其[S]矩阵变为：

?????

???????=000000003424341324121312S S S S S S S S S (2.8) 然后，将所得幺正矩阵的每一行进行自乘，能够得到以下关系式：

12

13212=+）（S S (2.9) 1)(224212=+S S (2.10) 1)(234213=+S S (2.11) 1)(234224=+S S (2.12)

由式(2.9)和(2.10)可得：2413S S =，同样的也可由式(2.11)和(2.12)得：3412S S =。

假设其中三个端口输出信号的幅度值和相位值，可将上面方程做进一步简化。假设

α==3412S S ,θβj e S =13和?βj e S =24，其中α和β是实数、θ和?则是待求的相位常数。

把式 (2.8)的第二行与第三行进行乘积运算得：

034*2413*12=+S S S S (2.13)

将α==3412S S ，θβj e S =13和?βj e S =24带入上式可得

0)(=+-?θαβj j e e (2.14) 从而可得出待求的相位常数θ，?两者存在和的等式：

ππ?θn 2+=+ (2.15) 倘若略去π2的整数倍，在实际应用中应据相位常数关系的不同，能得到两种定向耦合器的形式：

1) 对称耦合器：/2π?θ==，如果含有实数β的所有项的相位相等。则矩阵就变成了以下形式：

0000

00

00

α

β

αββαβαj j j j S = (2.16) 2) 反对称耦合器：π?=，如果振幅β的所有项的相位差为180度。则矩阵就变成了下式：

000000

00

α

βαβ

βαβα--=S (2.17) 特别留意，此两类耦合器的唯一的不同就是参考平面的选取不同。此外，振幅α和β应满足式(2.9)，则有：

122=+βα (2.18)

符合式(2.4)和式(2.7)还有另外一类方法：假设1324=S S 和1234=S S 。使用相同的办法，如果选择相位参考点，使1324α==S S 和1234β==S S j （满足式（2.15）），则由式（2.2）可得：

2314()0α*+=S S ；由式（2.5）可得：1423()0β*+=S S 。联立两个式子得出两个方程的解：一个是14230==S S ，这就与之前定向耦合器的答案相等；另一个解是当0αβ==时，意味着121324340====S S S S 。则就成了两个去耦合二端口网络的情况（端口1与端口4，端口2与端口3），对此不再做进一步讨论。基于以上推导，可以得到以下结论：只要任意四端口网络可以使得互易、无耗、匹配这三个条件成立则就是一个定向耦合器[22]。

2.1.3 定向耦合器的技术指标

如下2.3描述了定向耦合器的功率传输流图，结合上述公式推导，若端口1输入功率时，一部分能量耦合至端口3即耦合端口，另一部分能量传送至端口2即直通端口。在没有泄漏信号的定向耦合器中，无能量于端口4（隔离端口）输出。

图2.3 定向耦合器的功率流图

用端口1输入情况分别列出了定向耦合器的常用参数指标的定义。

（1）耦合度：当每个端口都端接匹配负载时，输入端口1的输入功率1P 除以耦合端口3的输出功率3P 的值。

耦合度一般简记为C ，并以dB 单位，即 βlg 20lg 10)(3

1-==P P dB C (2.19) 按式(2.19)的定义，耦合度是3dB 的定向耦合器的耦合端口输出功率是输入端口输入功率的二分之一，耦合度为10dB 的定向耦合器的耦合端输出功率是其输入端口输入功率的1/10。由此可见，耦合度的值低，则耦合能力强。定向耦合器耦合度并不是越低就越好，而是要根据实际情况来决定[23]。

（2）隔离度：隔离端口的功率除以输入端口的功率。

通常隔离度为I ，并以dB 为单位，即

144

1lg 20lg 10)(S P P dB I -== (2.20) 隔离度是用来表明信号能量由隔离端口4输出状况的参量。理想中定向耦合器的隔离度应当是趋于无穷大∞→I ，而在实际工程应用中是无法实现端口4的完全隔离，这就要求工程设计中定向耦合器的隔离度值尽量更高，那么定向耦合器就可以有较好的整体性能。

（3）方向性：当定向耦合器的所有端口都处于无反射时，定向耦合器的耦合端3输出功率和泄露到隔离端4信号功率之比。

通常方向性为D ，并以dB 为单位，即

14

43lg 20lg 10)(S P P dB D β== (2.21) 理论上，定向耦合器泄露到位于端口4信号的功率趋向于0，方向性应该等于无限大。∞→D 。不过在实际情况下，定向耦合器的隔离端口并非完全没有能量流出，端口的不完全匹配、耦合线的不连续性和容差都会使得少部分能量从隔离端口流出。所以方向性是不能实现其值是无限大的。

方向性，耦合度和隔离度存在一定的联系，隔离度在数值上等于耦合度与方向性相加，即：

C D dB I +=)( (2.22)

（4）输入驻波比：当2，3，4这三个端口都端接匹配负载时端口1的电压驻波比。 通常记为VSWR ，即

1111

11ρ+=-S S (2.23) （5）频带宽度：当定向耦合器的耦合度、方向性、隔离度及输入电压驻波比同时满足相应指标要求时。耦合器的工作带宽。

2.2 常见定向耦合器的介绍

常见的定向耦合器主要有：平行耦合线定向耦合器，波导定向耦合器，分支线定向耦合器，环行定向耦合器等。

2.2.1 平行耦合线定向耦合器

若两根没有屏蔽的传输线相距一定距离时，两根线之间会存在电磁耦合的效应，将一根传输线上的能量耦合到另一根传输线上，通过根据耦合的电磁能量来设计特定耦合度的平行耦合线定向耦合器。

1324主线

副线

图2.4 平行耦合线定向耦合器 众所周知，TEM 波传输线定向耦合器最显而易见的耦合器就是平行耦合线定向耦合器。图2.4给出了一节四分之一波长平行耦合线定向耦合器的平面示意图，该耦合器由两个宽度一样的耦合传输线组成，此耦合线的大小是四分之一中心频率处波长，各端都接匹配负载Z 0。实际运用中，一般用微带线或是带状线来构成这种平行耦合线定向耦合器[23]。

表2.1 耦合器各端口间相位存在关系图

2.2.2 波导定向耦合器

（1） 倍兹孔定向耦合器

现今的定向耦合器的工作特点皆是由两个分开的波存在一定的耦合机制在耦合端口相位叠加，同时在隔离端口产生相位相消原理。最简单的耦合器就是在两个波导公共宽壁上开一个小孔，经过此小孔耦合电磁波从一个波导传输至另一个波导，这种耦合器就是倍兹孔（Bethe hole ）定向耦合器。此定向耦合器存在两类不一样的应用：平行波导和斜交波导。如图2.5所示：

(a)

(b)

图2.5 倍兹孔定向耦合器的两种结构

通过小孔理论知道，利用电荷磁耦极矩构成的等效源可以来替换一个耦合孔[24]。其中，横向磁耦极矩在耦合波导中的幅射表现为奇对称关系，法向的电偶极矩与轴向的磁耦极矩的能量辐射呈现对称关系。可以改变这两个等效源的振幅大小使辐射到隔离端口的电磁相消，从而加强了辐射到耦合端口的电磁波。对于图2.5(a)的平行波导定向耦合器，其中两个波导尺寸相同且平行的，具体控制输出端口波振幅的方法是改变耦合孔与公共波导的距离；而对于图2.4(b)的斜交波定向耦合器，它控制输出端口波振幅的方法跟平行波导有所区别，它通过改变两个斜交波导之间的夹角来控制振幅。

（2）多孔定向耦合器

单孔耦合器结构虽然简单，但它的缺点是工作带宽非常的窄。为了满足宽带宽的要求，一种提高工作带宽的方法就是在耦合器的公共窄壁上添加一些耦合孔，利用这些耦合控之间的相位叠加原理可以一定程度上改善工作带宽。

132

4

图2.6 双孔定向耦合器立体示意图

如上图2.6所示，最简单的波导多孔定向耦合器是只含两个孔的双孔定向耦合器，两孔之间的距离为四分之一波导波长。若有信号经端口1输入，在主波导中就有H 10波传输，鉴于H 10波在窄壁上只有纵向磁场分量，因此通过每个孔都只有一种耦合波，倘若要在副波导中形成定向耦合，至少需要开两个孔[23]。

为了拓展波导定向耦合器的工作带宽，可以从降低耦合器方向性对频率的敏感性出发，比如增加耦合孔的数量，这就是形成了多孔定向耦合器[13]。在多孔定向耦合器结构中，N 个耦合孔会激励起N 个正向波和N 个反向波，通过调整耦合孔间距来使得叠加这N 个反向波从而相抵消。耦合孔越多，反向波相消可能性就越大，如此一来耦合器性能对中心频率的依赖性越小，从而可以使得定向耦合器在更宽的频率周围内保持较好的方向性与隔离性。所以多孔定向耦合器拥有较大工作带宽。

2.2.3 分支线定向耦合器

众所周知两根平行的传输线就可以组成分支线定向耦合器，并分为主副通道，主副通道利用两个或多个支线来建立耦合机制的定向耦合器。以双分支定向耦合器为例，其中各分支线的长度和分支线之间的间距都是1/4波导波长[25]，其结构示意图如下2.7：

1

234A D B C

图2.7 双分支线定向耦合器平面图

分支线定向耦合器的基本特性可以这样描述：当这四个端口都端接匹配负载时，输入的信号经1端口等分地传输到2端口和3端口，并在这两个端口间存在着90度相差，同时4端口则被隔离。注意，分支线定向耦合器具有很高的对称性，四个端口都可设为输入端口，那么输出端口一定是位于该网络输入端口的不在一侧对称的一 边，输入端一侧剩下的那一个端口就是隔离端口。

假设信号经1端口输入，那么该信号经A 点到D 点有两个方式：一是由A 直接到D ，波程为1/4波长；二是沿着A 到B 到C 然后传输到D ，总波程为四分之三波长[23]。明显可以看出沿着两条不同路径传输到D 点的两路波的波程之间差是二分之一波长，而与此对应的相位差为π。假如通过选取每一段传输线的特性导纳，使得此两路波的电压振幅相等，那么两者相消，则4端口即为隔离端口。总之，当1端口进入信号时，2端口则是直通端，3端口则是耦合端，4端口则是隔离端。

2.2.3 环形定向耦合器

环形定向耦合器实则为一种180度混合网络制成的耦合器，180度混合网络是一种四端口网络，其两个输出端口之间存在180度相移。环形定向耦合器，如下图2.8所画，由一个闭合圆环微带线与四根传输线链接而成，其中，圆环微带线周长是三分之二个波导波长，特性阻抗大约为1.414Z 0，圆环周围4根传输线的特性阻抗为Z 0，1端口到2、3端口间距和3端口到4端口间距均为四分之一波导波长，2端口到4端口间距为3/4个波导波长。当有信号入射到1端口时，且另外三个端口都端接匹配负责时，则在2端口和3端口输出等功率输出，4端口被隔离[22]。

1

2

3

4

图2.8 环形定向耦合器的平面示意图

2.33dB微带分支线定向耦合器理论分析

由2.2.3节对分支线定向耦合器的介绍可以知道，这种分支线混合网络直通和耦合壁之间有着90度的输出差。根据第二节对于定向耦合器的基础分析，可以知道微带3dB分支线定向耦合器[S]矩阵形式如下：

010

001

1

100

010

j

j

S

j

j

??

??

??

=

??

??

??

(2.24)

分支线定向耦合器通常要做成微带线结构，如下2.9所示为微带双分支线定向耦合器的结构：

输入

1

直通

2

隔离

4

耦合

3

图2.9 双分支线微带定向耦合器平面结构图

下面重点采用奇偶模分析法对3dB双分支线微带定向耦合器进行详细分解[22]。

首先画出图2.10的归一化双分支微带线定向耦合器的电路图。图中每根线都是一条传输线，线上表示的阻抗值是用Z0归一化的值。若假定端口1的输入电磁波的振幅A1=1。