波导定向耦合原理ppt课件
第6章 定向耦合器modified
图6.10 分支线耦合器电路分解为偶模和奇模 (a)偶模 (b)奇模
第6章 定向耦合器
考虑偶模二端口电路Γe和Te的计算，利用A矩阵和S矩阵的 关系 (6-23) 则 (6-24a) (6-24b) 同样对于奇模有 (6-25) (6-26)
第6章 定向耦合器
将(6-24)和(6-26)代入(6-22)中，有
，此时(6-4)转化为 (6-6)
意即只要(6-5)式满足，则端口①(由对称性，其余端口一样)将 是匹配的。在满足(6-5)时，端口③的电压是 (6-7) 采用(6-2)和(6-5)得 (6-8)
第6章 定向耦合器
定义C为 (6-9) 则 将上两式代入(6-8)中可得 (6-10) 同样我们能证明 (6-11) 以及 (6-12) 根据(6-10)和(6-12)可以作出耦合端口和直通端口电压随频率的 关系曲线，如图6.6所示。
第6章 定向耦合器
2.耦合线耦合器的设计
分析方法：偶-奇模分析技术与线的输入阻抗相结合 单端耦合线耦合器及其示意性电路如图6.4所示，其中端 口①的激励可视为偶模和奇模激励之和。由于对称性，对于偶 模，可认为 I = I , I = I , V = V , V = V ，如图6.5(a)所示；而奇模则 满足 I = − I , I = − I , V = −V , V = −V ，如图6.5(b)所示。
图6.2 (a)边耦合带状线 (b)宽边耦合带状线 (c)耦合微带线
第6章 定向耦合器
三线耦合线可用图6.3所示的结构来表征。若假定传输 TEM模，则耦合线电特性仅决定于线间等效电容和线上电磁波 的传播相速。
考虑耦合线的两种特殊的激励类型,如图6.4所示： •偶模：两带状导体上电流的幅值相等，方向相同 偶模电容 偶模阻抗 •奇模：两带状导体上电流的幅值相等，方向相反 奇模电容 奇模阻抗
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。
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常见的微波器件，广泛应用于无线通信系统、雷达系统、卫星通信系统等领域。
它具有将微波能量从一个波导传输到另一个波导的功能，同时能够实现对微波能量的定向耦合和解耦。
在本文中，我们将详细介绍定向耦合器的工作原理。
定向耦合器通常由主波导、辅助波导和耦合装置组成。
主波导和辅助波导分别用于传输微波能量，而耦合装置则用于实现微波能量的定向耦合和解耦。
在定向耦合器中，主波导和辅助波导之间通过耦合装置进行能量的传输和耦合。
当微波能量从主波导传输到辅助波导时，耦合装置将一部分微波能量耦合到辅助波导中，同时将剩余的微波能量继续传输到主波导中。
这样，就实现了微波能量的定向耦合。
定向耦合器的工作原理可以通过电磁场理论来解释。
当微波能量在主波导中传输时，会产生一定的电磁场分布。
而耦合装置的设计则能够利用这种电磁场分布，实现微波能量的定向耦合和解耦。
通过合理设计耦合装置的结构和参数，可以实现不同程度的定向耦合效果，从而满足不同的应用需求。
除了电磁场理论，定向耦合器的工作原理还涉及到微波传输理论和波导理论。
在微波传输过程中，波导的特性对能量的传输和耦合起着重要作用。
定向耦合器的设计需要考虑到波导的特性，以实现高效的微波能量传输和定向耦合。
在实际应用中，定向耦合器还需要考虑到频率响应、功率损耗、耦合效率等因素。
通过优化设计，可以实现定向耦合器在特定频率范围内的高效能量传输和定向耦合。
同时，定向耦合器还需要考虑到耦合装置的制造工艺和材料选择，以实现稳定可靠的性能。
总之，定向耦合器是一种重要的微波器件，它通过合理设计的耦合装置，实现了微波能量的定向耦合和解耦。
在实际应用中，定向耦合器的工作原理涉及到电磁场理论、微波传输理论和波导理论等多个方面。
通过深入理解定向耦合器的工作原理，可以实现对其性能的更好把控和优化设计，从而满足不同应用场景的需求。
定向耦合器的工作原理
定向耦合器的工作原理
定向耦合器是一种广泛应用于微波和光纤通信系统中的耦合器。
它可以将输入信号耦合到特定的输出端口上，而忽略其他端口的信号。
定向耦合器的工作原理基于两个相互作用的波导。
通常，一个主波导拥有一个或多个辅助波导。
输入信号通过主波导输入，并根据耦合器的设计，耦合到特定的辅助波导上。
定向耦合器的设计需要考虑特定的耦合比例。
耦合比例决定了输入信号在辅助波导中的功率分配情况。
通常，定向耦合器被设计为在几个特定的频率范围内实现理想的耦合比例。
当输入信号通过主波导时，它会遇到与辅助波导的耦合结构相互作用。
这个相互作用通常是通过耦合窗口或者耦合插入件实现的。
耦合窗口或耦合插入件被设计为在特定频率范围内产生最大的垂直耦合效率。
定向耦合器的一个重要性能参数是其插入损耗。
插入损耗是指输入信号在经过耦合器时损失的功率。
通常，设计者会尽量降低插入损耗，以便提高整体系统的性能。
总之，定向耦合器是一种常用的耦合器，它通过特定设计的主波导和辅助波导相互作用，将输入信号耦合到特定的输出端口上。
它在微波和光纤通信系统中扮演着重要的角色，能够实现理想的耦合效果和较低的插入损耗。
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。
Research Institute of RF & Wireless Techniques
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
South China University of Technology
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 )
《波导RLC元》PPT课件
• 它在实现系统某一部分呈现行波状态的同时，并 可吸收无用的或漏泄的信号。比如定向耦合器的 隔离端就要接用匹配负载，环流器的非输入输出 端也要接匹配负载。在微波测量系统中，也经常 需要匹配负载建立系统的行波状态。
精选PPT
2
1 工作原理
• 一般在一段终端短路的波导内放置一块或几 块劈形吸收片, 用以实现小功率匹配负载, 吸 收片通常由介质片（如陶瓷、胶木片等）涂 以金属碎末或炭木制成。
§4.3 波导RLC元件
• 与普通电路一样，波导系统中需要有电阻 （R）、电感（L）和电容（C）性元件，用 以实现对传输信号幅值、相位的调控及对 信号频率的选择等。
• 对它们的基本要求除了各自的功能外，还 要求因它们的接入而引起的反射小，它们 可正常工作的频带要宽。
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1
一匹配负载
• 匹配负载是一种几乎能全部吸收输入功率的单端 口元件。
1 cos4
40lg | cos | (dB)
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21
三 电抗元件
• 微波系统中的电抗元件，其构成原理都是 利用微波传输线的结构、形状及尺寸的不 连续性来实现的。
• 电抗元件包括能够集中和储存磁场能量的 电感性元件，和能够集中和储存电场能量 的电容性元件。
• 以下选择其中典型和常用者介绍。
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7
举例
• 比如波导失配负载，就是将匹配负载的波 导窄边b制作成与标准波导窄边b0不一样, 使之有一定的反射。
• 例如: 3 cm的波段标准波导BJ-100的窄边为 10.16 mm, 若要求驻波比为1.1和1.2, 则失配 负载的窄边分别为9.236 mm和8.407 mm。
波导光学第二章 光波导耦合理论与耦合器
1
光耦合的介绍:
➢光耦合：使光信号从一个光学元 件进入到另一个光学元件
➢耦合器：实现光耦合的元器件统 称为耦合器，集成光学中常用的 耦合器有棱镜，光栅，楔面等。
平板波导模式分布-导模
Cladding
Core
qi
Substrate
导模的特点： • 包层的场成指数衰减。 • 传播常数取分立的值。 • 理论上没有损耗。 • 各个导模正交。
光波导的纵向非均匀性
光波导的纵向不均匀起因：制作不完善；使用时引入；人为引入
芯包分界面不均匀
芯子直径纵向变化 重力影响导致的光纤纵向受力不均，引 起几何尺寸和折射率分布不均匀
制作不完善 ∆纵向不均匀
使用时引入
人为引入：光纤光栅， 重要的光纤器件！
定向耦合器（Directional Coupler）
Input waveguideRin A
B Rout Output waveguide
Coupling region
1
3
D
s
2
4
A0
ZL
x axis
B0
y axis
z axis
波导中传输的导模在芯层外的倏逝场由于相互作用产生耦合，引起波导间模式功 率的相互转移。
8
模式耦合
同向耦合
模式耦合
导波模
应用实例：方向耦合器、Y分支、MZ
E(x, y) Em* (x, y)dxdy
2
功率耦合效率 m
Am 2
E(x, y) E*(x, y)dxdy
E(x, y) Em* (x, y)dxdy E(x, y) E*(x, y)dxdy
13
定向耦合器1
S13 S24 S31 S42 0
成都信息工程学院电子工程系
RF&mw
RF&MW
由结构对称，还有
S14 S23 ,S12 S43
各端口匹配且网络无耗互易，则S矩阵为
0 0 j 0 j 0 S 0 j 0 j 0 0
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RF&mw
6.4 RF&MW 应用奇偶模理论分析定向耦合器
设有幅度为1的波从端口1输入，分解为奇偶模激励
-20
m3
m3 freq=750.0MHz m4 m4 -30 freq=750.0MHz dB(S(3,1))=-24.785 dB(S(1,1))=-34.557
-40 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
freq, GHz
图 6-8平行线型耦合器仿真结果
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RF&mw
* S13 S12 0
S S
* 13 12
为纯虚数，令 S12 S13 j
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RF&mw
RF&MW
则
2＋ 2 1
故这类耦合器的S矩阵为
0 j 0 00 j S j 00 0 j 0
Z 0e Z 0 1 10 C / 20 69 .37 C / 20 1 10 1 10 C / 20 1 10
C / 20
Z 0o Z 0
4定向耦合器
1 C 1 C
1 C Z 0o Z 0 1 C Z 0e Z 0o (C ) Z 0e Z 0o
步骤三: 依据基板参数（εr, h）,利用软件 ADS 计算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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b1e S11S12 S13 S14 1/ 2 b S S S S 2 e 12 11 14 13 0 b3e S13 S14 S11S12 0 b4 e S14 S13 S12 S11 1/ 2
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、幅度平衡度、相位一致性等。
(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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b1e b4 e e S11 S14 a1e a4 e b2 e b3e Te S12 S13 a1e a4 e
由于对称，1—2和3—4可看作两根独立且完全相同
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RF&mw
RF&MW e 和 Te 是其中之一的反射系数和传输系数 的波导，
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
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§5.1 耦合模方程
（简介1）
Z
nf1 ns
பைடு நூலகம்
nf2
x
设传播方向为Z，折射率分布与Z无关。波导中 第 阶导模场 i Z E E ( x , y ) e
i Z H H ( x , y ) e
§5.1 耦合模方程 2011年2月
第五章 波导定向耦合原理
（简介2）
da ( Z ) 2 i a ( Z ) ik a ( Z ) 2 2 1 dZ
§5.1 耦合模方程 2011年2月
第五章 波导定向耦合原理
推导A1(Z)、 A2(Z)随Z的变化：
将
i 1Z a ( Z ) A ( Z ) e 1 1 i2Z a ( Z ) A ( Z ) e 2 2
§5.1 耦合模方程 2011年2月
第五章 波导定向耦合原理
设波导2对于波导1的耦合系数为k1， a1(Z)随Z的变化的表达式可以写成：
da ( Z ) 1 i a ( Z ) ik a ( Z ) ?? 1 1 2 dZ
类似，设波导1对于波导2的耦合系数为k2， a2(Z)随Z的变化的表达式可以写成：
§5.1 耦合模方程 2011年2月
第五章 波导定向耦合原理
得到耦合模方程
（简介4）
dA 1 i( Z ] 1A 2 exp[ 1 2) dZik dA 2 ik i( Z ] 2A 1 exp[ 1 2) dZ
k1、 k2 是耦合系数。1、2是波导的传播常数。 k1 、k2取决于波导结构、参数、机制、耦合过程。
i Z i Z 1 1 da ( Z ) d [ A ( Z ) e ] de dA ( Z ) i Z 1 1 1 1 A ( Z ) e 1 dZ dZ dZ dZ dA ( Z ) i Z 1 1 i a ( Z ) e 1 1 dZ
第五章 波导定向耦合原理
波导定向耦合 原理
第五章 波导定向耦合原理
第五章
波导定向耦合原理-简介
耦合:能量从一个波导传输到另一个波导。
能量从波导一个部分传输到另一个部分。
一种模式的能量转化成另一种模式能量。 第五章主要内容： 平行邻近两波导耦合模方程、耦合
第五章 波导定向耦合原理 2011年2月
第五章 波导定向耦合原理
§5.1 耦合模方程 2011年2月
第五章 波导定向耦合原理
不考虑相邻波导场的扰动，波导1、2中的光波 模式分别可以写成： i Z 1 E E e 1 10 i Z 1 H H e 1 10 则
i Z 2 E E e 2 20 i Z 2 H H e 2 20
两波导平行邻近。两导模场由于耦合而产生微扰。
？
模场
模场
nf1 ns
nf2
§5.1 耦合模方程 2011年2月
第五章 波导定向耦合原理
（简介3）
将波导1、2的场相对之间的作用视为微扰（弱耦 合，耦合场<<本征场)，可以将每个波导中的场视为两 个波导中的导模场的叠加 E A ( Z ) E A ( Z ) E 1 1 2 2 H A ( Z ) H A ( Z ) H 1 1 2 2 式中，E1 、E2 、 H1 、H2 是波导未经微扰的场分 布。A1(Z)、 A2(Z) 表示相应的振幅。
i Z i Z 1 2 E A ( Z ) E e A ( Z ) E e 1 10 2 20 i Z i Z 1 2 H A ( Z ) H e A ( Z ) H e 1 10 2 20
i 1Z a ( Z ) A ( Z ) e 1 1 i2Z a ( Z ) A ( Z ) e 2 2
代入上式
i Z 1 d [A ( Z ) e ] 1 i a (Z )ik a (Z ) 1 1 2 dZ i Z 2 d [ A ( Z ) e ] 2 i a (Z )ik a (Z ) 2 2 1 dZ
§5.1 耦合模方程 2011年2月
第五章 波导定向耦合原理
dA1 ( Z ) i 1 Z i 1 Z e A ( Z ) ( i ) e i a1 ( Z ) ik 1 a 2 ( Z ) 1 1 dZ dA2 ( Z ) e i 2 Z A ( Z ) ( i 2 )e i 2 Z i a ( Z ) ik a ( Z ) 2 1 2 2 1 dZ dA1 ( Z ) i 1 Z e i 1 a1 ( Z ) i a1 ( Z ) ik 1 a 2 ( Z ) dZ dA2 ( Z ) e i 2 Z i a ( Z ) i a ( Z ) ik a ( Z ) 2 2 2 1 dZ dA1 ( Z ) i 1 Z i 2 Z e ik A ( Z ) e 1 2 dZ dA2 ( Z ) e i 2 Z ik A ( Z )e i 1 Z 2 1 dZ
§5.1 耦合模方程 2011年2月
第五章 波导定向耦合原理
k1 0
() () e Z ( E1 H 1 E1 H 1 )dxdy
§5.1 耦合模方程 2011年2月
设
第五章 波导定向耦合原理
则
E a ( Z ) E a ( Z ) E 1 10 2 20 H a ( Z ) H a ( Z ) H 1 10 2 20
考察a1(Z)随Z的变化，来自二方面： （1）不考虑来自波导2的扰动，仅仅考虑在波导1 中传输 --第一项 （2）考虑波导2的扰动 --第二项