定向耦合器
什么是定向耦合器
什么是定向耦合器定向耦合器的工作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/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。
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。
定向耦合器的应用1、用于功率合成系统在多载频合成系统中，通常会用到3dB的定向耦合器（俗称3dB电桥），如下图所示。
这种电路常见于室内分布系统，来自两路功率放大器的信号f1和f2经过3dB定向耦合器后，每路的输出均包含了f1和f2两个频率分量，每个频率分量的幅度减少3dB。
如果将其中一个输出端接上吸收负载，另外一路输出可以作为无源互调测量系统的功率源。
如果需要进一步提高隔离度，可以外加一些器件如滤波器和隔离器。
一个良好设计的3dB电桥的隔离度可以做到33dB以上。
定向耦合器用于功率合成系统一定向沟壑区作为功率合成的另外一种应用见下图（a）。
在这个电路中，定向耦合器的方向性得到了巧妙的应用。
假设两个耦合器的耦合度均为10dB，方向性均为25dB，则f1和f2端之间的隔离为45dB。
如果f1和f2的输入均为0dBm，则合成后的输出均为-10dBm。
与下图（b）中的Wilkinson耦合器（其隔离度典型值为20dB）相比，同样输入OdBm的信号，合成后还有-3dBm （未考虑插入损耗）。
作为间样条件下的比较，我们将图（a）中的输入信号提高7dB，这样其输出就和图（b）—致了，此时，图（a）中f1和f2端的隔离度“降低”为38 dB。
定向耦合器的工作原理及作用
定向耦合器的工作原理及作用嘿，你问定向耦合器的工作原理及作用呀，那咱就来聊聊呗。
定向耦合器呢，就像是一个有点“小聪明”的小装置。
它的工作原理其实还挺有意思的。
你可以把它想象成一个在信号传输道路上的“分流器”。
当信号在传输线中跑的时候，定向耦合器就会从这条传输线上“偷偷”地分出一部分能量来。
它是怎么做到的呢？它里面有一些特殊的结构，比如耦合线或者孔洞之类的。
这些东西就像小“窗口”，让一部分信号能通过它们“溜”到另一个通道里去。
而且它还很“聪明”地只让信号按照特定的方向分流哦，所以才叫定向耦合器嘛。
比如说，信号从左边往右边传，它就能按照设定好的方式把一部分能量准确地引导到旁边的通道里，而如果信号从右边往左边传，它可能就不会让那么多能量“溜”过去啦，是不是有点神奇那它有啥作用呢？作用可不少呢！首先，它可以用来检测信号的强度。
就好比你想知道水流有多大，放个小水表在旁边测一测一样。
定向耦合器能把传输线上的信号分出来一点，然后通过一些测量手段，你就能知道信号有多强啦。
这在很多通信系统里都很重要哦，要是信号太弱了，可能通信质量就不好，就得想办法调整啦。
其次，它还能用来实现信号的分配和合成。
比如说，你有一个信号源，想把它分成几个不同的部分送到不同的地方去，定向耦合器就可以帮你做到。
它把信号按一定的比例分出来，然后送到各个需要的地方。
反过来，如果有几个信号要合成一个，它也能在一定程度上帮忙哦，就像把几条小水流汇聚成一条大水流一样。
还有哦，在一些测量和测试设备中，定向耦合器也大有用处。
比如在射频测试中，它可以帮助工程师们准确地测量各种参数，确保设备正常工作。
我给你讲个例子吧。
有一次在一个通信基站的维护中，工作人员发现信号传输有点问题，怀疑是某个部件出了故障。
他们就用定向耦合器来检测信号的强度和分布情况。
通过它，找到了信号在传输过程中衰减比较大的地方，最后发现是一根传输线老化了。
换了新的传输线后，信号就恢复正常啦。
所以你看，定向耦合器虽然看起来小小的，但是在很多地方都发挥着重要的作用呢，你明白了不。
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，。
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。
定向耦合器参数
定向耦合器参数
定向耦合器是一种能够使传输信号按照指定方向传播的设备，其可以实现某个特定方向的特定信号的通过，而不会向其他方向传播，因此特别适用于在干扰比较严重的情况下的信号传输，它的参数有： 1、阻抗：定向耦合器的阻抗主要取决于物理结构和它的电气负载。
根据传输的信号类型，有50欧姆，75欧姆和93欧姆三种不同的阻抗值，其中50欧姆是最常用的阻抗。
2、传输损耗：传输损耗是指信号通过定向耦合器以后，能够有效传输的部分，也就是信号传输的系数，叫做传输损耗，它的值越小，表示信号传输的系数越高，传输的信号也就越强。
3、绝缘电阻：它是用来测量几个不同的电源桥连接的定向耦合器之间的静电耦合的一个参数，它可以测出定向耦合器之间的静电耦合关系，如果绝缘电阻过大，可能会影响定向耦合器的正常操作。
4、频率范围：定向耦合器的频率范围指的是它可以处理的信号的频率范围，如果信号频率超出定向耦合器的频率范围，那么频率超出的信号将不会被正常传输，可能会影响定向耦合器正常运行。
- 1 -。
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
定向耦合器的基础知识解析
定向耦合器的基础知识解析
定向耦合器是一种极具使用价值的无源射频器件，其可从主传输路径中提取一小部分能量，并将其导向至一个或多个耦合端口。
由于耦合端口与主传输路径之间具有高隔离度时较为有利，因此定向耦合器端口间的隔离度通常较高。
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，还存在其他类型的双定向耦合器，根据耦合至正向或反向端口的耦合端口的种类，这些双定向耦合器被称为正向耦合器和反向耦合器。
常见定向耦合器示意图
需要注意的重要一点是，定向耦合器所提供的耦合量对主传输路径插入损耗的理论最小值具有直接影响。
端口的耦合量越小，插入损耗越低。
通常，耦合端口的额定功率水平低于主传输路径的额定功率水平，当主传输路径功率与耦合强度的差值超出耦合端口的功率处理能力时，则可能发生故障。
一般情况下，采用精密内部匹配端接方式的三端口定向耦合器的定向性高于采。
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。
举例说明定向耦合器的用途
举例说明定向耦合器的用途定向耦合器是一种用于将光信号从一根光纤耦合到另一根光纤的器件。
它通常由一个输入端口和一个或多个输出端口组成。
在光通信领域，定向耦合器被广泛应用于光纤通信系统中的信号传输和分配。
下面将从不同的应用场景出发，举例说明定向耦合器的用途。
1. 光纤通信系统中的信号分配：在一个光纤通信系统中，信号需要从一个中心节点分配到多个终端节点。
定向耦合器可以将信号从中心节点的输入端口耦合到多个输出端口，实现信号的分配。
例如，光纤到户（FTTH）网络中，定向耦合器用于将信号从光纤接入点分配到不同的用户终端。
2. 光网络中的信号传输：在光网络中，信号需要从一个网络节点传输到另一个节点。
定向耦合器可以将信号从一个输入端口耦合到另一个输出端口，实现信号的传输。
例如，光纤放大器中的输入端口和输出端口之间的光信号传输就需要通过定向耦合器来实现。
3. 光传感系统中的信号采集：在光传感系统中，光信号需要从传感器采集并传输到信号处理单元。
定向耦合器可以将光信号从传感器耦合到光纤中，实现信号的采集。
例如，光纤传感器中的光信号采集就需要通过定向耦合器来实现。
4. 光学仪器中的光信号处理：在光学仪器中，光信号需要经过一系列的处理，如分光、聚焦、衍射等。
定向耦合器可以将光信号从一个光学组件传输到另一个组件，实现光信号的处理。
例如，光学显微镜中的光信号传输就需要通过定向耦合器来实现。
5. 光学传感器中的光信号检测：在光学传感器中，光信号需要被检测并转换成电信号，以便进行信号处理和分析。
定向耦合器可以将光信号从传感器中耦合到光电探测器中，实现光信号的检测。
例如，光纤光栅传感器中的光信号检测就需要通过定向耦合器来实现。
6. 光学交换机中的光信号切换：在光学交换机中，光信号需要在不同的输入端口和输出端口之间进行切换。
定向耦合器可以将光信号从一个输入端口切换到另一个输出端口，实现光信号的切换。
例如，光电开关中的光信号切换就需要通过定向耦合器来实现。
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 )
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
举例说明定向耦合器的用途
举例说明定向耦合器的用途定向耦合器是一种用于将光信号从一根光纤耦合到另一根光纤的光学器件。
它可以用于各种应用，例如光通信、光传感、激光器与光纤耦合等。
下面将举例说明定向耦合器的几个常见用途。
1. 光通信系统中的光纤耦合：在光通信系统中，定向耦合器常用于将光信号从一根光纤耦合到另一根光纤。
例如，当需要将光信号从一根主干光纤分配到多根分支光纤时，可以使用定向耦合器实现光信号的分配与传输。
2. 光传感系统中的光纤耦合：在光传感系统中，定向耦合器可以用于将光信号从传感器耦合到光纤中，实现对环境参数的测量与监测。
例如，将光纤传感器用于温度、压力、应变等参数的测量时，需要使用定向耦合器将光信号从传感器传输到光纤中进行信号处理与分析。
3. 激光器与光纤耦合：在激光器与光纤耦合的应用中，定向耦合器可以实现将激光器的输出光束耦合到光纤中，实现激光器与光纤之间的能量传输与耦合。
例如，在激光器与光纤放大器的耦合应用中，需要使用定向耦合器将激光器的输出光束耦合到光纤放大器中进行光信号放大。
4. 光学仪器中的光纤耦合：在光学仪器中，定向耦合器可以用于将光源与检测器之间的光信号耦合。
例如，在光谱仪、光学显微镜等仪器中，需要使用定向耦合器将光源发出的光信号耦合到检测器中进行信号检测与分析。
5. 光纤传输中的光信号耦合：在光纤传输系统中，定向耦合器可以用于将光信号从一根光纤耦合到另一根光纤，实现光信号的传输与分配。
例如，在长距离光纤传输系统中，为了提高光信号的传输效率，可以使用定向耦合器将光信号从一根主干光纤分配到多根分支光纤中进行传输。
6. 光纤传感网络中的光纤耦合：在光纤传感网络中，定向耦合器可以用于将光信号从传感器耦合到光纤中，实现对环境参数的实时监测与控制。
例如，在智能城市、智能交通等应用中，可以使用定向耦合器将光纤传感器的信号耦合到光纤网络中，实现对环境参数的远程监测与控制。
7. 光学成像中的光纤耦合：在光学成像中，定向耦合器可以用于将光信号从成像装置耦合到光纤中，实现光学成像信号的传输与分析。
第六章-定向耦合器
第六章 定向耦合器、混合电桥与功率分配器§6.1 定向耦合器的基本概念微波定向耦合器是微波系统中应用最广泛的元件之一，它是个四端口网络。
其原理方框图如图（6.1-1）所示，图（a ）是同向定向耦合器，图（b ）是反向定向耦合器。
对于正向定向耦合器，它的工作过程是，当电磁波从端口1输入时，除了一部分电磁能量直接从端口4输出外，同时还有一部分电磁能量从端口3输出，而端口2无输出。
我们将端口3称为耦合口，端口2称为隔离口。
对于反向定向耦合器，当电磁波从端口1输入时，除了一部分电磁能量直接从端口4输出外，同时还有一部分电磁能量从端口2输出，而端口3无输出。
此时端口2为耦合口，端口3为隔离口。
图6.1-1 正向和反向定向耦合器显然，定向耦合器是是一个四端口网络，它的特性可用各种网络参数来描述，对于图（6.1-1）所示的定向耦合器，考虑到网络是互易，对称和无耗的，其散射矩阵为[]⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=11121314121114131314111214131211s s s s s s s s s s s s s s s s s （6.1-1） 在理想情况下，定向耦合器的各端口都是匹配的，即044332211====s s s s对于图（6.1-1a ）所示的正向定向耦合器，当1口输入时，2口没有输出，因此有012=s 根据无耗网络的[]s 矩阵的么正性，有⎪⎩⎪⎨⎧=+=+01*1314*1413214213s s s s s s （6.1-2） 此式表明，该网络的端口3和端口4的输出功率之和等于输入功率，而两个端口输出相位相差900。
由此可以看出，一个互易，无耗，完全对称的四端口网络，可以构成一个理想的900定向耦合器。
这样，正向定向耦合器的散射矩阵变为[]⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=000000001314141313141413s s s s s s s s s （6.1-3）同理，对于图（6.1-1b ）的反向定向耦合器，其散射矩阵为[]⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=000000001214121414121412s s s s s s s s s （6.1-4） 式中12s 与14s 相位上相差900。
定向耦合器指标
定向耦合器指标定向耦合器是一种常用的微波器件，主要用于功率的分配和组合，以及信号的测量和处理。
其性能指标对于整个系统的性能至关重要。
本文将对定向耦合器的主要性能指标进行详细介绍。
一、耦合度耦合度是定向耦合器最重要的性能指标之一，它表示耦合端口输出信号与输入信号之比。
通常用分贝（dB）来表示。
耦合度的选择取决于系统的具体需求，如需要将主信号的多少部分分流出来，以及需要将多少功率传输到负载等。
一般来说，耦合度越高，意味着更多的功率被分流出来，反之则更少的功率被分流。
在设计定向耦合器时，需要根据系统的具体要求和用途，选择合适的耦合度。
二、方向性方向性是定向耦合器的另一个重要指标，它表示定向耦合器对指定方向的信号具有较高的传递系数，而对相反方向的信号具有较低的传递系数。
方向性的大小取决于定向耦合器的设计结构和工艺水平。
一般来说，方向性越高，意味着定向耦合器的信号传递性能越好，越能有效地抑制反向信号的干扰。
因此，在某些需要防止信号反向泄漏或提高信号传输可靠性的系统中，应选择高方向性的定向耦合器。
三、隔离度隔离度表示定向耦合器的输出端口之间的信号相互隔离的程度。
理想的定向耦合器应具有完全的隔离，以避免信号在各输出端口之间的相互干扰。
然而，由于各种因素的影响，实际的定向耦合器隔离度总是存在一定的限制。
隔离度的高低取决于定向耦合器的设计、工艺和材料等因素。
在实际应用中，应根据系统的具体要求选择隔离度合适的定向耦合器，以保证系统的稳定性和可靠性。
四、带宽带宽表示定向耦合器正常工作的频率范围。
理想的定向耦合器应在较宽的频带内具有一致的传输特性和相位特性。
然而，由于各种因素的影响，实际的定向耦合器带宽总是存在一定的限制。
带宽的大小取决于定向耦合器的设计、工艺和材料等因素。
在实际应用中，应根据系统的具体要求和用途选择带宽合适的定向耦合器，以保证系统的正常工作和稳定性。
五、驻波比驻波比（VSWR）表示定向耦合器输入端的电压最大值与最小值之比。
什么叫“定向耦合器”？使用定向耦合器注意事项
什么叫“定向耦合器”？使用定向耦合器注意事项
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。
平行耦合线定向耦合器散射矩阵
平行耦合线定向耦合器散射矩阵
平行耦合线定向耦合器是一种常见的微波器件，用于在微波电
路中进行能量的耦合和分配。
它通常由两个平行的传输线构成，通
过电磁耦合来实现能量的传输。
定向耦合器的作用是将输入的信号
按照一定的比例分配到两个输出端口上，或者将来自两个输入端口
的信号按照一定的比例合成到一个输出端口上。
散射矩阵（S矩阵）是用来描述多端口网络中各个端口之间的
电磁耦合关系的矩阵。
对于定向耦合器来说，S矩阵可以描述输入
端口和输出端口之间的信号传输和耦合关系。
对于平行耦合线定向
耦合器来说，S矩阵可以描述在不同频率下输入端口和输出端口之
间的功率传输和反射特性。
在实际工程中，通过对平行耦合线定向耦合器进行建模和分析，可以得到其在不同频率下的散射矩阵，进而了解其在微波电路中的
性能表现。
工程师可以根据S矩阵的特性来设计和优化微波电路，
以满足特定的功率分配和耦合要求。
总的来说，平行耦合线定向耦合器的散射矩阵描述了其在微波
电路中的功率传输和耦合特性，对于工程师来说，深入理解和分析S矩阵是进行微波器件设计和优化的重要基础。
举例说明定向耦合器的用途
举例说明定向耦合器的用途定向耦合器是一种用于将电磁波能量从一个波导传输线耦合到另一个波导传输线的无源无源器件。
它的主要功能是在不同的波导或微带线之间传输无线电频率能量，并保持较高的磁场或电场强度。
定向耦合器广泛应用于无线通信系统、微波测量仪器、雷达设备等领域，用于传输和分配射频信号。
以下是几个定向耦合器的常见应用示例：1.无线通信系统：在无线通信系统中，定向耦合器用于将天线发送的无线电频率信号耦合到接收器中。
它可以确保高效的信号传输，并且在信号传输过程中最小化功率损耗。
定向耦合器还可以用于分配功率到多个天线，实现无线通信的覆盖范围扩展。
2.微波测量仪器：在微波测量仪器中，定向耦合器用于将微波信号从测试设备传输到被测试设备中，并从被测试设备中接收反射信号。
定向耦合器允许测量设备与被测设备之间进行双向通信，以实现高精度的测量和分析。
3.雷达系统：在雷达系统中，定向耦合器用于引导射频能量到天线阵列中的每个天线。
它能够确保雷达系统能够收到来自不同角度和方向的信号，并将其聚焦在目标上。
定向耦合器还可以用于将雷达信号分配到不同的接收器中进行信号处理和分析。
4.通信基站：在通信基站中，定向耦合器用于将基站发送的无线信号耦合到天线根面上。
这些天线将信号广播到周围的地区，实现无线通信。
定向耦合器的使用可以有效地控制信号的传输和分配，以及最大限度地减少信号衰减。
5.太阳能系统：在太阳能系统中，定向耦合器用于将太阳能电池板收集到的能量传输到电池储存系统中。
定向耦合器可以最大限度地增加太阳能电池板收集到的能量，并将其有效地转化为可用的电力。
总的来说，定向耦合器用途广泛，可以在各种领域中实现高效、稳定的无线电能量传输和分配。
它在无线通信、测量仪器、雷达系统、基站和可再生能源等领域发挥着重要作用，并促进了现代通信和电力技术的发展。
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
定向耦合器基础知识
5工作带宽
工作带宽是指定向耦合器的上述C、 I、 D、 ρ等参数均满足要求时的工作频 率范围。
1 S11
1 S11
三 各种耦合器件
• 图4-19中依序为波导窄壁孔耦合定向耦合 器、正交波导宽壁十字孔耦合定向耦合器、 耦合带状线定向耦合器及微带线分支定向 耦合器。
四 波导窄壁双孔耦合定向耦合器
• 为了增加定向耦合器的耦合度，拓宽工作 频带, 可采用多孔定向耦合器。
多孔定向耦合器原理
• 多个耦合小孔将会在副波导中激励出多个 向隔离端传输的有不同相位差的波，它们 可在多个频率上叠加抵消（这里所说抵消 只能说是减弱，而一般不可能为零），这 样隔离端的输出功率虽然不为零，但可在 一较宽的频率范围内为很小值，从而实现 了带宽展宽。
• 对于尺寸远小于工作波长的小孔，可看作是小 孔位置处辐射电偶极子与磁偶极子的组合，而 其偶极矩则分别与入射波在小孔位置处的法向 电场与切向磁场成正比。
• 这样可以用一耦合系数来表示小孔的耦合强度。
副波导中的耦合波
A3 Ce jl C e jl 2C e jl
A4 C Ce j2l 2C cosle jl
• 耦合装置的耦合方式有许多种, 一般有孔、 分支线、耦合线等, 形成不同的定向耦合器。
• 定向耦合器是四端口网络, 端口“①”为输 入端, 端口“②”为直通输出端, 端口“③” 为耦合输出端, 端口“④”为隔离端。
P1 ① ④
P4
耦合 装置
P2 ② ③
P3
定向耦合器的原理图
二 性能指标
• 描述定向耦合器的性能指标有: 耦合度、 隔离度、 定向度、输入驻波比和工作带宽。
• 端口①输入波行进至小孔a处，耦合至副波导中的 波以 表示向端口③传输的部分，以 表示向端口④ 传输的部分， 为耦合系数。输入波行进至小孔b处 依然向副波导耦合，分为向端口③的 和向端口④ 的 两部分。假定输入波经过小孔a、b后幅值不变 （弱耦合）。
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Lp
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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：
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RF&MW ④
③
图 6-5平行线型耦合器
1
i1 2
C ic 4 4 iL
m
ic 3 3
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。
C / 20 C / 20
C / 20
Z 0o Z 0
C / 20
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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6.3.3 平行耦合线耦合器设计实例
各端口匹配且网络无耗互易，则S矩阵为
0 0 j 0 j 0 0 j 0 j 0 0
S
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展开，得
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b1 e b3 e
S 11 S14 2 S 12 S13 2
b 2 e b 4 e
S 12 S13 2 S 11 S14 2
引入偶模反射系数和传输系数
C / 20 C / 20
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69 . 37
C / 20
Z 0o Z 0
C / 20
36 . 04
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步骤三: 建立图示电路拓扑, 计算得W=2.38mm,S=0.31mm, P=57.16mm,且50Ω微带线宽度W50=2.92mm。
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k 10
c / 10
Z 0s Z 0 Z0p Z0
1 k 1 k k
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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:
Ls Z 0s 2 f c 1 2 f 2） 高通L-C式:
Cs 1 2 f c Z 0 s Z0p 2 f c
S
在耦合臂和直通臂之间存在着 / 2 的相位差 对于第二类，假设端口1和3完全隔离，由于对 称，端口2和4也完全隔离，即
S13 S 24 S 31 S 42 0
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由结构对称，还有
S 1 4 S 2 3 , S 1 2 S 4 3
图 6-7平行线型耦合器电路图
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dB(S(4,1)) dB(S(3,1)) dB(S(2,1)) dB(S(1,1))
m1 m1 0 freq=750.0MHz dB(S(2,1))=-0.629 m2 m2 freq=750.0MHz -10 dB(S(4,1))=-10.147
偶模激励时，有
b1 e S 1 1 S 1 2 S 1 3 S 1 4 1 / 2 b2 e S 1 2 S 1 1 S 1 4 S 1 3 0 b3 e S 1 3 S 1 4 S 1 1 S 1 2 0 b4 e S 1 4 S 1 3 S 1 2 S 1 1 1 / 2
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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 P 定 向 耦 合 器 4 P4 3 P3
1 P1
2
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：
插入损耗 耦合度 隔离度 方向性
T ( dB ) 10 lg P2 P1 P3 P1 P4 P1 P3 P4 10 lg 1 S 21 10 lg 1 S 31 10 lg 1 S 41 10 lg 1 S 41
2 2 2 2
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C ( dB ) 10 lg
I ( dB ) 10 lg
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
a1 1
a1 1 / 2
a1 1 / 2
a4 1 / 2
a4 1 / 2
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考虑对称性和互易性，其 S矩阵为 RF&MW
S 1 1 S 1 2 S 1 3 S 1 4 S 1 2 S 1 1 S 1 4 S 1 3 S S 1 3 S 1 4 S 1 1 S 1 2 S 1 4 S 1 3 S 1 2 S 1 1
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网络无耗
S
H
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S S I
2 2
H
的第一行乘以 S
S12 ＋ S13 1
S
H
的第一行乘以 S
S 12 S 13 S13 S12 0
* *
此式也可写作 即
S 13 S12
*
S13 S12
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第6章 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
D ( dB ) 10 lg
10 lg
1 S 31
2
I ( dB ) C ( dB )
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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。
问题： RF&MW 1.可变衰减器的衰减量动态范围和平坦度 2.图示定向耦合器结构完全对称，若从三端口输入 信号，插入衰减、耦合度、方向性和隔离度怎么表示？
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问题： RF&MW 3.对称无耗匹配理想的定向耦合器的S矩阵是？ 分两类：第一类，假设端口1和4完全隔离，由于对 称，端口2和3也完全隔离，即
-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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1 P1 C 4 P C L
4 s
Z0
Ls
2 P2
1 P1
Z0
Cs
2 P2
p
p
L 3 P 4 P
p
L C
s
p
3
4
3 P
3
(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:
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。
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k 10
C /10
0 .1 1 k 4 7 .4 3 1 k k 150
Z 0s Z 0 Z0p Z0
步骤三: 利用下列公式计算元件值：
C1 1 2 f c Z 0 s Z0p 2 f c 8 . 59 pF