三分支可变阻抗任意分贝集总元件定向耦合器
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。
微波技术11-常用微波元件
2a ln( ) 2 r
1
常用微波元件
•螺钉调配器
螺钉调配器调整较为方便。螺钉是低 功率微波装置中普遍采用的调谐和匹配元 件。
常用微波元件
实用时，为避免波导短路和击穿，通 常设计螺钉成容性，作可变电容用，螺钉 旋入波导的深度应小于3b/4,b为矩形波导 窄边的尺寸。
常用微波元件
扭波导
平接头
扼流接头
常用微波元件
(2) 拐角、弯曲和扭转元件 当需要改变电磁波的极化方向而不改变其传输方向时， 则要用到扭转元件。 对这些元件的要求是：引入的反射尽可能小、工作频 带宽、功率容量大。
E弯
H弯
常用微波元件 匹配元件
匹配元件的种类很多，这里只介绍膜片，销钉和螺钉匹 配器。
(1) 膜片
线性非互易元件
这类元件中包含磁化铁氧体等各向异性媒质， 具有非互易特性，其散射矩阵是不对称的。但仍 工作于线性区域，属于线性元件范围。常用的线 性非互易元件有隔离器、环行器等。
常用微波元件
非线性元件
这类元件中含有非线性物质，能对微波信号 进行非线性变换，从而引起频率的改变，并能通 过电磁控制以改变元件的特性参量。
高功率型
常用微波元件
大功率水冷匹配负载
常用微波元件
失配负载
实用中的失配负载都是做成标准失配负载， 具有某一固定的驻波比。失配负载常用于微波测 量中作标准终端负载。
失配负载的结构与匹配负载一样，只是波 导口径的尺寸b不同而已。 设b0为标准波导窄边尺寸，b为失配负载波 导的窄边尺寸，由于
Z Z0 Z Z0
常用微波元件
二端口元件可以等效为二端口网络，其散射 矩阵为
S11 S S 21
功分器、定向耦合器及应用简介
功分器必须满足以下要求： ①输出端口2、3的功率比可以相等，也 2 2 k k 可以为任意值，例如P3= P2， 是端口2、 3的功分比。 ②输出端口的电压相等，当功率从端口1 输入时，只有V2=V3，才能保证在隔离电 阻R上无压降。由于隔离电阻R的存在， 才使得3个端口能同时实现阻抗匹配，端 口2、3也才彼此隔离。 ③端口1无反射。
集总参数分支线定向耦合器如图2.10— 2.13所示，虽然耦合元件有所不同，但都 适合在MF—HF频段作为窄带90º 混合电 路使用。 Maxwell电桥 在MF—HF频段，最好的90º 混合电路 是如图2.13所示Maxwell电桥，具有特别 宽的带宽。
2.6 平行耦合线定向耦合器
与分支线定向耦合器相比，平行耦合 线定向耦合器有更宽的带宽。最常用的 平行耦合线定向耦合器是TEM模单节反 向（Backward-Wave）定向耦合器。图 2.14为单节反向定向耦合器的结构图。由 图看出，平行耦合线定向耦合器是由两 个等宽平行耦合带线构成，最大耦合发 生在耦合线长度为λ /4的区段内（λ为导 波波长）。
Wilkinson功分器也可以作为功率合成器使用。 当端口2、3输入等辐同相信号，则合成信号由 端口1输出。假定只在端口2（或端口3）输入 功率，那么只有一半功率由端口1输出，另一 半输入功率损耗在隔离电阻R中。 把Wilkinson功分器级联，可以进一步展宽它 的带宽。 对图1.3所示2级联功分器，在倍频程带宽内， 在端口1，VSWR≤1.1，在端口2、3， VSWR≤1.01，端口2、3之间的最小隔离度为 27.3dB。
图2.42.4.4 由环形来自向耦合器构成的宽 带不等功分器
图2.5
2.4.4.1 环形不等功分器的 工程设计
2.5 分支线定向耦合器（Branch Coupler）
实验三定向耦合器
南京邮电大学实验报告实验名称：_____传输线参数（特征阻抗）的分析与综合威尔金森功分器设计____________定向耦合器（90/180°均可） _无源滤波器设计 ____ 课程名称: 微波技术EDA姓名：____赵玉蓉_____学号：___B10020504___小组成员：韩倩（B10020404）丁耀慧（B10020501）开课时间 2012 /2013 学年，第 2 学期实验三 定向耦合器一：实验名称：定向耦合器（90/180°均可）二：实验目的1. 了解微波EDA 软件的类型和用途；2. 掌握ADS 软件并进行定向耦合器的建模，仿真，优化和调试等任务；3. 了解微波电路仿真软件IE3d 的应用范围和使用方法；4. 分析ADS 中有耗传输线和无耗传输线仿真的异同；5. 分析ADS Momentum 和IE3d 建模结果的异同。
三：实验原理在射频微波电路中，经常用到多端口网络，分支定向耦合器是最常用的多端口网络，它在电路中起到了十分重要的作用，它能够在固定的参考相位的条件下，分开和组合射频微博端口。
（一）、定向耦合器的基本功能和参数指标定向耦合器是一个4端口网络，它有输入端口、直通端口、耦合端口和隔离端口，分别对应图中的1、2、3、4端口：1 243 定向耦合器定向耦合器的主要技术指标有耦合度、隔离度、定向性、输入驻波比及工作带宽等，下面介绍上述各指标。
1、 耦合度耦合度C 定义为输入端口的输入功率P1和耦合端口P3之比的分贝数，耦合度C 表示为： 1210lg ()P C dB P = 引入网络散射参量，耦合度又可以表示为：±±11233113/2110lg 10lg 20lg ()/2i ilU P C dB P S S U ===耦合度的分贝数越大耦合越弱，通常把耦合度为0dB~10dB 的定向耦合器称为强耦合定向耦合器，把耦合度为10dB~20dB 的定向耦合器称为中等耦合定向耦合器，把耦合度大于20dB 的定向耦合器称为弱耦合定向耦合器。
耦合器通俗解释
耦合器通俗解释（内容来自互联网）在微波系统中，往往需将一路微波功率按比例分成几路，这就是功率分配问题。
实现这一功能的元件称为功率分配元器件即耦合器，主要包括：定向耦合器、功率分配器以及各种微波分支器件。
光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电一光一电转换器件。
它由发光源和受光器两部分组成。
把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内，彼此间用透明绝缘体隔离。
发光源的引脚为输入端，受光器的引脚为输出端，常见的发光源为发光二极管，受光器为光敏二极管、光敏三极管等等。
光电耦合器的种类较多，常见有光电二极管型、光电三极管型、光敏电阻型、光控晶闸管型、光电达林顿型、集成电路型等。
如下图1（外形有金属圆壳封装，塑封双列直插等）。
中文名耦合器外文名Coupler主要包括定向耦合器、功率分配器组成发光源和受光器技术规范耦合器技术规范目录1 工作原理2 光电测试3 应用4 区分种类? 定向种类? 波导种类? 双分种类? 平行种类5 耦合器技术规范（室内分布）6 隔离器? 谐振式隔离器? 场移式隔离器工作原理原理类比：老张的南北两侧的白菜地各分了3份，老张希望通过一次性水道改动，每份地从主干水道上获得一小部分水流，水流速度和其他的地尽量相同，如图1所示。
图1 水流均分图这样老张就可以在树荫下歇一段时间，不用再做任何的水道改动，所有的地同时浇完。
图2 耦合器实物图耦合器是从无线信号主干通道中提取出一小部分信号的射频器件，如图2所示，与功分器一样都属于功率分配器件，不同的是耦合器是不等功率的分配器件。
耦合器与功分器搭配使用，主要为了达到一个目标—使信号源的发射功率能够尽量平均分配到室内分布系统的各个天线口，使每个天线口的发射功率基本相同。
理想耦合器的输入端口功率等于耦合端口功率与输出端口功率之和，以瓦特（W）为单位，即如图3所示。
图3 耦合器原理图耦合器的重要指标是耦合度和插损。
耦合度是耦合端口与输入端口的功率之比，以dB表示的话，一般是负值。
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 方向 申请学位类别 论文提交日期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AbstractReader 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]。
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
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
定向耦合器的技术指标和理想定向耦合器特性
定向耦合器的技术指标和理想定向耦合器特性时间：2015-08-11 来源：天线设计网TAGS：定向耦合器耦合器无源器件定向耦合器的技术指标定向耦合器是一种有方向性的功率耦合器件，在射频系统中有着广泛的应用，如功率监控系统、测试系统、功率分配系统等。
定向[天线设计网]耦合器的种类繁多。
（1）定向耦合器是一个四端口网络，它有输入端（端口1）、直通端（端口2）、耦合端（端口3）和隔离端（端口4)。
（2）当信号从输入端输入时，除了一部分功率直接从直通端输出外，同时还有一部分功率耦合到耦合端输出，但不会从隔离端输出。
（3）如果耦合端与直通端同方向，则称为“同向定向耦合器”。
反之，称为“反向定向耦合器”。
除了所有器件都有的一些指标外，如电压驻波比、工作带宽外，定向耦合器的主要技术指标有耦合度、方向性和隔离度。
[天线设计网]设输入功率为 P1，直通端、耦合端和隔离端在接匹配负载时的输出功率分别为P2， P3， P4。
耦合度C定义：方向性D定义：理想情况下隔离度I定义：理想情况下很显然有以下关系：实际上，[天线设计网]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。
理想定向耦合器特性【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。
证明：根据互易、对称、完全匹配，有利用无耗网路S矩阵的幺正性：可得，可见，S12、S13和S14中[天线设计网]必然有一个为零，由于端口2为直通端口，故S12不为零。
（a）设S14＝0（正向定向耦合器），则（b）设S13＝0（反向定向耦合器），则得证。
结论：理想定向耦合器耦合端与直通端输出功率之和等于输入功率。
理想定向耦合器直通端与耦合端相差90度。
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定向耦合器
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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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RF&MW
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。
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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RF&MWFra bibliotek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。
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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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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3分贝定向耦合器的原理及其应用
３分 贝 定 向耦 合 器 的 原 理 及 其 应 用
口蒋 琦 罗正明 ，
（． １ 贵州省广播 电视局 ７ ４台， Ｊｌ ９ 贵＇ 六枝特 区 ５ ３ ０ ２ 贵＇ 省广播 电视局 ７ １台 ， ｔ 、 ５４ ０； Ｊ ｔ 、 ｌ ６ 贵州 贵 阳 ５０ ０ ） ５０ ２
１ 概 述
（ 由端 口 １输入 ） 副通道 输 出 电压 Ｅ （ 由端 Ｆ ２ 设 与 设 Ｉ 输 出 ） 比， 之 即
Ｃｖ＝
３分 贝定 向耦 合器 的应 用 ， 上世 纪 ６ 从 ０年代 开 始
已 由微 波 波段 扩展 到米 波波段 ， ７ 到 ０年代 在 发射设 备 中得 到应用 ， 它具 有 频 带 宽 、 构简 单 、 结 功率 容 量 大 和 制造 方便 的特 点 ， 广播 电视 技 术 和 电 子 技术 突飞 猛 在
ＣＡ Ｈ Ｉ Ｎ Ｄ
蝴
》００ ０ ） ２ １ （２
Ｉ ＴＡＬ ＣＡＢＬＥ ｗ ＧＩ
Ｔ≤ Ｖ： ③
文章 编 号 ：０７— ０ ２ ２ １ ）２—００ ０ １０ ７ ２ （０ ０ ０ ２ ７— ２
・点・ 经滴 验
中 图分 类 号 ：Ｎ ４ ．２ Ｔ ９ ８ １
文 献 标 识 码 ： Ｂ
Ｃ 产生 一流入 副 线 ２— ３的 位 移 电流 为 ｉ 和 ｉ 同 ：
式中 Ｐ 为端 口２ ： 的功率，， Ｐ 为端 口３的功率 。Ｄ 时 由于 ｉ 交变 磁场 的作用 在 ２～ ３线 中感 应有 电流 ｉ， 越 大说 明定 向性越好 ， 者 说输 入 端 口与隔 离端 口隔 根据 电磁感 应定律 或 ｉ产 生 的磁通 应 阻止 ｉ产 生 的磁 离越 好 。理想 情况下 ， — 一 。 实 用 中常 对通 带 通量 的变化 ， 以 ｉ ｉ 向相 反 ， 图 ３所 示 。由 ， 。， 所 与 方 如 内 Ｄ提 出要求 。 图 ３可 以看 出： 量 由 １端输 入 ， 能 因电耦 合 电流 ： 和磁 （ ） 出平衡 度 ３输 耦 合 电流 ｉ 作 用 相 同 ， 以 ２端 有输 出 ， 在 ３端 因 。 ． 所 而 当 ｌ 口输 入 ， 、 口输 出时 ， 论 上讲 ， 端 ２４端 理 １端 口 ｉ 和 ｉ 作用 相反 ， 以 ． 当耦 合适 当时 ， 量 可 以互 相抵 消 ， 能 电压分 别与 ２ ４端 口 电压 之 比 ， 分 贝 表 示 即 ２ ｇ 、 用 ０ｌ 输 出为零 ， 叫隔离端 。反之 故 ｉ反作用 到 １ ４线 ， ～ 同 （ ，Ｅ ） ２ （ ｌ ） 应 等 于 ３ｄ 但 实 际 中总 样 在 ４端 能量作用 相 同 ， 有 输 出 ， 想情况 下 ， 、 Ｅ／ 和 ０ Ｅ ／ 都 Ｂ， ４端 理 ２４ 有一定误差 ， 一般 要求 通带 内 ２４端 最大 功 率偏 差 ≤ 端 能量相 等 ， 输 出为零 。这是 取 一小段 的情况 ， 、 ３端 对 ０． Ｂ。 ５ｄ 整个 耦合器 来说 ， 每小 段 迭 加起 来 同样 有 此性 质 。从
分支线定向耦合器直通端与耦合端传输损耗
分支线定向耦合器是一种广泛应用于微波通信系统和雷达系统中的无源无线电频率器件，其作用是将入射信号分配到多个出口，同时在每个出口上通过一定的定向耦合系数向输入端返回一定比例的信号，实现了信号的分配和定向耦合。
在分支线定向耦合器中，直通端和耦合端的传输损耗是一个重要的性能指标，直通端与耦合端传输损耗的大小直接影响了整个系统的传输效率和性能稳定性。
本文将从分支线定向耦合器的基本原理、直通端与耦合端传输损耗的影响因素、减小传输损耗的方法等方面展开分析，旨在深入探讨该频率器件的关键技术，为相关领域的从业人员提供参考和借鉴。
一、分支线定向耦合器的基本原理分支线定向耦合器由输入端、主分支线、分支结构、耦合结构和耦合端等部分组成。
当输入信号从输入端进入主分支线时，一部分信号经过主分支线直接到达一些负载端，形成直通端，剩余的信号则通过分支结构和耦合结构，分配到各个耦合端，形成耦合端。
在这个过程中，主分支线和分支结构的参数对输入信号的分配起着关键作用，耦合结构和耦合端的参数则决定了信号的耦合过程。
分支线定向耦合器的设计和制造需要在这些参数的基础上实现对输出信号的精确控制，同时要尽可能减小传输损耗，保证系统的传输效率和性能稳定性。
二、直通端与耦合端传输损耗的影响因素1. 主分支线和分支结构的损耗：主分支线和分支结构作为信号的传输通道，在传输过程中会有一定的损耗，这部分损耗会直接影响到直通端的传输损耗。
设计合理、制造精密的主分支线和分支结构对于减小直通端传输损耗至关重要。
2. 耦合结构和耦合端的耦合系数和耦合损耗：耦合结构决定了信号在分支线间的分配比例，不同的耦合结构会对信号的传输产生不同的影响，耦合端的耦合损耗则是决定了传输到各个耦合端的信号损失的大小。
设计高精度的耦合结构和耦合端，控制好其耦合系数和耦合损耗，是减小耦合端传输损耗的关键。
3. 材料和制造工艺的影响：分支线定向耦合器通常使用高频微波材料来制造，而材料的损耗率和制造工艺的精度都会对器件的传输损耗产生重要影响。
07 定向耦合器与三分贝电桥(殷)
第七章定向耦合器与3dB电桥7.1 概述7.2 单节耦合传输线定向耦合器7.3 微带线定向耦合器与它的方向性7.4 宽频带微带定向耦合器7.5 宽频带弱耦合同轴定向耦合器7.6 微带线3dB电桥7.7 重耦合3dB电桥7.8 高功率宽边耦合3dB电桥第七章 定向耦合器与3dB 电桥7.1 概述定向耦合器是微波与雷达馈线技术中广泛应用的元件之一，它是一种四端口器件，如图7.1所示。
(1)-(4)和(2)-(3)各为一根传输线，线间有一定的耦合机构。
1 243图7.1 定向耦合器的方框图 当电磁波从端口(1)输入时，除了有一部分能直接从端口(4)输出外，同时，还有一部分能量耦合到(2)-(3)通道中，从端口(3)或(2)输出。
从端口(3)输出时，称为“同向定向耦合器”。
从端口(2)输出时，称为“反向定向耦合器”。
定向耦合器可以从不同的角度进行分类，除了上面按传输出方向分为同向和反向定向耦合器外，还可以按传输类型分（如矩形波导，圆形波导，同轴线型，带状线型，多孔耦合，连续耦合，支线耦合，环耦合等），这些分类方法常常彼此重迭，实际使用中根据方便而定。
3dB 电桥属定向耦合器，它的耦合很强，达到3dB ，即耦合输出与直通输出幅度相等，相位相差90°，使用范围很广。
由于耦合很强，无论是设计，还是制造都有别于一般的定向耦合器，因此，将在定向耦合器的基础上再对3dB 电桥进行适当的描述。
定向耦合器的主要指标是：定向性和耦合系数，现对其进行简要说明。
1. 耦合系数副通道输出电压（设由端口(2)输出）与主通道输入电压（设由端口(1)输入）之比称之谓电压耦合系数K ，相应的功率比为功率耦合系数C ：12U U K =（7.1） 221212K E E p p C === （7.2）12log10p p C dB = （7.3） dB C 是以dB 表示的功率耦合系数。
由于输入功率总是大于输出功率，故总是负值。
三分贝定向耦合器
三分贝定向耦合器摘要：3dB定向耦合器是通信、广播电视系统中重要的器件之一，本文介绍了描述定向耦合器的性能指标参数，详细介绍了3dB定向耦合器的基本结构及特性。
Abstract: 3dB coupler is one of the important components in communication and broadcasting system. In this paper, the specifications of directional coupler are presented,and the basic structures and properties of 3dB coupler are presented in detail.1.引言在广播电视和通信系统中，经常需要耦合部分的射频功率，以满足各种需要。
定向耦合器是一种具有方向性的功率分配器，它能从主传输线系统的正向波中按一定比例分出部分功率，实现功率的分支、分配或合成。
三分贝耦合器是一种特殊的定向耦合器，它广泛应用于功率合成，恒阻滤波器和多工器等系统中。
下面介绍定向耦合器的性能参数，并详细介绍三分贝耦合器的特性。
2. 定向耦合器的基本参数定向耦合器可等效成四端口网络。
它的基本工作原理借助图1来描述。
图1 定向耦合器原理自端口1入射的功率中部分功率从直通端口2输出，另外一部分被耦合到端口3，在理想情况下，没有功率送到隔离端口4。
描述定向耦合器性能的参数主要有耦合度、隔离度、方向性、插入衰减、输入驻波比、频带宽度等。
其中耦合度表征了耦合的强弱。
理想的定向耦合器端口驻波比为1，即端口没有反射；隔离度为无穷大，即隔离端没有输出功率。
设定向耦合器输入端的输入功率为，主线输出端(简称为直通端)的输出功率为，耦合输出端(简称为耦合端)的输出功率为，隔离端的输出功率为，则定向耦合器的有关参数的定义如下。
耦合度C：输入功率与耦合端的输出功率之比，一般用分贝表示，即上式中P1/P3称为功率耦合系数。
微波电子技术-定向耦合器
(b)
图 6-2 L-C (a) 低通式； (b) 高通式
第6章 定向耦合器
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： 利用下列公式计算出k、Z0s及Z0p:
k 10c/10
Z0s Z0 1 k
Z0p Z0
1 k k
P4
S41 2
S31 2
第6章 定向耦合器
6.2
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,如图6-2所示。
第6章 定向耦合器
1 Z0
Ls
P1
Cp
4
Ls
P4
(a)
2 P2
Cp
3 P3
1 Z0
Cs
P1
Lp
4
Cs
P4
2 P2
Lp
－ 15.00
－ 20.00
S41
－ 25.00 S11
－ 30.00
－ 35.00
－ 40.00 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00 FREQ[GHz]
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。
合环的设计关键就是按照分配比计算阻抗值和长 度。对于等分环形桥,
Z1=Z2= 2 Z0 每个端口之间的距离为λg/4或3λg/4。
第6章 定向耦合器
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ｔｅｒｍｉｎａｌ ａｎｄ
ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｗｅｒｅ ｇａｉｎｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｏｄｄ－ｅｖｅｎ
ｍｏｄｅ ａｎａｌｙｓｉｓ．ａｎｄ
８ ｔｏｐｏｌｏｇｉｅｓ ｗｅｒｅ ａｌｓｏ
ｔｏｐｏｌｏｇｉｅｓ ｏｆ ｔｈｒｅｅ－ｂｒａｎｃｈ
ｗｅｒｅ ｔｈｅｎ
ｄｅｒｉｖｅｄ ｂｙ ｅａｓｃａｄｉｎｇ
ｌｕｍｐｅｄ－ｅｌｅｍｅｎｔ ｃｏｕｐｌｅｒ ｔｗｏ－ｂｒａｎｃｈ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｃｏｕｐｌｅｒｓ．Ｔｈｅ
１
二分支集总元件定向耦合器电路见图１，采用奇
刚＝乞乏，’
其中：
㈣
理论分析与计算
定向耦合器一般分为同向定向耦合器与反向定
收稿日期：２０１０－１０—２ｌ 通讯作者：邓腾彬
■２赤鼢＋・）＿ｚ Ｂｌｅ，ｏ＋ｎＢ２，，ｏ）】 ＋ｊ去ｋ‰＋‰）蝎：（１一帆。‰）】（４）
作者简介：邓腾彬（１９８１一），男．四川隆昌人．助教。从事射频、微波电路的研究以及ＲＦＩＤ产业化应用，Ｅ－ｍａｉｌ：ｄｔｂｌｙｌ００００＠ｕｅｓｔｅ．ｅｄｕ．ｅｆｔ．
ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
ｏｆ
５２３８０８，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ
Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ
ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍｓ ａｎｄ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ
Ｄｅｖｉｃｅｓ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｓｃｉｅｎｃｅ
ａｎｄ
工
（ｃ）
ｃｏＩ／ｐＦ
Ｌｐ２／ｎＨ
忖于 越主 鞯李
工毒 毒
工
Ｏ
—ｌＯ
∞
勺—２０
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—４０ ，ｊ＿ ０１Ｊ，ｊ＿ ０３＾，—ｎＵ３ ８５０ ８６０
皑∞ 嘏以∞ 担以把鹕把
：＿哪毋弹褂毋∞郫∞毋掣皆叫
ｆ｜ＭＨｚ
丰耩
（ｋ）
罔４交比为２时不同耦合度的ｓ参数仿真曲线
Ｆｉｇ．４
Ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ ｃｕｒｖｅｓ
３ ４．１ ３．９ ５．１ １７．６ １５．Ｏ ６．５ ３．８ ８．８ ２．６ １４．０
５ ４．４ ３．９ ５．８ １７．Ｏ １４．０ ５．４ ３．８ １２．０ ３．６ １３．Ｏ
于于 壬于
（ａ）
工
（”
工
Ｌｔ／ｎＨ Ｌ２／ｎＨ
ｃｏｌ／ｐＦ ｃ０２／ｐＦ Ｃｔ２／ｐＦ
工Ｉ／ｎＨ Ｌ２／ｎＨ
｛叶十 ｝翠壬
ｖａｌｕｅｓ
ｏｆｔｈｅ ｍｏｄｅｌ
ｏｆＦｉｇ．３（ｎ）ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｃｏｅ嫡ｃｉｅｎｔｓ ｗｈｅｎ ｒｍ２
７ｄＢ ２．３ ２．２ ２．６ ３１．Ｏ ２８．Ｏ １２．Ｏ ２．２ ３．７ ３．３ １１．Ｏ １０ｄＢ １．６ １．５ １．８ ４４．０ ４１．Ｏ １８．Ｏ １．５ ２．６ ５．１ ８．２ １３ ｄＢ １．１ １．１ １．２ ６３．Ｏ ５８．０ ２６．０ １．１ １．８ ７．４ ５．８
ａｒｂｉｔｒａｒｙ
节之间就需要考虑级间阻抗变换，这里我们引入了 变阻器的概念，采用二节契比雪夫变阻器原理分别 求得各节变比ｐＪ。 级联后，易知级联网络的Ｓ参数满足
Ｆｉｇ． Ｆ．ｇ．
Ｃｉｒｃｕｉｔｏｆｔｗｏ ｕ图ｉｔ０１ ｔｗ＿二。分－ｂｒ支ａｎ集ｃｈ总元件ｐｅｄ定－ｅ向ｌｅｍ耦ｅ合ｎｔ器ｄｉｒ电ｅｃ路ｔｉｏ Ｓ ，１＝，儿一 Ｋ ｆ＾ｌ一 Ｋ ；Ｊ．ｅ儿ｖ＾”。村’＋Ｋ． Ｋ １ ｌ）ｂｒａｎｃｈ ｌｕｍ －ｅｌｅｍｅｎｔｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ０＋钆《ｊｅ２１ｅ儿咱ｒ ３０）－ ｃｏｕｐｌｅｒ 根据定向耦合器的特点，易知Ｓ参数分布满足
８５５
湖８６５
ｆ／ＭＨｚ 图５耦台度为３ ｄＢ时不同变比的Ｓ参数仿真曲线
Ｆｉｇ．５ Ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ
ｃｕｒｖｅｓ
ｏｆＳ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｖａｌｕｅｓ ｏｆｎ ｗｈｅｎ
ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ＝３
ｄＢ
图３任意阻抗二二分支同向定向耦合器拓扑结构
Ｆｉｇ．３ Ｔｏｐｏｌｏｇｉｅｓ
ｏｆＳ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ ｗｈｅｎｎ＝２
｛＊一 亍忖。
土
（ｍ） （ｎ）
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、
一ｎ＝２量 一ｒｍ３Ｓｌ 一，Ｆ５＆
—．－，，＝２两
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一，产３岛 一，Ｆ５岛 ＋ＩＦｓＳｔ
８３５
８４０ ８４５ ８５０
－．－ｎ＝２＆ —・一，，＝３＆
ｔｅｒｍｉｎａｌｉｍｐｅｄａｎｃｅ；ｌｕｍｐｅｄ．ｅｌｅｍｅｎｔ
向耦合器【Ｉ Ｊ，其特点分别为 同向定向耦合器：Ｓ，，＝ＳＩ。＝０ 反向定向耦合器：Ｓ，，＝Ｓ。３＝０ １．１二分支同相定向耦合器 偶模分析方法，得到网络的传输矩阵为 （１） （２）
定向耦合器被广泛应用于平衡混频器、移相器 等微波器件【ｌ之】。一般地，定向耦合器采用不同形式 的传输线来实现，然而在频率低端，分布参数定向 耦合器由于面积大而使得系统的小型化设计难以实 现。因此采用集总元件定向耦合器来实现小型化设 计就显得尤为重要。 在定向耦合器的应用中，许多情况下后级阻抗 并非标准的５０ Ｑ系统，如混频管阻抗就不可能是标 准的５０ Ｑ，这就需要对系统进行专门的阻抗匹配设 计，导致系统设计复杂化。笔者提出了一种可变阻 抗集总元件定向耦合器，通过奇偶模和阻抗变化分 析，得出了相应设计公式。
ＤＥＮＧ
…
●
■
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ｔｅｒｍｉｎａｌ ｉｍＤｅｎａｎｃｅ
Ｊｕｎ２
１
Ｔｅｎｇｂｉｎｌ，ＷＵ
（１．Ｄｏｎｇｇｕａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ
Ｃｈｉｎａ，Ｄｏｎｇｇｕａｎ
ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｓｃｉｅｎｃｅ
耦合艘
Ｌ１２／ｎＨ ￡Ｉ，ｎＨ Ｌ２／ｎＨ
３ ｄＢ ３．９ ３．９ ４．６ １８．Ｏ １６．０ ７．６ ３．８ ６．５ １．５ １６．０
ｃｏｌ／ｐＦ ｃＤ２／ｐＦ
Ｃｉ２／ｐＦ Ｌｌ／ｎＨ Ｌ２／ｎＨ
参考文献：
【Ｉ】ＬＩＮ
Ｃ Ｈ，ＬＩＮ
ｃＤｌ／ｐＦ
Ｌｐ２／ｎＨ
Ｃ Ｍ，ＬＡＩ
Ｙ Ａ，ｅｔ ａ１．Ａ ２６－３８ ＧＨｚ ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ ｄｏｕｂｌｙ
６１
｜ 专 州卜Ｈ
上 上
Ｔａｂ．２
Ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｖａｌｕｅｓ ｏｆｔｈｅ ｍｏｄｅｌ
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ＳＩｌ＝Ｓ１４＝０
岛。＝侗．心．ｅＪ（Ｏ．・峨）＋Ｋ娟ｉ习．ｅ瓶・‰’（１４）
为简化模型，令Ｋ．＝Ｋ：，
一２ｌ：√西二．＝ｉ了网．ｅｊ（‰＋‰）＋ＫＩ
（６）
以，＋钆一魄．＋钆：）＝胍，幺。＋％＝纯。＋以：
（ｎ 式中：Ｋ为耦合系数；以、如分别为端口２，３ 到端 口１的相位差。联合以上公式，可以得到：
ａｒｅ
ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ
ｗｉｔｈ ａｒｂｉｔｒａｒｙ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ａｎｄ
ｐｒｏｐｏｓｅｄ．１１忙ｄｅｓｉｇｎ ｅｑｕａｔｉｏｎｓ ｔｅｒｍｉｎａｌ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａＩ
ＡＤＳ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｔｈｒｅｅ—ｂｒａｎｃｈ
（１２）
通过式（８Ｈ１２）可以得到任意阻抗二分支同向定
向耦合器的模型元件值，其８种拓扑结构示于图２。 １．２三分支任意阻抗同向定向耦合器 通过二分支定向耦合器级联，得到三分支定向 耦合器。由于后级终端为任意阻抗，定向耦合器各
万方数据
第３０卷第４期
邓腾彬等：三分支可变阻抗任意分贝集总元件定向耦合器
表２耦合度为３ｄＢ时图３（ｎ）模ｔ ｂｏｔｈ
ｔｈｅ ｉｓｏｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｒｅｔｔｌｒｆｌ ｌＯＳＳ ｏｆｔｈｅ ｃｏｕｐｌｅｒ
ａｂｏｖｅ ２０ ｄＢ ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ（３士ｏ．５）ｄＢ ｂａｎｄｗｉｄｔｈ ｒｅａｃｈｅｓ ２０
ＭＨｚ，ｗｈｉｃｈ ａｒｅ ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｒｅｓｕｌｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｄｉｒｅｅｔｉｏｎａＩ ｃｏｕｐｌｅｒ；ａｒｂｉｔｒａｒｙ
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆＣｈｉｎａ，Ｃｈｅｎｇｄｕ
６１００５４。Ｃｈｉｎａ）
ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ａｎｄ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｅｑｕａｔｉｏｎｓ ｏｆｔｗｏ－ｂｒａｎｃｈ ｌｕｍｐｅｄ－ｅｌｅｍｅｎｔ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｃｏｕｐｌｅｒ ｗｉｔｈ ａｒｂｉｔｒａｒｙ ｃｏｕｐｌｉｎｇ
第３０卷第４期 ２０１１年４月
电
ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ
材 子 元 件 与 料 ＣｏＭＰｏＮＥＮＴＳ ＡＮＤ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ
、，０１．３０ ＮＯ．４ Ａｐｒ．２０１Ｉ
三分支可变阻抗任意分贝集总元件定向耦合器
邓腾彬１，吴君２
（；．电子科赦大学东莞电子科技大学电子信息工程研究院，广东东莞５２３８０８；２．电子科技大学电子薄膜与
集成器件国家重点实验室，四川成都６１００５４）
摘要：通过奇偶模分析方法，得到了可变阻抗任意分贝二分支集总元件定向耦合器的设计公式，并给出了８种 拓扑结构，然后通过级联得到了三分支可变阻抗任意分贝集总元件定向耦合器的设计公式及拓扑结构。经ＡＤＳ仿
真验证，设计所得结果与仿真结果完全一致，隔离度和反射都在２０ｄＢ以上，（３士ｏ．５）ｄＢ带宽迭至１３了２０ＭＨｚ。
（ａ） （ｂ）