第六章+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。
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。
微波实验 定向耦合器
实验六定向耦合器特性的测量及应用目的：研究定向耦合器的特性及其应用。
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器件，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为本实验所用的十字定向耦合器，耦合器中端口之一终端接一内装的匹配负载。
主线副线图1（一）定向耦合器的主要特性参量有二：为了便于解释耦合度和方向性，画出了定向耦合器传输示意图（图3），图中P1、P2分别为主线输入、输出功率；PF3为副线中正向输出功率，PR3为副线中反向输出功率。
（1）耦合度（或过度衰减）C如图31243主线副线图3P3F 1243主线副线P1P23RP P1P21（a ）所示，主线输入功率P 1，与副线中正向输出功率P F 3之比，称为定向耦合的耦合度，若以分贝（db ）表示则：C=10logFP P 31(db) （6.1） （2）方向性D如图3所示，副线中正向输出功率P F 3与反向输出功率P R 3之比称为定向耦合器的方向性，若以分贝表示，则:D=logRFP P 33(db) （6.2） 有时，反映定向程度的指标也用隔离度D ’来表示。
隔离度表示主线输入功率P 与副线反向输出功率之比，即D=10logRP P 31(db) （6.3） 由式子（2）D=10logR F P P 33=10log R P P31=D ’-C （6.4） 从上可知，定向耦合器的方向性等于隔离度与耦合度之差，理想的定向耦合器的方向性D →∞;也就是说，当各端均匹配端接时，若功率从主线端“1”输入，则副线仅端“3”有输出，而端“4”无输出；即端“1”与端“4”彼此隔离；端“2”与端“3”彼此隔离，实际的定向耦合器隔离端的耦合隔离的理想器件。
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
定向耦合器(1).ppt
(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
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
小孔定向耦合器原理及结构
波导系统中，多数定向耦合器是通过正、副波导公共壁上的耦合小孔进行耦合的。该小孔能用电和磁偶极矩组成的等效源替代。此法向的电偶极矩和轴向的磁偶极矩在耦合波导中具有偶对称性质，而横向磁偶极矩的辐射有奇对称性质。因此通过调整两个等效源的相对振幅就能抵消在隔离端口方向上的辐射，增强耦合端口上的辐射。
耦合线定向耦合器的原理结构
当两条平行传输线的间距逐渐缩小时，主线与副线之间发生电磁耦合，主线的功率耦合到副线，副线的功率也能耦合到主线。此类定向耦合器早起为同轴线结构，有两个导体同置于一个外导体中，此后出现带状线结构和微带线结构。
定向耦合器的本质是将微波信号按一定的比例进行功率分配，主要由传输线构成，同轴线，矩形波导，圆波导，带状线和微带线均可构成定向耦合器，所以其种类较多，可从耦合机理将其分为四种：小孔耦合，平行耦合，匹配双T
概述
定向耦合器常用于提取和测量微波设备与系统中的功率，是一种具有方向性的四端口功率耦合原件，其本质是将微波信号按一定的比例进行功率分配。主要组成包括：主线（直通线）、副线（耦合线）、耦合机构。而定向耦合是指通过一定的耦合机制把主线（直通线）上的一部分功率沿一定的方向耦合到副线（耦合线）中，理想的耦合器中，功率在耦合线中只传向一个输出端口，另一个端口无功率输出。
微波电路西电雷振亚老师的课件第6章定向耦合器
03
定向耦合器的应用
通信系统中的应用
信号传输
定向耦合器在通信系统中用于传输信号，能够实现信号的定向传 输和监测，提高信号传输的稳定性和可靠性。
功率分配
定向耦合器可以将输入信号按照一定的比例分配到多个输出端口， 实现功率的合理分配，满足不同设备的需求。
信号分离
广播电视系统
定向耦合器可用于广播电视系统中， 实现对信号的定向传输和分配，提 高信号覆盖范围和传输质量。
04
定向耦合器的性能指标
耦合度
总结词
耦合度是定向耦合器最重要的性能指标之一，表示耦合器输出端口功率与输入端 口功率的比值。
详细描述
耦合度的大小决定了定向耦合器对信号的提取程度。一般来说，耦合度越高，信 号提取能力越强，但同时也可能带来更大的噪声和失真。因此，在选择定向耦合 器时，需要根据实际需求和系统指标来选择合适的耦合度。
LTCC工艺
LTCC工艺是一种低温共烧陶瓷技术，它将多层陶瓷材料叠层烧结而成。在定向耦合器的制作中，LTCC工艺可用于制作高精度 、高稳定性的微型结构。这种工艺具有高可靠性、高稳定性等优点。
具体而言，LTCC工艺可以通过流延、叠层、烧结等方法实现。在定向耦合器的制作中，LTCC工艺能够实现高精度、高稳定性 的结构设计和控制，从而提高定向耦合器的性能和可靠性。同时，LTCC工艺还具有较好的耐高温性能和化学稳定性，能够满 足高温、恶劣环境下的应用需求。
厚膜工艺
厚膜工艺是一种将材料以较厚的膜层形式沉积在衬底上的 技术。在定向耦合器的制作中，厚膜工艺可用于制作较厚 的结构层，如波导壁、腔体等。这种工艺具有工艺简单、 成本低等优点。
具体而言，厚膜工艺可以通过丝网印刷、喷雾镀膜等方法 实现。在定向耦合器的制作中，厚膜工艺能够实现快速、 大批量生产，同时保持一定的性能和稳定性。
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
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。
射频微波电路研究第六章定向耦合器
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
4 方向性
描述耦合输出端与耦合支路隔离端的比例关系。 理想情况下为无穷大
5 隔离度
描述主路输入端口和耦合支路隔离端口的比例 关系。理想情况下，隔离度为无限大
T(dB )10lgP2 P1
奇偶模分析
对线上所有阻抗用Z0归一化，在端口1输入单位幅值 1的波，采用偶模激励和奇模激励相叠加的方式来分 析分支线耦合器，奇模激励为±1/2,偶模激励为1/2
偶模激励 在两个端口的输入波振幅是1/2
由对称性可知，在中心线处无电流通过，相当于开路
奇模激励 在两个端口的输入波振幅是±1/2
由对称性可知，在中心线处电压为零，相当于短路
m3
0
m3
freq=7.510GHz dB(S(4,1))=-0.224
-5
dB(S(4,1)) dB(S(3,1)) dB(S(2,1))
-10
m1
-15
m2
-20
-25 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0
freq, GHz
微带定向耦合器ADS仿真结果，可 以在ADS中对定向耦合器优化得到 更好的结果
平行耦合线耦合器设计方法
1 确定耦合器指标：耦合系数C（dB），各端口的 特征阻抗Z0(Ω)，中心频率ƒc，基片参数(εr，h)
2 利用奇偶模阻抗计算式计算奇偶模特征阻抗
Z0e Z0
110C 20 110C 20
110C 20 Z0o Z0 110C 20
3 利用所得奇偶模特征阻抗在奇偶模特征阻抗设计 数据中查得S/b,W/b(其中S为耦合线间距，W耦合 线宽度，b为基片厚度)
定向耦合器ppt课件
④
③
图 6-6平行线型耦合器
i1 1
Cm
ic 4
ic 3
4
iL
2
3
图6-7 耦合线方向性的解释
29
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。
j1
jБайду номын сангаас
/
20
j1
1 j
j
1
e
A A
BC BC
D D
0
2
1
Te A B C D
(1 j) 2
19
对于奇模，
AB
CD
o
4
图 6-5分支线耦合器
13
如果分支线耦合器的各个端口接匹配负载, 信号从1口输入,4口没有输出,为隔离端,2口和3 口的相位差为90°,功率大小由主线和支线的阻 抗决定。
6.3.2 分支线型定向耦合器设计
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 14
(C
Z0e Z0o Z0e Z0o
S14 )
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。
32
6.4.3 平行耦合线耦合器设计实例
设计一个工作频率为750 MHz的10dB平
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重要的高频组件，在微波通信以及有线无线通信系统中都有广泛应用。
它可以把发射机发出的高频波束指向接收天线，从而提升系统的发射效率，有效地阻隔其它未被指向的天线，从而实现系统的灵敏度改善，同时也能避免干扰对有线无线系统的影响。
定向耦合器的工作原理是：定向耦合器是一种由一个非短路的源端和一个非短路的接收端组成的一个结构，它能够将来自于源端的波束指向接收端，而同时阻隔其它未被指向的天线。
定向耦合器的源端主要由发射机发出的高频波束和定向耦合器内部的反射板组成。
其中发射机发出的高频波束会经过反射板反射，最后从源端指向接收端。
反射板可以改变发射机发出的高频波束的方向，使之指向接收端，实现有效的阻隔效果。
定向耦合器的接收端可以是一个简单的、由多棱锥和横截面的组合结构的天线，也可以是一个更复杂的、由多路散射器组成的多棱锥结构。
此外，接收端还可以是一个联合结构，由一个朝向源端的反射片和一个朝向另一端的反射片组成，其中反射片可以将发射机发出的高频波束反射和改变其指向，从而有效地实现定向耦合的效果。
当定向耦合器的源端和接收端都设置好之后，就可以实现定向耦合的功能了。
首先，发射机发出的高频波束会经过定向耦合器的反射板，随后将反射后的高频波束指向接收端，实现指向性耦合的效果。
然后，定向耦合器的反射板会通过另外一个反射板将波束反向发射到源端，从而形成一个完整的循环。
此外，定向耦合器还可以进一步增强反射效果，即把原本指向接收端的波束反射回源端，从而阻碍接收端的波束传输。
定向耦合器的工作原理是由其内部结构中的源端、反射片和接收端组合而成的，可以有效地把发射机发出的高频波束指向接收端，从而提升系统的发射效率，有效地阻隔其它未被指向的天线，从而实现系统的灵敏度改善，同时也能避免干扰对有线无线系统的影响。
因此，定向耦合器在微波通信以及有线无线通信系统中都有广泛应用，为微波通信和有线无线通信的发展提供了方便。
定向耦合器——精选推荐
定向耦合器微带改进的鼠笼式混合接头可实现宽带设计还需考虑 1导体损耗和介质损耗 2对于不连续性和杂散的补偿设计 3介质结构的异向性造成奇偶模的不同相速使定向性变差可利用屏蔽利用集中电容利用介质重叠 67 孔耦合定向耦合器 4 端口隔离端口 2端口直通端口 1 端口输入端口 3端口耦合端口波导定向耦合器 com 倍兹孔定向耦合器 小孔能用电和磁偶极矩组成的等效源替代法向的电偶极矩和轴向的磁偶极矩向两边辐射时是偶对称的而横向磁偶极矩的辐射是奇对称的调整两源的相对振幅能抵消在隔离端口上的辐射加强耦合端口上的辐射对于平行波导耦合是通过小孔离波导窄壁的距离s控制而对于斜交波导耦合是通过两波导之间的角度控制的 com 多孔耦合器及其工作原理 两孔有四分之一波长在耦合口波同相叠加在隔离口反向相消耦合度有较低的频率依赖性方向性对频率有较高的依赖 com 波导双T和魔T 魔T与混合环有相似的性质 1双T及其性质 将具有共同对称面的E―T接头和H―T接头组合起来平分臂隔离臂性质 1 口输入等幅反相输出口输出为0 2 口输入等幅同相输出口输出为0 3 等幅同相输入口无输出口有输出4 等幅反相输入口有输出口无输出 5 口输入等副同相输出口无输出由上述性质有魔T的S参数为由S矩阵端口1和4互相隔离端口2和3也互相隔离 K即S31幅值的平方 Lange耦合器还有助于补偿偶模和奇模相速的不相等缺点在于对跨线之间的连接线加工困难两种情况一种是奇偶模反射系数都为0传输系数不相等对应耦合器14隔离3耦合另一种是奇偶模系数等幅反相传输系数相等对应耦合器13隔离4耦合奇偶模分别得到的反射系数和传输系数代入前面31页的S参数和奇偶模反射系数传输系数的关系式中可得分支线耦合器的S矩阵注1无耗的四端口器件可同时实现互易和各端口的匹配 2若14端口匹配23端口会自动达到匹配展开得引入偶模反射系数和传输系数和由于对称12和34可看作两根独立且完全相同的波导是其中之一的反射系数和传输系数和奇模激励时有展开得由各反射系数和传输系数的表示式求得S参量为引入奇模反射系数和传输系数和 65 分支线型定向耦合器 com 分支线型定向耦合器原理 如图示各条支线在中心频率上是四分之一波导波长由于微带的波导波长还与阻抗有关故图中支线与主线的长度不等阻抗越大尺寸越长图 6-10分支线耦合器如果分支线耦合器的各个端口接匹配负载信号从1口输入4口没有输出为隔离端2口和3口的相位差为90°功率大小由主线和支线的阻抗决定 com 分支线型定向耦合器设计 设计步骤 步骤一确定耦合系数C dB 各端口的特性阻抗Z0Ω中心频率fc基板参数εrh 步骤二计算支线和主线的归一化导纳a和b 步骤三计算特性阻抗Za 和Zb和相应的波导波长步骤四用软件计算微带实际尺寸 com 分支线型定向耦合器设计实例 设计3dB分支线耦合器负载为50Ω中心频率为5GHz基板参数为εr＝96h 08mm 步骤一确定耦合器指标 步骤二计算归一化导纳 b a 1 步骤三计算特性阻抗步骤四计算微带实际尺寸 支线 50Ω W 083 mm L 602mm 主线 353Ω W 136 mm L 584 mm com 如何直接写出其S矩阵3dB com 如何由奇偶模分析法验证其S矩阵 对于偶模对于奇模奇偶模叠加得当频率在中心频率附近变化10时相差也改变±50由于超出带宽10外的隔离度不能接受其有用带宽限制在10理论上能设计成3～9dB的耦合度 a2 a1 b 接上页 R 1 075 05 13 0707 0614 05 b 1414 161 2 a1 1 1 1 1 a2 1 134 2 3 分支线定向耦合器圆形分支线耦合器 66 环形桥定向耦合器 混合环又称环形桥两个输出端口相差180°也称为鼠笼式混合接头匹配T型混合接头魔T 用波程相移解释当信号从端口1输入时到端口2为90°到端口3为270°故端口3比端口2滞后180°端口1的信号经端口2到达端口4为180°经端口3到达端口4为360°两路信号相位相反在端口4抵消形成隔离端 理论上环形桥的两个输出口的功率比值可以是任意的实际中各个环段上的阻抗不宜相差太大差别过大难于实现工程中两个输出口多是等功率的等功率输出环形桥的用途与分支线相同频带和隔离特性比分支线更好由于隔离口夹在两个输出口之间输出信号要跨过隔离端实现起来不如分支线方便 混合环的设计关键是按照分配比计算阻抗值和长度对于等分环形桥有 Z1 Z2 Z0 每个端口之间的距离为λg4或3λg4 带宽约为20 com 如何直接写出其S 矩阵3dB com 如何由奇偶模分析法验证其S矩阵 和端口与差端口当信号从端口3和端口2输入时在端口1将形成输入信号的和在端口4将形成输入信号的差因此称端口1为和端口端口4为差端口让单位振幅波信号从和端口1输入对于偶模对于奇模按转移矩阵的定义和它与反射系数传输系数的关系可得让单位振幅波信号从差端口4输入对于偶模对于奇模按转移矩阵的定义可得尺寸压缩的准集中式混合接头取尺寸压缩的鼠笼式混合接头集中参数鼠笼混合接头 RFMW 成都信息工程学院电子工程学院 RFmw 第6章定向耦合器 61 定向耦合器的基本原理 62 集总参数定向耦合器 63 耦合微带定向耦合器 64应用奇偶模理论分析定向耦合器 65 分支线型定向耦合器 66 环形桥定向耦合器 67 波导定向耦合器 61 定向耦合器的基本原理 com 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 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隔离度为无限大 com 定向耦合器的原理定向耦合器是个四端口网络结构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-耦合度图6-1 定向耦合器方框图若P1P2 P3P4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方向性耦合度隔离度 62 集总参数定向耦合器 com 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Z0Ω电路的工作频率fc 步骤二利用公式计算出kZ0s及Z0p 步骤三利用下列公式计算出元件值 1 低通L-C式 2 高通L-C式步骤四利用模拟软件检验再微调 com 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 dBS41≤-10 dB 步骤一确定耦合器的指标C -10dBfc 400MHz Z0 50 Ω 步骤二计算KZ0s Z0p 步骤三利用下列公式计算元件值图 6-3低通L-C支路型耦合器等效电路步骤四仿真计算图 6-4 低通L-C支路型耦合器仿真结果 63 耦合微带定向耦合器 com 平行耦合线耦合器基本原理 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12中有交变电流i1流过的时候由于43线和12线相互靠近43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43中引起的电流为ic4和ic3 图 6-5平行线型耦合器图6-6 耦合线方向性的解释④③同时由于i1的交变磁场的作用在线43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 com 平行耦合线耦合器设计方法 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Z0Ω中心频率fc基板参数εrh 步骤二计算奇模阻抗和偶模阻抗Z0e和Z0o 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 com 平行耦合线耦合器设计实例 设计一个工作频率为750 MHz的10dB平行线型耦合器 Z0 50 Ω 步骤一确定包括C -10dBfc 750MHz FR4基板参数εr 45 h 16 mmtanδ 0015材料为铜 1 mil 步骤二计算奇偶模阻抗步骤三建立图示电路拓扑计算得W 238mmS 031mmP 5716mm且50Ω微带线宽度W50 292mm 图 6-7平行线型耦合器电路图仿真结果如图示 图 6-8平行线型耦合器仿真结果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图 6-9耦合线的变形改善频率特性图 6-9耦合线的变形增大耦合度紧耦合图 6-9耦合线的变形高方向性图 6-9耦合线的变形拓展带宽问题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平行耦合有窄边耦合和宽边耦合形式其特性可由偶模和奇模的适当线性组合实现带状线耦合为TEM波微带线为准TEM波宽频带的多节耦合器可以制作成关于中央节对称的也可制作成不对称的 Lange耦合器也称交指耦合器左为四指耦合右为其展开型使线两边的杂散场对耦合也有贡献实现紧耦合这样容易达到3dB耦合并有一个倍频程或更宽的带宽 64 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考虑对称性和互易性其S矩阵为偶模激励时有RFMW 成都信息工程学院电子工程学院 RFmw K即S31幅值的平方 Lange耦合器还有助于补偿偶模和奇模相速的不相等缺点在于对跨线之间的连接线加工困难两种情况一种是奇偶模反射系数都为0传输系数不相等对应耦合器14隔离3耦合另一种是奇偶模系数等幅反相传输系数相等对应耦合器13隔离4耦合奇偶模分别得到的反射系数和传输系数代入前面31页的S参数和奇偶模反射系数传输系数的关系式中可得分支线耦合器的S矩阵注1无耗的四端口器件可同时实现互易和各端口的匹配 2若14端口匹配23端口会自动达到匹配。
定向耦合器
定向耦合器定向耦合器及等效电路定向耦合器是无源和可逆网络。
理论上，定向耦合器是无耗电路，而且其各个端口均应是匹配的。
图１（ｂ）定义了定向耦合器各端口的属性。
当信号从端口１输入时，大部分信号从端口２直通输出，其中一小部分信号从端口３耦合出来，端口４通常接一个匹配负载。
如果要将定向耦合器反过来使用，则端口１和２，端口３和４的属性要互换定义。
定向耦合器可以由同轴、波导、微带和带状线电路构成。
通常，定向耦合器用于信号取样以进行测量和监测，信号分配及合成；此外，作为网络分析仪，天线分析仪和通过式（ＴＨＲＵＬＩＮＥ ）功率计等测试仪器的核心部件，定向耦合器所起的作用是正向和反射信号的取样。
定向耦合器的方向性是一项至关重要的指标，尤其是作为信号合成和反射测量应用时。
２．各项指标的定义在理想情况下，当信号功率从端口１输入时，输出功率只应出现在端口２和端口３，而端口４是完全隔离的，没有功率输出。
但是在实际情况下，总有一些功率会泄漏到端口４。
设端口１的输入功率为Ｐ１，端口２，３和４的输出功率分别为Ｐ２，Ｐ３和Ｐ４，则定向耦合器的特性可以由耦合度，插入损耗，隔离度和方向性等四项指标来表征，单位均为ｄＢ。
请注意在以下的描述中，所有的指标均表示为正数，而在实际应用中，则是用负数来进行各种计算的。
耦合度：耦合度表示从端口１输入的功率和被耦合到端口３部分的比值，表示为：耦合度（Ｃ）＝１０×ｌｏｇ（Ｐ１ Ｐ３）插入损耗：插入损耗表示从端口１到端口２的能量损耗，表示为：插入损耗（ＩＬ）＝１０×ｌｏｇ（Ｐ１ Ｐ２）请注意端口１的输入功率有一部分功率是被耦合到端口３的，所以应导入一个“耦合损耗”的概念，下面是各种耦合度下的耦合损耗值：耦合度耦合损耗６ｄＢ１．２００ｄＢ１０ｄＢ０．４６０ｄＢ１５ｄＢ０．１４０ｄＢ２０ｄＢ０．０４０ｄＢ３０ｄＢ０．００４ｄＢ通常所说的从端口１到端口２的插入损耗是传输损耗和耦合损耗之和。
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步骤四: 利用模拟软件检验,再微调。
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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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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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6.4.2 平行耦合线耦合器设计方法
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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1 To (1 j ) 2
o 0
奇偶模叠加，得
B1 0B2 j / 2 B3 1/ 2 B4 0
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当频率在中心频率附近变化10%时，相差也改变 ±50，由于超出带宽10%外的隔离度不能接受，其有用 带宽限制在10%，理论上能设计成3～9dB的耦合度。
b
串联臂 Zs 2 Z0
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1
gp
4
a1
并联臂
a2
Zp
4
3
gs
4
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接上页
k 10
C /10
b
1 1 k 2
a1 a1 bk a2 R
分支线定向耦合器
R k b a1 a2 1 0.707 1.414 1 1 0.75 0.614 1.61 1 1.34 0.5 0.5 2 1 2 1 3 1/3
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Z 0e Z 0
1 C 1 C
1 C Z 0o Z 0 1 C Z 0e Z 0o (C S14 ) 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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取
Z Z0
的结果
可提供更宽的带宽，但需接地点
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分支线耦合 器的另一类 型：圆形分 支线耦合器
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6.4 RF&MW 耦合线定向耦合器
6.4.1 平行耦合线耦合器基本原理
(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,隔离度为无限大。
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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 混合接头与耦合器的原理
以四端口网络结构为例
1 P1 4 P4 2 P2 定向耦合器 3 P3
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6.3.4 如何直接写出其S矩阵（3dB）？ RF&MW
6.3.5 如何由奇偶模分析法验证其S矩阵？
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e o Te To B1 B2 2 2 Te To e o 对于偶模， B3 2 B4 2
如图示,各条支线在中心频率上是四分之一波 导波长,由于微带的波导波长还与阻抗有关,故图中 支线与主线的长度不等,阻抗越大, 尺寸越长。
Zs 1 串联臂 Z0 Zp 2
gp
4 并联臂
4
3
gs
4
图 6-5分支线耦合器
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如果分支线耦合器的各个端口接匹配负载,信号 从1口输入,4口没有输出,为隔离端,2口和3口的相位 差为90°,功率大小由主线和支线的阻抗决定。
D(dB) 10 lg
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6.2 集总参数定向耦合器 RF&MW
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 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
6.3.2 分支线型定向耦合器设计
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: 计算支线和主线的归一化导纳a和b:
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b2 1 C 20 lg b 1 a 2 b 2
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AB 10 0 j / 2 10 1 j CD j1 j 1 j 1 e j / 20
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。
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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。
A B C D e 0 A B C D
2 1 Te (1 j ) A B C D 2
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对于奇模， AB
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1 j CD j1 o
Zc sin ( ) Z cos Cb Zc
1
cos jZ sin 10 AB 10 jC 1 CD jC 1 j sin cos b b Z
1/ 6
6
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分支线耦合器可增加节数以拓展带宽
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RF&MW 尺寸压缩的准集中式分支线耦合器
0 jZ c AB CD j 0 Z c
(a )
(b )
图 6-2 L-C分支线型耦合器 (a) 低通式； (b) 高通式
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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:
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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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6.3 分支线型定向耦合器 RF&MW
6.3.1 分支线型定向耦合器原理
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步骤三: 计算特性阻抗：
1 1 Za 50 Ya aY0 1 1 Zb 35.3 Yb bY0
步骤四: 计算微带实际尺寸: 支线 50Ω W=0.83 mm, L=6.02mm 主线 35.3Ω W=1.36 mm, L=5.84 mm
图 6-1 耦合器方框图
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定向耦合器的参数则可定义为： 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 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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RF&MW ④
③
图 6-6平行线型耦合器
i1 1 Cm ic3 3 iL 2
ic4 4
图6-7
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。