3dB_耦合器设计入门

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基于耦合带线超宽带耦合器的分析与设计

基于耦合带线超宽带耦合器的分析与设计谢成发,彭高森,郑智潜,胡善祥　(华东电子工程研究所,安徽合肥230031)摘　要:介绍了一种基于耦合带线超宽带耦合器的分析与设计。

实际设计的超宽带3dB 耦合器在1.2～4.2G Hz 相对带宽110%的频带内,插入损耗小于0.5dB ,带内波纹大于-0.25dB 小于+0.35dB ,端口隔离大于17dB ,端口驻波小于1.3。

关键词:耦合器超宽带耦合带线中图分类号:T N81113　文献标识码:A 文章编号:1009-0401(2008)03-0026-03The analysis and design of an ultra 2br oadband couplerbased on coup ling stri p lineXIE Cheng 2fa,PEN G Ga o 2sen,ZHENG Zhi 2qia n,HU Sha n 2xia ng(E ast Ch ina R e search I ns titu te of E lectr on ic E ng ineering,Hefei 230031,Ch ina )A bstra ct :I n this paper,the analysis and design of an ultr a 2br oadband coup ler ba sed on coup ling stri p 2line is intr oduced .I n the frequency r ange of 1.2～4.2G H z and w ithin the rela tively bandwidth 110%,the results of the design are:loss <0.5d B ;20.25d B <ripple <+0.35;isolati on >17dB;VS W R <1.3.Keywor ds:coup ler ;ultra 2br oad band;coup ling stri p line1　引　言随着雷达、通信、电子对抗等领域的发展,宽带、超宽带技术得到了广泛的应用。

3db定向耦合器原理

3db定向耦合器原理引言3db定向耦合器是一种常见的微波器件，广泛应用于无线通信、雷达系统和微波电路中。

本文将介绍3db定向耦合器的原理及其在实际应用中的作用。

一、3db定向耦合器的基本原理3db定向耦合器是一种四端口器件，由两个耦合器和两个耦合器之间的传输线构成。

其基本原理是利用微波信号在传输线上的传播特性，实现耦合和分离的功能。

1.1 耦合和分离耦合器是一种能够将输入信号分为两个输出的器件，其中一个输出端口为主输出端口，另一个为耦合输出端口。

耦合输出端口输出的信号是从主输出端口输入信号中耦合出来的一部分。

耦合器的耦合度决定了主输出端口和耦合输出端口之间的功率分配比例。

1.2 传输线的特性传输线上的电磁波在传播过程中会发生反射和透射，这取决于传输线的特性阻抗和长度。

当传输线的特性阻抗等于负载的阻抗时，传输线上的信号将完全传输到负载上；当传输线的特性阻抗不等于负载的阻抗时，部分信号将被反射回来。

二、3db定向耦合器的工作原理3db定向耦合器是通过将两个耦合器和两个传输线相互耦合连接而成的。

其工作原理如下：2.1 信号的耦合和分离当输入信号通过传输线进入耦合器时，一部分信号将从主输出端口输出，另一部分信号将从耦合输出端口输出。

耦合输出端口输出的信号是通过传输线之间的耦合实现的。

在理想情况下，耦合输出端口输出的功率占输入功率的一半，即耦合度为3dB。

2.2 信号的相位差由于两个传输线之间存在一定的相位差，导致从主输出端口输出的信号和耦合输出端口输出的信号之间存在相位差。

这个相位差可以通过调整传输线的长度来实现。

2.3 信号的分离通过调整传输线的长度，可以使主输出端口和耦合输出端口之间的信号达到90度的相位差，从而实现信号的分离。

2.4 功率的分配3db定向耦合器在主输出端口和耦合输出端口之间实现了功率的分配，主输出端口输出的功率为输入功率的一半，耦合输出端口输出的功率也为输入功率的一半。

三、3db定向耦合器的应用3db定向耦合器广泛应用于微波电路和射频系统中，常见的应用包括：3.1 功率分配由于3db定向耦合器可以将输入功率分配到主输出端口和耦合输出端口，因此可以用于实现功率的分配和控制。

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。

6～18GHz带状线渐变结构3dB耦合器的设计

５０．０１５
４９．９８５
１．４２０
５．３２６
３．３７３
１．９５３
－７．５８４８
５０．１１７４
４９．８８２９
１．４２０
４．１２９
２．７７５
１．３５５
－７．１６３４
５０．３７４４
４９．６２８３
１．４２０
３．４５４
２．４３７
１．０１７
－６．７４２０
５０．８０７
４９．２０５８
１．４２０
３．０１１
２．２１６
０．７９６
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆ＥｑｕｉｐｍｅｎｔＣｏ．Ｌｔｄ，Ｍｉａｎｙａｎｇ６２１０１０，Ｓｉｃｈｕａｎ，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎｅｗ６－１８ＧＨｚ３ｄＢｓｔｒｉｐｌｉｎｅｃｏｕｐｌｅｒｂａｓｅｄｏｎｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙｔａｐｅｒｅｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｂｙａｄｏｐｔｉｎｇａｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎｗｉｄｅｅｄｇｅｃｏｕｐｌｅｄｓｔｒｉｐｌｉｎｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｔｈｅｏｒｙｏｆｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｌｉｎｅｃｏｕｐｌｉｎｇ，ｏｄｄｅｖｅｎｍｏｄｅａｎａｌｙｓｉｓｔｈｅｏｒｙａｎｄｔｈｅｄｅｓｉｇｎｔｈｅｏｒｙｏｆｇｒａｄｉｅｎｔｌｉｎｅｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｃｏｕｐｌｅｒ，ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｂｔａｉｎｅｄｔｈｅａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅｗｅｉｇｈｔｉｎｇｆａｃｔｏｒｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｌｅａｓｔｓｑｕａｒｅｍｅｔｈｏｄ，ａｎｄｔｈｅｎｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｔｏｇｅｔｉｎｉｔｉａｌｉｍｐｅｄａｎｃｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅｃｏｕｐｌｅｒ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｔｈａｔｍｅｔｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｗｅｒｅｏｂｔａｉｎｅｄｔｈｒｏｕｇｈＨＦＳＳｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ．Ｂｅｓｉｄｅｓ，ｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅｃｏｕｐｌｅｒｓｉｎｔｈｅｈｉｇｈｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｃｒｅａｔｉｖｅｌｙｉｎｃｒｅａｓｅｄ４８ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｂｒａｎｃｈｅｓｏｎｔｈｅｇｒａｄｉｅｎｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｂａｓｉｃａｌｌｙｔｈａｔｔｈｅｉｎｓｅｒｔｉｏｎｌｏｓｓｏｆ３ｄＢｃｏｕｐｌｅｒｉｓｌｏｗｅｒｔｈａｎ０．７ｄＢ；ｉｔｓｐｈａｓｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｉｓｌｅｓｓｔｈａｎ７°，ｔｈｅｐｏｒｔｍａｔｃｈｉｎｇｄｅｇｒｅｅｉｓｍｏｒｅｔｈａｎ１５ｄＢ；ａｎｄｉｓｏｌａｔｉｏｎｄｅｇｒｅｅｉｓｇｒｅａｔｅｒｔｈａｎ１８ｄＢ．Ｓｕｃｈｒｅｓｕｌｔｓｗｅｒｅｂａｓｉｃａｌｌｙｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔｗｉｔｈｔｈｅｂａｓｉｃｔｈｅｏｒｙｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｃｏｕｐｌｅｒ；Ｇｒａｄｉｅｎｔ；Ｓｔｒｉｐｌｉｎｅ；Ｂｒｏａｄｂａｎｄ

耦合器设计--基本理论

式中f0是耦合器中心频率。
0 2f 0 C1 C2 Z 0o
平面结构的螺旋耦合器、折叠线型耦合器
9
耦合器结构型式众多，图5-50a是平面结构的螺旋耦合器，b是折叠线型耦合器。
（a）
（b）
图5-50 （a）螺旋耦合器；（b）折叠线型耦合器
3dB交叉指lange耦合器
Z 0o R Z 0e
7
图5-48 集中电容补偿微带耦合器
平行耦合线耦合器
对于准TEM模，输入匹配条件为 Z sin e Z 0 o sin o Z 0 0e Z sin Z
12
Z 0e Z 0o
l 90
1 2 e o 以及 2
图5-45
混合环和耦合器的性能由耦合系数、方向性以及负载特性决定，通常隔离端口接匹配负载。
微带分支电桥的工作原理
/4 y01=1 y02=1/R B y0 = b y0 = b D y04=1 （a） C y03=1/R 短路 y0 = a2 (3)
5
(1)
对称平面 (4) y0 = a1
A
1
耦合器设计
2
微带耦合器
微带耦合器
3
耦合器 couplers( 有时又叫混合环 Hybrids) 是微波电路中常用的无源器件，把电路元件直接连起来即可构成混合环，而耦合器一般由靠得很近的传输线构成，它们一般有四个端口，且每一端口为匹配负载端接，也就是说在给定频率范围内，端口的反射图5-44 微波混合环与耦合器是很小的，反射系数（a）分支线混合环；（b）集总参数分支混合环；一般小于0.1。
10
图5-44(d)所示3dB交叉指lange耦合器。端口1输入，端口2和3输出功率相等，但有90相移，其特点是频带宽，设计公式为

高功率三阶3dB介质定向耦合器的分析与设计

。年，第。第卷
第期
３１
ｌａｔ＆ａｐｉｔ器件与应用
图６中直通强于耦合，二者并未平衡，反射和隔离
达到了１Ｂ以下，合器开始进入谐振状态。在此基０ｄ耦础上，６～６对１６进行微调，并对ｄｈ，和进行相应调节，
【ｓａｔｃｏｄｎｏｔｅｏｅｔｎｐｉｃｌａｄｒｑｉｍｎｓｏｄｒｃｏａｃｕｌｒｈｒ－ｒｅＢｄｅｔｎｌｃｕｌｒＡｂｔｃ】Ａｃｒｉｇｔｈｐｒｉｒｉｅｎｅｕｒｅｔｆｉｔｎｌｏｐｅｓｔｉｏｄｒ３ｄｉｃｉａｏｐｅｒａｏｎｐｅｅｉ，ａｄｒｏ
耦合度响应。
．
６０
频率，ｚＭＨ
２高功率三阶３ｄ介质耦合器的设计与Ｂ测试
如图３和图４示，所这是一个无介质的三阶定向耦合器，阶长度相等，三均为７。中间节上下板之间空气６ｍｍ
图５无介质三阶３ｄＢ定向耦合器的Ｓ数曲线１参
耦合端口２和直通端口４的总电压为
：～＋
图３无介质三节３ｄＢ定向耦合器尺寸图
√ 一ｌＯ０ｊｉ０１ｋＣＳ＋ｎｓ
一— 。＋
√ 一ｊＣＳ＋ｎ１．Ｏ０ｊｉ０｝２ｓ
一
—
ｚｊ
（０１）
√ 一３ｏ＋ｎ１ｓｊｉ０ｃｓ
ｗｔａｒｓｏｐｉｇｉｈｉａｃｕｌｍｅｉｍｓｎｌｚｄｎｄｓｎｄｉｔｅｓｇｏＨＦＳＯｎｈｓａｉ，ｕｉｇｃｒｍｉｓｈｐｓｎｄｕｉａａｙｅａｄｅｉｅｗｔｈｕａｅｆｇｈＳ．ｔｉｂｓｓｓｎａｅａｃｃｉａｃｕｌｎｍｅｉｍ．ａｈｇ — ｏｅｈｒ — ｒｅ３Ｂｉｅｔｎｌｏｐｅｓｎｌｚｄｎｄｓｇｅ．Ｔｉｅａｃｃｎｉｓｏ￣３ｏｐｉｇｄｕｉｈｐｗｒｔｉｄｏｄｒｄｄｒｃｉａｃｕｌｒｉｏａａｙｅａｄｅｉｎｄｈｓｒｍｉｓｏｓｓｆＡｌ．ｃｔＯＯｎｔｅｐｅｓｆｅｏｇａｄｄｈｈｅａｃｈｐｃｎｉｒｖｈａａｉｔｆｖｌｇｒｓｓｎｅｆｔｅｃｕｌｒｎｈｈｒｍｉｅｏｎｕｈｂｎｗｉｔ，ｔｅｃｒｍｉｓｃｉａｍｐｏｅｔｅｃｐｂｌｙｏｏｔｅｅｉｔｃｏｈｏｐｅ，ａｄｔｅｉａａｈｇ — ｏｒｃｕｌｇｉａｈｅｅ．Ｔｉｏｐｅａｅｕｅｎｔｅｈｇ－ｏｒｂｏｄａｔｇｔａｓｔｒｓｓｍ．ｉｈｐｗｅｏｐｉｓｃｉｖｄｈｓｃｕｌｒｃｎｂｓｄｉｈｉｈｐｗｅｒａｃｓｉｒｎｍｉｅｙｔｎｎｔｅ

耦合器设计-基本理论

耦合器分类
根据不同的分类标准，耦合器可以分为多种类型。例如，根据传输信号的类型，可以分为模拟耦合器和数字耦合器；根据功率分配方式，可以分为一分二、一分四、一分八等不同类型。
耦合器的作用与重要性
作用
耦合器在通信、雷达、电子战、测量等领域中有着广泛的应用，主要用于功率分配、信号合成、信号分离等。
该方法精度高，适用于对性能要求较高的耦合器设计，但计算量大，设计周期较长。
基于经验公式的近似设计
01
经验公式是根据大量实验数据总结得出的近似公式，可以快速计算出耦合器的性能参数。
02
基于经验公式的近似设计方法简单、快速，适用于对性能要求
不高、设计周期较紧的情况。
但该方法精度较低，可能无法满足高性能耦合器的设计要求。
集成化
将耦合器与其他电子元件集成在同一芯片上，可以提高设备的可靠性和稳定性，降低成本。
高性能、低成本的设计目标
高性能
追求高效率、低损耗、高线性度等高性能指标，以提高耦合器的传输质量和稳定性。
低成本
通过优化设计、选用合适的材料和工艺，降低耦合器的制造成本，提高性价比和市场竞争力。
THANKS FOR WATCHING
电磁波的传播速度在真空中等于光速，在其他介质中的传播速度取决于介质的折射率。
电磁波的传播方向、电场和磁场的方向相互垂直，遵循右手螺旋定则。
耦合器的传输特性
耦合器是一种将信号从一根传输线耦合到另一根传输线的装置，其传输特性包括插入损耗
、隔离度、工作带宽等。
插入损耗是指耦合器对信号的衰减程度，通常以分贝(dB)为
单位表示。
隔离度是指耦合器对非目标传输线的抑制能力，即防止信号泄漏的能力。

基于dgs的超宽带3db定向耦合器的仿真设计

12.50
15.00
Freq [GHz]
Y1
XY Plot 2
daiduankou-3DGS ANSOFT
2.80
Curve Info
VSWR(1)
2.60
Setup1 : Sw eep
VSWR(2)
Setup1 : Sw eep
2.40
VSWR(3)
Setup1 : Sw eep
2.20
VSWR(4)
Curve Info
dB(S(2,1)) Setup1 : Sw eep
dB(S(3,1)) Setup1 : Sw eep
Y1 Y1
-37.50 0.00
17.50 15.00 12.50 10.00
7.50 5.00 2.50 0.00
0.00
2.50 2.50
5.00 5.00
7.50
10.00
VSWR(2) Setup1 : Sw eep
VSWR(3) Setup1 : Sw eep
VSWR(4) Setup1 : Sw eep
12.50
15.00
1.耦合度不够3dB 2.通带窄
当务之急
达到3dB的强耦合
Y1
DGS超宽带3dB定向耦合器设计
加入金属化过孔的3dB定向耦合器
孔的半径0.2mm
Curve Info
dB(S(3,1)) Setup1 : Sw eep banjing='0.15mm'
dB(S(3,1)) Setup1 : Sw eep banjing='0.17mm'
dB(S(3,1)) Setup1 : Sw eep banjing='0.19mm'

3dB定向耦合器的仿真设计与应用_陈峰

工程中使用桥式定阻抗合路器要求各输入有足够的隔离度，在双工单元中窄带输入到宽带输入的隔离度取决于 3dB 耦合器自身的隔离度，通常要达到 -30 dB 以上；窄带输入到宽带输入的隔离度取决于 3dB 耦合器和滤波器的隔离度通常可达到 -35 dB 以上。带通滤波器要有良好的选频特性，对通带内的信号功率有很小的损耗（一般小于 -0.5dB）, 而对带外干扰信号功率有足够的衰减，一般要求衰减 15dB 以上。
1 3dB 定向耦合器的特性
通常应用于广
播电视发射系统中
的 3dB 定向耦合
器是是一个四
图1
耦合结构，其原理
如图 1 所示。
单节 1/4λ
（λ 为中心频率波
长）3dB 耦合器
的内导体由两个等
宽的平行耦合板构
成，耦合板长度
为中心频率波长
根据仿真尺寸加工样机，实测的各 s 参数如图 9 所示。
图 9-1 是 SWR 参数，样机测试 FM 频段内最大 SWR<1.08。图 9-2 是 s21 参数 , 满足 -3.15<s21<-2.85 的范围要求。图 9-3 是 s31 参数＜ -35dB。图 9-4 是 s41 参数符合 -3.15<s21<-2.85 的范围要求。
频率 F1 和频率 F2 分别从耦合器 1 的两隔离端输入，经过耦合器 1 分成两路后分别经过长度为 L1 和 L2 馈线，L1 和 L2 长度要满足公式 (4)、(5) ：
m=0,1,2
(4)
波长
n=1,2,3
λ1 、λ2 分别对应 F1、F2 的 (5)
此时 F1、F2 在两路的相位满足 1 节 3. 所述特性条件，经过耦合器 2 后将频率 F1 和频率 F2 合成于同一出口。延迟

光波导加速度传感器中3dB耦合器设计

１光波导加速度传感器系统
９Ｏ年代开始人们关注集成光学传感器，如Ｂｒａｇｇ光栅加速
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｏｐｔｉｃａｌｗａｖｅｇｕｉｄｅａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｓｅｎｓｏｒｉｓａｐｒａｃｔｉｃａｌａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｓｅｎｓｏｒ，ｃｏｒｅｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｏｆｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ，ｓｕｃｈａｓＭｉｃｈｅｌｓｏｎ，Ｍａｃｈ — Ｚｅｈｎｄｅｒｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ，ｅｔｃ，ｔｏｆａｂｒｉｃａｔｅｏｐｔｉｃａｌａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ，ｃｏｎｔａｉｎ３ｄＢｃｏｕｐｌｅｒ．Ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆ３ｄＢｃｏｕｐｌｅｒｉｓｐａｒｔｉｃｕｌａｒｌｙｉｍｐｏｒｔａｎｔｆｏｒｄｅｔｅｃｔｉｏｎｐｒｅｃｉｓｉｏｎｏｆａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｓｅｎｓｏｒ．Ｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｏｐｔｉｃｌａｗａｖｅｇｕｉｄｅａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｓｅｎｓｏｒｉｓｄｅｓｃｒｉｂｅｄ，ａｎｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆ３ｄＢｃｏｕｐｌｅｒａｒｅｄｅｓｉｇｎｅｄ，ａｎｄｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅＯｐｔｉＢＰＭｉｓｕｓｅｄｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅ３Ｄｃｏｕｐｌｅｒ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｄｅｓｉｇｎｅｄ３ｄＢｃｏｕｐｌｅｒｈａｓｇｏｏｄｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ａｎｄｍｅｅｔｓｔｈｅｄｅｓｉｇｎｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ．

S频段宽带3dB定向耦合器的设计

S频段宽带3dB定向耦合器的设计韩星星【摘要】介绍了用宽边耦合来实现的2～3GHz、耦台度为3dB的宽带带状线定向耦合器,提出一种改进的宽带3dB电桥的设计方案,这种电桥具有体积小,差损低,稳定性好以及易于生产、调试的优点.利用HFSS软件进行优化设计,最终实测结果和仿真结果基本吻合,验证了研究结果的一致性.【期刊名称】《电子世界》【年(卷),期】2012(000)011【总页数】1页(P128)【关键词】3dB电桥;奇偶模分析法;小型化【作者】韩星星【作者单位】西安交通大学城市学院【正文语种】中文定向耦合器是微波系统中应用广泛的一种微波器件，它的功能是将微波信号按一定的比例进行功率分配。

在实现各种功能的微波组件以及整机中，都能看到定向耦合器发挥作用[1]。

3dB电桥是通信系统中常用的无源器件，尤其是在射频、微波电路与系统中应用广泛，本文描述的2-3GHz宽带3dB电桥是S频段馈源系统的重要组成部分，为了其使用在馈源中节省空间，有利于和其他器件连接，达到馈源系统小型化、紧凑型的目的，应使电桥体积小、稳定性好，并易于生产、调试。

定向耦合器的主要技术指标有耦合度、定向度、隔离度、输入驻波比和工作带宽[2]。

微波电路理论中通常采用奇偶模分析法来推导定向耦合器的主要参数，定向耦合器输入传输线特性阻抗Z0与耦合线的偶模阻抗Zoe、奇模阻抗Zoo满足如下关系[3]：根据耦合度定义可以推导出耦合度C和耦合系数k之间的关系为：已知奇偶模阻抗Z0e和Zoe，填充介质的相对介质re以及上下接地板间距b的条件下：采用上述奇偶模分析方法可以设计3dB定向耦合器。

由于在耦合较强时，选择窄边耦合时微带线间距很细，工艺上很难保证其精度，所以选取宽边耦合的带状线的结构。

工作波段为S波段（2-3GHz），中心频率 f 0 = 2 .5GHz ，输入输出传输线特性阻抗，耦合系数。

(2)式计算出耦合系数为0.7079，由(1)式可求出奇偶模的特性阻抗分别为 z 0o =z0=20.6778 z0e = 1 20.9025。

3dB电桥属定向耦合器

耦合器顾名思义，就是把信号耦合出来，也可以理解为把信号分出来，耦合器有分定向非定向，还有不同的dB值，在室内分部中用的比较多，当然在线路当中也可以用到。

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。

.
定向耦合器的应用
定向耦合器，由于它具有定向性，能对传输线中的信号实现定向耦合，而且耦合器输出的大小可控，因此，它在雷达馈线系统中常用作信号采集和注入元件，以实时监测馈线系统工作的质量。

这就是常说的监测定向耦合器。

在集中发射机的雷达馈线系统中，连接发射管的主馈线，功率很高，主馈线的输入驻波相对来说也较大，为了保护发射管的输出窗口。

监视主馈线的驻波并实现保护控制很有必要。

利用两只定向耦合器或一只双定向耦合器串接在发射管的输出端口，实时测量入射波和反射波信号的大小，并送控保电路以对发射管实现控保。

在大功率测量中，由于被测功率电平很高，直接测量有时十分困难，早期的大功率测量曾用流动的水作吸收负载，通过
测量进出水的温差测量功率，这种方法测量误差较大。

通过式大功率计，利用定向耦合器串接在吸受负载之前，耦合出少量功率进行测量，把大功率测量变为小功率测量。

总之，由于定向耦合器的定向耦合特性和耦合度大小可任意设计的特性，它在微波技术和雷达馈线系统中有较广泛的应用。

集总参数宽带3dB正交定向耦合器的分析方法

３２卷第１２期
ａ）第１种情形时：
吕芳芳，等：集总参数宽带３ｄＢ正交定向耦合器的分查
：皇皇苎！曼：
际的元件值时，频率选为８２０ＭＨｚ¨ ，都选为标称值，得到：Ｃ＝５．１ｐＦ，Ｌｐ＝４．３ｎＨ，Ｃ＝１．８ｐＦ，利用ＡＤＳ对其仿真，其结果如图８所示。
图３等效二端口网络
图中，Ｂ＝Ｂ，Ｂ。＝Ｂ一２／Ｘ，（ＮＢ＝Ｂ，所以ＩＢＩ＞ＩＢ。Ｉ）。图３关于面Ｂ一Ｂ也是对称的。再次使用奇偶模分析法，电路可简化为偶（奇）模偶模（记为ｅ（０）ｅ）和偶（奇）模－奇模（记为ｅ（ｏ）０）激励时的单端口网络。如图４所示。
表１不同激励模式下各端口叠加时的符号
由此，可以得出：
ｓｌｌ＝÷［（厂。＋Ｆ）＋（厂＋厂）］（２）
ｓ＝—｝［（厂一厂）＋（厂。一厂Ｕ。）］（３）
ｓ３＝÷［（Ｆ一Ｆ）一（Ｆ一Ｆ。）］（４）
ｓ＝÷［（Ｆ＋Ｆ。。）一（Ｆ。＋Ｆ）］（５）
图１定向耦台器的拓扑结构
可将图ｌ电路简化为图２所示。将图１和图２统一表示为图３。
Ｌ
—
（ａ）偶（奇）模一偶模激励
。＿一Ｌ — — — （ｈ）偶（奇）模 …奇模激励
图４简化的单端口网络模型
该四端口网络具有２个正交的对称平面。根据对称网络分析理论… ，该网络的散射参数矩阵只有４个独立分量，散射矩阵的形式为：
本文提出了一种集总参数的定向耦合器分析方法，该耦合器的拓扑结构基于文献［１］中的模型，如图１所示，并进行了严密的归一化频率特性分析，为了验证分析设计方法，本文最后给出一个实例的仿真实验结果进行验证。

Ka波段3dB定向耦合器的设计与仿真

Ka波段3dB定向耦合器的设计与仿真摘要：定向耦合器广泛地用在现代微波系统中，文中介绍了两种应用在平衡式放大器中的3dB 定向耦合器。

首先对微带分支线耦合器与波导耦合器进行了理论分析，然后利用电磁仿真软件HFSS，对两种耦合器进行了建模仿真、仿真结果验证了这两种定向耦合器的可实现性，最后比较了两种耦合器的性能，并且总结了各自的特点。

关键词：Ka 波段；定向耦合器；分支线耦合器；波导耦合器1 引言在微波通信系统中定向耦合器是一种用途广泛的微波器件，比如可以用在在信号发生器中的功率临视装置，以及接收机中的混频器。

另外，自动增益控制、平衡式放大器、反射计以及调相器和微波阻抗电桥等测量仪器也要用到定向耦合器。

构成定向耦合器的结构有波导、微带线、带状线、同轴线等。

因此，定向耦合器的种类很多，但是不同种类的定向耦合器差异很大。

平衡式放大器的稳定性很好，输入输出驻波也很低，而且由于良好的低噪声特性，平衡结构的放大器在微波波段的低噪声放大器中被普遍采用。

因此对于平衡式放大器中定向耦合器的研究就具有很高的现实意义。

本文对微带分支线耦合器和波导E 面耦合器做了理论分析，然后利用电磁仿真软件进行了建模仿真，通过对仿真结果做了比较，最后得出结论。

2 耦合器的分析与设计(1)主要设计指标工作频带：29GHz～31GHz 同波损耗：≤-20dB 输出端口幅度不平衡度：≤1 dB 输出端口隔离度：≤-20dB (2)分支线耦合器的分析与仿真如图1 所示，分支线定向耦合器有主线、副线和两条分支线组成，其中分支线的长度和间距均为中心频率工作波长的。

设主线入口线1 的特性阻抗为Z1=Z0，主线出口线2 的特性阻抗Z2=Z0k(k 为阻抗变换比)，副线隔离端4 的特性阻抗为Z4=Z0，副线耦合端3 的特性阻抗为Z3=Z0k，平行连接线的特性阻抗为ZOP，两个分支线特性阻抗分别为Zt1 和Zt2。

耦合器设计--基本理论

7
图5-48 集中电容补偿微带耦合器
平行耦合线耦合器
对于准TEM模，输入匹配条件为 Z sin e Z 0 o sin o Z 0 0e Z sin Z sin o 0o e 0e
8 Biblioteka 12Z 0e Z 0o
l 90
1 2 e o 以及 2
图5-47 （a）方形分支电桥；（b）圆形分支电桥
平行耦合线耦合器
平行耦合线耦合器（见图5-48）具有对称性： 1、对称面上电流=0，电压最大，相当于开路，称为偶对称；2、另一种分布，对称面上电压 =0，电流最大，相当于短路，称为奇对称。耦合线上任何场分布都可看成奇模与偶模场分布的组合。基于奇、偶模分析可得到耦合线结构 3dB定向耦合器的设计方程，如下。
(2)
/ 4
开路
（b）
A
1 a1 /8
/4 b
B 1/R a2 /8 1
A
/4 b a1
B
（c）
1/R a2 /8 （e）
/8
（d）
图2-46 微带双分支定向耦合器
环形分支电桥原理
6
对于3dB耦合器，并联臂和串联臂的阻抗分别为Zp=Z0、 Zr=Z0/ 2 ，Z0是输入端和输出端特征阻抗。所以串联臂微带线导带宽度比并联臂宽，如图5-47a。微带双分支定向耦合器也可作成圆形结构，叫做环形分支电桥，如图5-47b。从1臂输入功率平分到左右两个分支，它们到4臂路径相差半个波长，即/2，相位相反，故4臂没有输出，为隔离臂。从1臂到2臂、3臂功率相等，但路径相差/4，因而有90相位差。方形分支电桥、环形分支电桥，在混频器电路中应用甚广。

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MTI
ISO 9001 Certified
.tr/~microwave/programs/magnetic/dcoupler/dcoupler.htm
Directional Coupler(4)
Step 3: To design the Length of parallel line Odd mode Wavelength Even mode Wavelength
Step 1: According to “Coupling Factor” to decide “Even mode Impedance” and “Odd mode Impedance”
Coupling factor decide by designer
c = 10
− C / 20
Odd mode Impedance
Homework exercise 2
Design Directional Coupler Design
Regarding to your sustaining product to design one directional coupler By paper or power point
Or Design Divider/ Quadrature (90º) Hybrid
3dB_耦合器设计入门
52-5120 Training Course
- Passive Component Design -Coupler/Power divider
Prepare by: Peter Huang Date: 07/21/2005
MTI
ISO 9001 Certified
Contents
Regarding to your sustaining product to design one divider or 90 hybrid By pape1 Certified
References
David M. Pozar, “Microwave Engineering” .tw/chu/e-medi@waves.htm .tr/~microwave/program s/magnetic/dcoupler/dcoupler.htm
MTI
ISO 9001 Certified
Office2000
Measuring Coupler Directivity
Pc C Load
Pc M= Pmax Pmax m= Pmin
Vi,Pi
Pmax, Pmin Sliding Load
Directivity : D
C/D
C
MTI
Vi,Pi
ISO 9001 Certified
λ0 λgo = ε eff ,o
the Length of parallel line
λ0 λge = ε eff ,e
1 ( λgo + λge ) l= × 4 2
Step 4: According to w, s, and l to simulation the directional coupler by Microwave
Z0
λ
4
Z0
2Z 0
MTI
ISO 9001 Certified
100 ohm
The Quadrature (90º) Hybrid
1
Z0
Z0 2
2
Z0
λ
4
RS E RS E I=2 DR I=1 DR R10Om R10Om =0 h =0 h
Z0
Z0 2
3
λ
4
MTI
ISO 9001 Certified
RF, RFIC & Microwave Theory, Design
MTI
ISO 9001 Certified
MTI
ISO 9001 Certified
Directional Coupler(1)
Input Through
Coupled
Isolated
MTI
ISO 9001 Certified
2
21
Directional Coupler(2)
Directional Coupler Design Step:
Directional Coupler Measuring Coupler Directivity Lenge Coupler Lenge Coupler example The Wilkinson Power Divider The Quadrature (90º) Hybrid Homework exercise 2
2m D = M( ) m +1
Lenge Coupler
MTI
ISO 9001 Certified
Lenge Coupler-example
MTI
ISO 9001 Certified
Lenge Coupler Simulation
MTI
ISO 9001 Certified
The Wilkinson Power Divider
Even mode Impedance
Z 0o = Z 0
MTI
ISO 9001 Certified
1− c 1+ c
Z 0e = Z 0
1+ c 1− c
Directional Coupler(3)
Step 2: According to “Even mode Impedance” and “Odd mode Impedance” to calculate the Wide and Gap width of Coupling line