射频电路14-定向耦合器20141030

South China University of Technology
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第二步，求平行耦合线定向耦合器实现条件 为使平行耦合线构成完全匹配的反向定向耦 合器，必须有 S11 S41 0
Z0e Z0 Z0o Z0 Z0e Z0 Z0o Z0 应有 Z Z Z Z 和 Z Z Z Z 0 0e 0 0o 0 0e 0 0o
1 S21 ( S21e S 21o ) 2 41 1 1 Z0e Z0 Z 0o Z 0 2 cos j sin ( ) 2 cos j sin ( ) Z0 Z0e Z 0 Z 0o
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12 13 900
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设S13＝0（反向定向耦合器），则
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2 2 | S | | S | 12 14 1 * * S S S S 12 14 14 12 0
可得
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| S12 |2 | S13 |2 | S14 |2 1 * * S S S S 13 14 14 13 0 * * S S S S 12 14 14 12 0 S S * S S * 0 12 13 13 12
14.2 理想定向耦合器特性
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【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
S12 S21 S34 S43 S13 S31 S24 S42 S14 S41 S23 S23 S11 S22 S33 S44 0
平行耦合线等效为单根奇模传输线，
S11o S11 S31 S21o S21 S41
同理，可得奇模传输线的散射参数，只 须在偶模传输线的散射参数公式中将下 标e变为o即可。
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当信号从端口1输入时，一部分信号沿着主传 输线1-2传输，一部分通过缝隙耦合到副传输 线3-4上。耦合包括电场耦合（等效为电容耦 合）和磁场耦合（等效为电感耦合）。 通过电容耦合到副线上的电流分别向端口3和 端口4传输（Ic3和Ic4），而通过电感耦合到副 线的电流只向端口3传输（Il）。 两种电流在端口3同向相加，在端口4反向相 减。在适当的耦合条件下两部分信号在端口4 相互抵消，使端口4无输出，只有端口2和3有 输出，从而构成反向定向耦合器。
引言 理想定向耦合器的特性
平行耦合线定向耦合器
分支线定向耦合器 波导定向耦合器 混合环
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14.1 引言
定向耦合器是一种功率有方向性耦合的器件，
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由于传输线两端接匹配负载，所以
Z oe Z 0 A12 j sin ( ) A11 A21Z 0 A22 Z0 Z 0 Z oe S11e A12 Z oe Z 0 A A Z A 2 cos j sin ( ) 11 21 0 22 Z0 Z 0 Z oe 2 2 S 21e A Z Z A11 12 A21Z A22 2 cos j sin ( oe 0 ) Z0 Z 0 Z oe
0 S [ S ] 12 S13 S14
S12 0 S14 S13
S13 S14 0 S12
S14 S13 S12 0
利用无耗网路S矩阵的幺正性
[ S ] [ S ] [1]
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2
方向性D定义
D 10lg
P3 S 20lg 31 P4 S41
理想情况下
P4 0, D
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隔离度I定义
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I 10lg
对应为 Z Z0e Z0o
2 0
在此条件下，有
Z0e Z0o 式中 k0 Z0e Z0o
S11 0 1 k02 S12 1 k02 cos j sin jk0 sin S 31 2 1 k 0 cos j sin S 41 0
O.C
PMC
偶模激励
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单根偶模传输线的A矩阵为
jZ 0e sin cos [ Ae ] 1 sin cos j Z 0e
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得证。
e j (12 14 ) e j (12 14 ) 2cos(12 14 ) 0 12 14 900
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（能量守恒）。 理想定向耦合器直通端与耦合端相差90度。
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严格分析
第一步：求平行耦合线的散射矩阵 平行耦合线具有互易、对称特性，所以
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射频电路 RF Circuits
第14讲
定向耦合器
褚庆昕
华南理工大学电子与信息学院 天线与射频技术研究所 Email:qxchu@scut.edu.cn
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第14讲内容
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平行线等效为单根偶模传输线。
be [ Se ]ae
S11e S11 S31 S21e S21 S41
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S.C
PEC
奇模激励
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于是，任意激励时平行耦合线的散射参数
1 S11 ( S11e S11o ) 2 31 Z0e Z0 Z0o Z0 j sin ( ) j sin ( ) Z 0 Z 0e Z0 Z0o Z Z Z Z 4cos 2 j sin ( 0 e 0 ) 4cos 2 j sin ( 0 o 0 ) Z 0 Z 0e Z0 Z 0o
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波比、工作带宽等，定向耦合器的主要技术 指标有耦合度、方向性和隔离度。
设输入功率为P1，直通端、耦合端和隔离端
匹配时的输出功率分别为P2, P3, P4.
耦合度C定义
C 10lg P a 1 1 10lgБайду номын сангаас1 10lg 20lg S31 2 P3 b3 S31
P 1 20lg S41 P4
理想情况下 P4 0, I 显然
P3 P 1 1 1 I 10lg 10lg 20lg 20lg CD P3 P4 S31 S41
实际上，方向性和隔离度同属表征定向 耦合器定向性的指标，故而取其一就够 了。
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当奇模激励时 a1 a3 ao1，b1 b3 bo1 a2 a4 ao 2，b2 b4 bo 2
（端口1）、直通端（端口2）、耦合端（端 口3）和隔离端（端口4)。
当信号从输入端输入时，一部分功率直接从
直通端输出，还有一部分功率耦合到耦合端 输出，但不会从隔离端输出。
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” 。
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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。
定向耦合器的种类繁多。
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定向耦合器是一个四端口网络，它有输入端
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(4) (1)
(3) (2)
(3) (1) (b)
(4) (2)
(a)
同向定向耦合器
反向定向耦合器
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除了所有器件都有的一些指标外，如电压驻
可见，S12、S13和S14中必然有一个为零，由
于端口2为直通端口，故S12不为零。 设S14＝0（正向定向耦合器），则
2 2 | S12 | | S13 | 1 * * S S S S 12 13 13 12 0
e j (12 13 ) e j (12 13 ) 2cos(12 13 ) 0
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S13和S12相位相差90度，故平行耦合线定向耦
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合器是一全波段90度反向定向耦合器。 耦合系数公式
S 11 S 12 S 13 S 14
S 22 S 33 S 21 S 34 S 31 S 24 S 41 S 23
S 44 S 43 S 42 S 32
b [ S ]a
采用奇偶模激励法分析。当偶模激励时:
a1 a3 ae1，b1 b3 be1 a2 a4 ae 2，b2 b4 be 2
14.3 平行耦合线定向耦合器
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对称面
带状线结构
Il (3) IC1 (1) I1 I2
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(4) IC2
(2)
等效电路
工作原理（定性解释）