射频电路14-定向耦合器20141030
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射频微波电路导论(第二版) 第6章 定向耦合器
1
2
P1
P2
Z
Z
Z0e
Z0o
Z
Z
P4
4
P3
4
3
图 6-5平行线型耦合器
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, 如 图6-6所示。所以能量从1口输入,则耦合口是4口。
而在3口因为电耦合电流的ic3与磁耦合电流iL的作用相反 而能量互相抵消,故3口是隔离口。
步骤一: 确定耦合器的指标,C=-10dB,fc=400MHz, Z0=50 Ω。
步骤二: 利用下列公式计算K、Z0s、 Z0p：
步骤三: 利用下列公式计算元件值：
C1
1
2f c Z 0 s
8.59 pF
L2
Z0 p
2fc
56.68nH
步骤四: 进行仿真计算,如图 6-3 所示。
图 6-3低通L-C支路型耦合器等效电路
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。
1 Z0
Ls
P1
Cp
4
Ls
P4
(a)
2 P2
Cp
3 P3
1 Z0
Cs
P1
Lp
4
Cs
P4
2 P2
ห้องสมุดไป่ตู้Lp
3 P3
(b)
图 6-2 L-C (a) 低通式； (b) 高通式
插入损耗
T (dB) 10lg P2 10lg 1
P1
S21 2
C(dB) 10lg P3 10lg 1
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
归一化转移参量
[ Ao
]
Ao Co
Bo
Do
a2 R b
j b R
j R (b a1a2 b) a1 b R
17
第六章 定向耦合器
Ae Ao , Be Bo , Ce Co , De Do 奇偶模网络参量关系
Ur1o
(1) 匹配特性：在理想情况下，它的四个端口是完全匹配的，只要1和2
端口能调到匹配，3和4端口一定匹配，即S11=S22=S33=S44=0 ；
(2) 隔离特性：当3和4端口具有隔离特性时，即S34=S43=0，则1和2端口 也具有隔离特性，即S12=S21=0；
(3) 平分特性：当信号由3端口输入时，则同相等分给1和2端口，即S13
Ur3
R
( Ae
Be )
R2ba2 jbR 1 a22R2
Ur3
2
R2b2 1 a22R2
R 10C
10
R2b2 1 a22R2
.....................................(2)
19
第六章 定向耦合器Biblioteka 联立得a1
10C
10
1
路的路程差为p0/2，即相位差为，故两路信号在D点相抵消，使4端口
无输出。 （二)双分支定向耦合器的特性分析 1.前提条件：仅从1口输入电压，设Ui1＝1v，其他各口均接匹配负载
14
第六章 定向耦合器
2.奇偶模等效法分析设计有关参数
U i1
1
1 2
1 2
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。
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South China University of Technology
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 10lg 1 10lg 20lg S31 2 P3 b3 S31
Research Institute of Antennas & RF Techniques
South China University of Technology
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
South China University of Technology
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
Research Institute of Antennas & RF Techniques
14.1 引言
定向耦合器是一种功率有方向性耦合的器件，
South China University of Technology
S.C
PEC
奇模激励
Research Institute of Antennas & RF Techniques
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
Research Institute of Antennas & RF Techniques
South China University of Technology
当奇模激励时 a1 a3 ao1，b1 b3 bo1 a2 a4 ao 2，b2 b4 bo 2
South China University of Technology
(4) (1)
(3) (2)
(3) (1) (b)
(4) (2)
(a)
同向定向耦合器
反向定向耦合器
Research Institute of Antennas & RF Techniques
除了所有器件都有的一些指标外，如电压驻
14.2 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。 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
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@
Research Instit源自te of Antennas & RF Techniques
第14讲内容
South China University of Technology
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。
Research Institute of Antennas & RF Techniques
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]
Research Institute of Antennas & RF Techniques
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。
Research Institute of Antennas & RF Techniques
定向耦合器是一个四端口网络，它有输入端
South China University of Technology
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
可得
South China University of Technology
| 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
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。
Research Institute of Antennas & RF Techniques
2
方向性D定义
D 10lg
P3 S 20lg 31 P4 S41
理想情况下
P4 0, D
Research Institute of Antennas & RF Techniques
隔离度I定义
South China University of Technology
I 10lg
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。
Research Institute of Antennas & RF Techniques
South China University of Technology
O.C
PMC
偶模激励
Research Institute of Antennas & RF Techniques
单根偶模传输线的A矩阵为
jZ 0e sin cos [ Ae ] 1 sin cos j Z 0e
South China University of Technology
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
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。
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
South China University of Technology
South China University of Technology
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
12 13 900
Research Institute of Antennas & RF Techniques
设S13＝0（反向定向耦合器），则
South China University of Technology
2 2 | S | | S | 12 14 1 * * S S S S 12 14 14 12 0
14.3 平行耦合线定向耦合器
South China University of Technology
对称面
带状线结构
Il (3) IC1 (1) I1 I2
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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 10lg 1 10lg 20lg S31 2 P3 b3 S31
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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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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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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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当奇模激励时 a1 a3 ao1，b1 b3 bo1 a2 a4 ao 2，b2 b4 bo 2
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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
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
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第14讲
定向耦合器
褚庆昕
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第14讲内容
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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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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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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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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
可得
South China University of Technology
| 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
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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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
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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O.C
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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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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
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。
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
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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
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
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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