第六章 定向耦合器
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2 当信号从端口4输入时，在端口2和端口3的相 位为90 ° ，端口2和端口3 相位相等；而端口 4的信号经过端口2到达端口1的相位为180 ° ， 经端口3到达端口1的相位为360 ° ，在端口1 抵消无信号输出，而在端口2和端口3同相等功 率输出
6.6 波导魔T
和端口1入射一个TE10模
电力线在波导4中显示出对称性，因此在端口1和端口 4之间没有耦合，但对端口2和端口3有相同的耦合， 结果是同相，等功率分配
2. 当信号从端口4输入时，从端口2和端口3等功 率同相输出，端口1成为隔离端，无信号输出， 端口1和端口4是隔离的
3. 由对称性也可知，端口2和端口3也是隔离的，
从波程差角度来理解环形桥定向耦合器
1 当信号从端口1输入时，端口2的相位为90°，到 端口3为270 ° ，故端口3比端口2滞后180 ° ； 而端口1信号经过端口2到达端口4的相位为180 ° ，经端口3到达端口4的为360 ° ，两路信号 相位相反，在端口4抵消无信号输出，而在端口2 和端口3反相等功率输出
耦合度
C(dB )10lgP3 P1
1 10lgS312
隔离度
I(dB)10lgP4 P1
1 10lgS412
方向性 D(dB)10lgP3 IC
P4
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
定向耦合器参数：耦合系数C（dB）、端口等效
阻抗Z0（Ω），电路的工作频率fc
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
phase(S(4,1))
-50 -60 -70 -80 -90 -100 -110
5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0
freq, GHz
主传输线上输入端和输出端相位相差90°，主传输 线长度等于中心频率7.5GHz的四分之一个波长
多节耦合线定向耦合器
单节耦合线定向耦合器器由于需要四分之一波 长长度，所以带宽上是受限制的，可以采用多 节结构增加其带宽。一般做成奇数个节，在中 心频率处每节的长度为四分之一波长。
各个端口的反射波的振幅可表示为
B1 12e 12o
B3
1 2Te
12To
B2 12Te 12To B4 12e 12o
通过ABCD传输矩阵可以分别得到奇偶模的反射系数 和传输系数
e 0
1
Te
(1 j) 2
o 0
To
1 (1 j) 2
叠加奇偶模的到的结果可得
B1 0
B2
j 2
端口1是匹配的
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
耦合度 这种设计有组于补偿偶模和奇模相速不相等，提
高带宽，带宽可以达到1个倍频程或者更宽 输出线之间有90°相位差，属于正交混合网络
缺点： 耦合线很窄，相互紧靠，还要横跨在耦合线的金
丝跳线加工比较困难
展开型Lange耦合器 所有耦合线都有相同的宽度和间距
6.4 3dB分之线定向耦合器
串联臂的特征阻抗为 Z0 / 2 ,并联臂的特征阻抗为Z0
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)
电耦合：通过耦合电 容Cm的耦合，在辅传 输线上激励起相反传 输方向的电流ic3和ic4， 与iL在端口4叠加从耦 合口4输出，而在端口 3相互抵消，端口3为
隔离端口
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)
端口2输出半功率，从端 口1到端口2移相-90°
B3
1 2
端口3输出半功率，从端 口1到端口2移相-180°
B4 0
端口4是隔离端，无功 率输出
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
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 3 主路输出端和主路输入端的功率比值，包括
k 10C1 0
Z0s Z0 1k
Z0p Z0
1k k
低通L-C式
cLs2fcLsZ0s
Z0p
1
cCp
1
2fcCp
高通L-C式
cLp2fcLpZ0p
Z0s
1
cCs
1
2fcCs
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
通过查找耦合线奇 偶模特征阻抗设计 数据图可得： S/d=0.85 S=0.85*0.508
=0.43mm
W/d=0.9 W=0.9*0.85
=0.46mm
λ/4@7.5GHz=3.9mm
AΒιβλιοθήκη BaiduS仿真原理图
m2
m1
freq=7.500GHz freq=7.500GHz
dB(S(3,1))=-19.293 dB(S(2,1))=-14.492
耦合损耗以及导体介质的热损耗
3 耦合度 4 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
插入损耗
T(dB )10lgP2 P1
10lgS2112
4 用微波设计软件验证优化
例如：设计一个耦合度为15dB的微带线定向耦合器， 中心频率为7.5GHz，基片厚度为0.508mm,介电常数 是10
由计算公式可得奇偶模阻抗：
15
C1020 0.1778
Z0e 50
10.177859.8ohms 10.1778
10.1778
Z0o50
41.8ohms 10.1778
单节微带定向耦合器实物图
6.3 Lange耦合器
普通的耦合线耦合器属于松耦合，耦合度一般较小。提 高边缘耦合的方法是几根彼此平行的线，以便线两边缘 的散射场对耦合都有贡献。Lange 耦合器就是这种耦合 器的一个典型应用。
微带电路设计的Lange耦合器
优点： Lange耦合器属于紧耦合方式，很容易达到3dB
由于需要由四分之一波长，分之线混合网路带宽 限制在10％～20％，可以使用多节机联的方式 使带宽提高10倍或者更高
在分之线耦合器结点处的不连续性效应需要并 联臂延长10°～20°
6.5 环形桥定向耦合器
端口的特征阻抗为Z0，环的特征阻抗为 Z0 / 2
环形桥定向耦合器特性
1. 当信号从端口1输入时，端口4隔离无信号输出， 端口2和端口3等功率反相输出
差端口4入射一个TE10模
由互易性，端口1和端口4之间还是没有耦合。端口2 和端口3受输入波等激励，相位相差180°，等功率分 配，相位反相
6.6 波导魔T
和端口1入射一个TE10模
电力线在波导4中显示出对称性，因此在端口1和端口 4之间没有耦合，但对端口2和端口3有相同的耦合， 结果是同相，等功率分配
2. 当信号从端口4输入时，从端口2和端口3等功 率同相输出，端口1成为隔离端，无信号输出， 端口1和端口4是隔离的
3. 由对称性也可知，端口2和端口3也是隔离的，
从波程差角度来理解环形桥定向耦合器
1 当信号从端口1输入时，端口2的相位为90°，到 端口3为270 ° ，故端口3比端口2滞后180 ° ； 而端口1信号经过端口2到达端口4的相位为180 ° ，经端口3到达端口4的为360 ° ，两路信号 相位相反，在端口4抵消无信号输出，而在端口2 和端口3反相等功率输出
耦合度
C(dB )10lgP3 P1
1 10lgS312
隔离度
I(dB)10lgP4 P1
1 10lgS412
方向性 D(dB)10lgP3 IC
P4
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
定向耦合器参数：耦合系数C（dB）、端口等效
阻抗Z0（Ω），电路的工作频率fc
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
phase(S(4,1))
-50 -60 -70 -80 -90 -100 -110
5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0
freq, GHz
主传输线上输入端和输出端相位相差90°，主传输 线长度等于中心频率7.5GHz的四分之一个波长
多节耦合线定向耦合器
单节耦合线定向耦合器器由于需要四分之一波 长长度，所以带宽上是受限制的，可以采用多 节结构增加其带宽。一般做成奇数个节，在中 心频率处每节的长度为四分之一波长。
各个端口的反射波的振幅可表示为
B1 12e 12o
B3
1 2Te
12To
B2 12Te 12To B4 12e 12o
通过ABCD传输矩阵可以分别得到奇偶模的反射系数 和传输系数
e 0
1
Te
(1 j) 2
o 0
To
1 (1 j) 2
叠加奇偶模的到的结果可得
B1 0
B2
j 2
端口1是匹配的
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
耦合度 这种设计有组于补偿偶模和奇模相速不相等，提
高带宽，带宽可以达到1个倍频程或者更宽 输出线之间有90°相位差，属于正交混合网络
缺点： 耦合线很窄，相互紧靠，还要横跨在耦合线的金
丝跳线加工比较困难
展开型Lange耦合器 所有耦合线都有相同的宽度和间距
6.4 3dB分之线定向耦合器
串联臂的特征阻抗为 Z0 / 2 ,并联臂的特征阻抗为Z0
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)
电耦合：通过耦合电 容Cm的耦合，在辅传 输线上激励起相反传 输方向的电流ic3和ic4， 与iL在端口4叠加从耦 合口4输出，而在端口 3相互抵消，端口3为
隔离端口
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)
端口2输出半功率，从端 口1到端口2移相-90°
B3
1 2
端口3输出半功率，从端 口1到端口2移相-180°
B4 0
端口4是隔离端，无功 率输出
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
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 3 主路输出端和主路输入端的功率比值，包括
k 10C1 0
Z0s Z0 1k
Z0p Z0
1k k
低通L-C式
cLs2fcLsZ0s
Z0p
1
cCp
1
2fcCp
高通L-C式
cLp2fcLpZ0p
Z0s
1
cCs
1
2fcCs
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
通过查找耦合线奇 偶模特征阻抗设计 数据图可得： S/d=0.85 S=0.85*0.508
=0.43mm
W/d=0.9 W=0.9*0.85
=0.46mm
λ/4@7.5GHz=3.9mm
AΒιβλιοθήκη BaiduS仿真原理图
m2
m1
freq=7.500GHz freq=7.500GHz
dB(S(3,1))=-19.293 dB(S(2,1))=-14.492
耦合损耗以及导体介质的热损耗
3 耦合度 4 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
插入损耗
T(dB )10lgP2 P1
10lgS2112
4 用微波设计软件验证优化
例如：设计一个耦合度为15dB的微带线定向耦合器， 中心频率为7.5GHz，基片厚度为0.508mm,介电常数 是10
由计算公式可得奇偶模阻抗：
15
C1020 0.1778
Z0e 50
10.177859.8ohms 10.1778
10.1778
Z0o50
41.8ohms 10.1778
单节微带定向耦合器实物图
6.3 Lange耦合器
普通的耦合线耦合器属于松耦合，耦合度一般较小。提 高边缘耦合的方法是几根彼此平行的线，以便线两边缘 的散射场对耦合都有贡献。Lange 耦合器就是这种耦合 器的一个典型应用。
微带电路设计的Lange耦合器
优点： Lange耦合器属于紧耦合方式，很容易达到3dB
由于需要由四分之一波长，分之线混合网路带宽 限制在10％～20％，可以使用多节机联的方式 使带宽提高10倍或者更高
在分之线耦合器结点处的不连续性效应需要并 联臂延长10°～20°
6.5 环形桥定向耦合器
端口的特征阻抗为Z0，环的特征阻抗为 Z0 / 2
环形桥定向耦合器特性
1. 当信号从端口1输入时，端口4隔离无信号输出， 端口2和端口3等功率反相输出
差端口4入射一个TE10模
由互易性，端口1和端口4之间还是没有耦合。端口2 和端口3受输入波等激励，相位相差180°，等功率分 配，相位反相