12_定向耦合器
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Guangzhou College of SCUT
Dept of Electronic & Information Engineering
广州学院
耦合线参数：偶模 w=0.941 mm，s=0.736mm，Zce＝60.07Ω (设计 值59.9)λge=1*360/9.64= 37.34 mm
Guangzhou College of SCUT
6.2 理想定向耦合器特性
【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。
Guangzhou College of SCUT
证明：根据互易、对称、完全匹配，有
S11 S22 S33 S44 0 S12 S21 S34 S43 S13 S31 S24 S42 S14 S41 S23 S23
分支线定向耦合器
混合环
教材P129-138
Dept of Electronic & Information Engineering
广州学院
6.1 定向耦合器的技术指标
定向耦合器是一种有方向性的功率耦合器件，
Guangzhou College of SCUT
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。
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。
Dept of Electronic & Information Engineering
12 13 900
Dept of Electronic & Information Engineering
广州学院
设S13＝0（反向定向耦合器），则
| S12 |2 | S14 |2 1 * * S12 S14 S14 S12 0
Guangzhou College of SCUT
耦合器。
按照输出的方向分类：同向定向耦合器、反向
定向耦合器。
Dept of Electronic & Information Engineering
广州学院
定向耦合器是一个四端口网络，它有输入端
（端口1）、直通端（端口2）、耦合端（端 口3）和隔离端（端口4)。
Guangzhou College of SCUT
当信号从输入端输入时，除了一部分功率直
接从直通端输出外，同时还有一部分功率耦 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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可得
Guangzhou College of SCUT
| S12 |2 | S13 |2 | S14 |2 1 * * S13 S14 S14 S13 0 * * S12 S14 S14 S12 0 S S * S S * 0 12 13 13 12
定向耦合器的种类繁多。
Dept of Electronic & Information Engineering
广州学院
按照传输线类型分类：波导型、同轴线型、微
带线型和带状线型。
按照耦合方式分类：平行耦合线、分支线耦合
Guangzhou College of SCUT
和口径耦合。
按照输出相位分类：900定向耦合器、1800定向
在实际应用中，常对定向耦合器的工作频带内 提出一个最低的方向性要求。
Dept of Electronic & Information Engineering
广州学院
隔离度Байду номын сангаас定义
P 1 1 I 10lg 20lg P4 S41
Guangzhou College of SCUT
理想情况下 P4 0, I 显然
(4)
Guangzhou College of SCUT
(3)
(3)
(4) (2) (b)
(1) (a)
(2)
(1)
同向定向耦合器
反向定向耦合器
Dept of Electronic & Information Engineering
广州学院
除了所有器件都有的一些指标外，如电压驻波
比、工作带宽外，定向耦合器的主要技术指标 有耦合度、方向性和隔离度。
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6.5 混合环
Guangzhou College of SCUT
对称面
Zr
Dept of Electronic & Information Engineering
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工作原理
根据混合环的结构特点，不难得到，当信号 从端口1输入时，端口2和端口3等幅同相输出， 而端口4无输出； 从端口4输入时，端口2和端口3等幅反相输出， 而端口1无输出； 从端口2和端口3等幅同相输入，端口1有输出， 而端口4无输出。端口1称为和端口； 从端口2和端口3等幅反相输入，端口1无输出， 而端口4有输出，端口4称为差端口。
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MWO仿真
Guangzhou College of SCUT
耦合度不满足指标要求
Dept of Electronic & Information Engineering
广州学院
MWO仿真调整-利用TUNER工具
Guangzhou College of SCUT
耦合系数 ZCe与ZCo
ZCe ZC
k 10
C 20
0.178
1 k 1 k 59.9, ZCo ZC 41.8 1 k 1 k
Dept of Electronic & Information Engineering
定向耦合器称为强耦合定向器。
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方向性D定义
P3 S31 D 10lg 20lg P4 S41
Guangzhou College of SCUT
D越大，反向传输的功率越小，方向性越好。
理想情况下： P4 0, D
而端口2的输出波是由K1和H1-K1-H1两条分支
线传输过来的波，且反相相减，端口4的输出 波是由H1和K1-H1-K1两条分支线传输过来的 波，也是反相相减。如果适当地选择微带线特 性导纳K1和H1，可以使得端口4没有输出，而 端口2有输出，且相位与端口3相差90度；
因此，这种定向耦合器为正向定向耦合器。
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广州学院
工作原理（定性分析）
当电磁波由端口1输入时，端口3上的输出波是
Guangzhou College of SCUT
有由K1-H1线和H1-K1的两条分支线传输过来 的波，且同相相加，因此，端口3有输出；
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耦合线长度
Guangzhou College of SCUT
书中，
Dept of Electronic & Information Engineering
广州学院
MWO建模
Guangzhou College of SCUT
S31 P P 1 3 1 I 10lg 10lg 20lg 20lg CD P P4 S31 S41 3
实际上，方向性和隔离度同属表征定向 耦合器定向性能的指标，故而取其一就 够了。
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广州学院
Guangzhou College of SCUT
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。
Dept of Electronic & Information Engineering
广州学院
改善频带宽度的方法
单节耦合线定向耦合器的频带比较窄，为了增
宽频带可采用多节定向耦合器相级联。
平行耦合线定向耦合器的耦合强弱与两线间距
Guangzhou College of SCUT
有关，间距愈小，耦合愈强。但耦合太强，工 艺上又无法实现，因此常采用两只弱耦合定向 耦合器相串接的办法得到强耦合定向耦合器。
广州学院
6.3 平行耦合线定向耦合器
对称面
Guangzhou College of SCUT
带状线结构
Il
(3)
IC3 (1) IC4
(4)
等效 电路
(2) I1 I2
Dept of Electronic & Information Engineering
广州学院
工作原理（定性解释）
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）。
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]
Dept of Electronic & Information Engineering
当w=0.95 mm，s=0.77 mm时满足指标要求
Guangzhou College of SCUT
Dept of Electronic & Information Engineering
广州学院
6.4 分支线定向耦合器
（4）
Guangzhou College of SCUT
，
（2）
K1 , H1 分别为各支线的特性导纳，在中心频率 上支线长度均为1/4波长，电长度为 0 / 2 K 0为输入输出线的特性导纳。
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
| S12 |2 | S13 |2 1 * * S12 S13 S13 S12 0
e j (12 13 ) e j (12 13 ) 2cos(12 13 ) 0
广州学院
射频电路与天线 RF circuits and antennas
第六章
定向耦合器
Dept of Electronic & Information Engineering
广州学院
主要内容
定向耦合器的技术指标
Guangzhou College of SCUT
理想定向耦合器的特性 平行耦合线定向耦合器
Dept of Electronic & Information Engineering
广州学院
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Dept of Electronic & Information Engineering
广州学院 [例6-1]设计一平行耦合线定向耦合器，中心频率 f0=3GHz,耦合度C=15dB，输入输出线特性阻抗 Zc=50Ω,介质基片εr=9.6,h=1mm。 解: 设计参数确定
广州学院
物理尺寸确定 根据Zc=50Ω，应用MWO中的TXLINE，可得输
入输出微带线宽度W1=0.98mm
Guangzhou College of SCUT
Dept of Electronic & Information Engineering
广州学院
耦合线参数：奇模 w=0.941mm，s=0.736mm，Zco＝41.5Ω(设计值 41.8) λgo=1*360/8.61= 41.84 mm
设输入功率为P1，直通端、耦合端和隔离端在
Guangzhou College of SCUT
接匹配负载时的输出功率分别为P2, P3, P4.
耦合度C定义
P a1 1 1 1 C 10 lg 10 lg 10 lg 20 lg 2 P3 b3 S31 S31
2
耦合度C越大，耦合越弱。通常把C<10dB的
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耦合线参数：偶模 w=0.941 mm，s=0.736mm，Zce＝60.07Ω (设计 值59.9)λge=1*360/9.64= 37.34 mm
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6.2 理想定向耦合器特性
【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。
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证明：根据互易、对称、完全匹配，有
S11 S22 S33 S44 0 S12 S21 S34 S43 S13 S31 S24 S42 S14 S41 S23 S23
分支线定向耦合器
混合环
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6.1 定向耦合器的技术指标
定向耦合器是一种有方向性的功率耦合器件，
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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。
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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12 13 900
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设S13＝0（反向定向耦合器），则
| S12 |2 | S14 |2 1 * * S12 S14 S14 S12 0
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耦合器。
按照输出的方向分类：同向定向耦合器、反向
定向耦合器。
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定向耦合器是一个四端口网络，它有输入端
（端口1）、直通端（端口2）、耦合端（端 口3）和隔离端（端口4)。
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当信号从输入端输入时，除了一部分功率直
接从直通端输出外，同时还有一部分功率耦 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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可得
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| S12 |2 | S13 |2 | S14 |2 1 * * S13 S14 S14 S13 0 * * S12 S14 S14 S12 0 S S * S S * 0 12 13 13 12
定向耦合器的种类繁多。
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按照传输线类型分类：波导型、同轴线型、微
带线型和带状线型。
按照耦合方式分类：平行耦合线、分支线耦合
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和口径耦合。
按照输出相位分类：900定向耦合器、1800定向
在实际应用中，常对定向耦合器的工作频带内 提出一个最低的方向性要求。
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隔离度Байду номын сангаас定义
P 1 1 I 10lg 20lg P4 S41
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理想情况下 P4 0, I 显然
(4)
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(3)
(3)
(4) (2) (b)
(1) (a)
(2)
(1)
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，如电压驻波
比、工作带宽外，定向耦合器的主要技术指标 有耦合度、方向性和隔离度。
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对称面
Zr
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工作原理
根据混合环的结构特点，不难得到，当信号 从端口1输入时，端口2和端口3等幅同相输出， 而端口4无输出； 从端口4输入时，端口2和端口3等幅反相输出， 而端口1无输出； 从端口2和端口3等幅同相输入，端口1有输出， 而端口4无输出。端口1称为和端口； 从端口2和端口3等幅反相输入，端口1无输出， 而端口4有输出，端口4称为差端口。
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耦合度不满足指标要求
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耦合系数 ZCe与ZCo
ZCe ZC
k 10
C 20
0.178
1 k 1 k 59.9, ZCo ZC 41.8 1 k 1 k
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定向耦合器称为强耦合定向器。
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方向性D定义
P3 S31 D 10lg 20lg P4 S41
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D越大，反向传输的功率越小，方向性越好。
理想情况下： P4 0, D
而端口2的输出波是由K1和H1-K1-H1两条分支
线传输过来的波，且反相相减，端口4的输出 波是由H1和K1-H1-K1两条分支线传输过来的 波，也是反相相减。如果适当地选择微带线特 性导纳K1和H1，可以使得端口4没有输出，而 端口2有输出，且相位与端口3相差90度；
因此，这种定向耦合器为正向定向耦合器。
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工作原理（定性分析）
当电磁波由端口1输入时，端口3上的输出波是
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有由K1-H1线和H1-K1的两条分支线传输过来 的波，且同相相加，因此，端口3有输出；
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耦合线长度
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书中，
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S31 P P 1 3 1 I 10lg 10lg 20lg 20lg CD P P4 S31 S41 3
实际上，方向性和隔离度同属表征定向 耦合器定向性能的指标，故而取其一就 够了。
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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。
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改善频带宽度的方法
单节耦合线定向耦合器的频带比较窄，为了增
宽频带可采用多节定向耦合器相级联。
平行耦合线定向耦合器的耦合强弱与两线间距
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有关，间距愈小，耦合愈强。但耦合太强，工 艺上又无法实现，因此常采用两只弱耦合定向 耦合器相串接的办法得到强耦合定向耦合器。
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6.3 平行耦合线定向耦合器
对称面
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带状线结构
Il
(3)
IC3 (1) IC4
(4)
等效 电路
(2) I1 I2
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工作原理（定性解释）
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）。
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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当w=0.95 mm，s=0.77 mm时满足指标要求
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6.4 分支线定向耦合器
（4）
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，
（2）
K1 , H1 分别为各支线的特性导纳，在中心频率 上支线长度均为1/4波长，电长度为 0 / 2 K 0为输入输出线的特性导纳。
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
| S12 |2 | S13 |2 1 * * S12 S13 S13 S12 0
e j (12 13 ) e j (12 13 ) 2cos(12 13 ) 0
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射频电路与天线 RF circuits and antennas
第六章
定向耦合器
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主要内容
定向耦合器的技术指标
Guangzhou College of SCUT
理想定向耦合器的特性 平行耦合线定向耦合器
Dept of Electronic & Information Engineering
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广州学院 [例6-1]设计一平行耦合线定向耦合器，中心频率 f0=3GHz,耦合度C=15dB，输入输出线特性阻抗 Zc=50Ω,介质基片εr=9.6,h=1mm。 解: 设计参数确定
广州学院
物理尺寸确定 根据Zc=50Ω，应用MWO中的TXLINE，可得输
入输出微带线宽度W1=0.98mm
Guangzhou College of SCUT
Dept of Electronic & Information Engineering
广州学院
耦合线参数：奇模 w=0.941mm，s=0.736mm，Zco＝41.5Ω(设计值 41.8) λgo=1*360/8.61= 41.84 mm
设输入功率为P1，直通端、耦合端和隔离端在
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接匹配负载时的输出功率分别为P2, P3, P4.
耦合度C定义
P a1 1 1 1 C 10 lg 10 lg 10 lg 20 lg 2 P3 b3 S31 S31
2
耦合度C越大，耦合越弱。通常把C<10dB的