定向耦合器的研究
几种定向耦合器结构与分析
班级 XXXXXXXXXXXXXXXX
学号 XXXXXXXXXXX
姓名 XXXXXX
功率分配器是一种将一路输入信号能量分成两路或多路输出相等或不相等能量的器件，也可反过来将多路信号能量合成一路输出，此时可也称为合路器。

一个功分器的输出端口之间应保证一定的隔离度。

也叫过流分配器，分有源，无源两种，可平均分配一路信号变为几路输出，一般每分一路都有几dB的衰减，信号频率不同，分配器不同衰减也不同，为了补偿衰减，在其中加了放大器后做出了无源功分器。

定向耦合器是微波系统中应用广泛的一种微波器件，它的本质是将微波信号按一定的比例进行功率分配，所以它是一种具有方向性的功率分配器。

定向耦合器由传输线构成，同轴线、矩形波导、圆波导、带状线和微带线都可构成定向耦合器，所以从结构来看定向耦合器种类繁多，差异很大。

由于微带线具有平面电路结构，用其做成的定向耦合器往往比波导型的立体结构简单的多，故在微波集成电路中获得广泛应用。

下面我们将来研究几种微带定向耦合器。

微带分支线定向耦合器
微带分支线定向耦合器由两根平行导带组成，通过一些分支导带实现耦合。

分支导带的长度及其间隔均为1/4线上的波长，其结构示意图如下图所示，其分支数可为两分支或更多。

所谓电桥是一种将功率平分耦合的定向耦合器的特称，即3dB定向耦合器。

下面着重分析二分支的情况。

在一些电桥电路及平衡混频器等元件中，常用到分支线定向耦合器，微带二分支定向耦合器如下图所示，图中的字母G、H和数字1是各线段特性导纳的归一化值（对50欧姆阻抗对应的导纳值归一化），因各端口的导纳值相同，所以又称为等阻二分支定向耦合器。

当功率由（1）臂输入时，（2）、（3）两臂有输出；理想情况下，（4）臂无功率输出，故（4）臂是隔离臂，（2）、（3）两臂的输出可按一定的比例分配，若（2）、（3）两臂的输出功率相同，都等于输入功率的一半，则成为3dB定向耦合器或3dB分支电桥。

利用奇偶模分析法，将上述电路在中心线A－A1处切开，此时可将两条线（1）－（2）及（3）－（4）从A－A1面分开来考虑，这样将四端口网络转换为二端口网络，上下是对称的。

所以利用各端口理想的匹配及（1）、（4）端口之间理想的隔离条件，得出下列公式：
其中C称为定向耦合器的耦合度，u1、u2、u3分别为（1）口输入电压和（2）、（3）口输出电压，可见（2）口和（3）口的输出电压相位差90度，对与3dB定向耦合器（C＝3dB）代入上式得：
含量定向耦合器性能的主要技术指标有耦合度、定向性、隔离度、输入电压驻波比和频带宽度。

（1）耦合度C 当端口1接信号源，端口2、3、4均接匹配负载时，端口1的输入功率p1与端口2的输出功率p2之比的分贝数为该定向耦合器的耦合度C，则
2）方向性系数D 端口2的输出功率p2与端口3的输出功率p3之比的分贝为定向耦
合器的方向性系数D，则
3）隔离度I 端口1的输入功率p1与端口2的输出功率p3之比的分贝数为该定向耦合器的隔离度I，则
（4）输入电压驻波比指定向耦合器直通端口4、反向耦合端口2、隔离端口3都匹配负载时，在输入端口1测量到的驻波系数。

（5）频带宽度频带宽度是指当耦合度及输入驻波比都满足指标要求时定向耦合器的工作频带宽度。

对于一个理想的定向耦合起器，p3=0，S31=0，I趋向于无穷大。

微带环形定向耦合器
微带环形定向耦合器，又称微带环形电桥，如下图所示，其各引出臂的归一化特性导纳
为1，环形导带分为四段，它们的归一化特性导纳分别为H
1和H
2
.这种微带环形定向耦合器上
下结构是对称的，但左右结构不再对称，故其散射矩阵可写为
整个环的周长为1.5λg，四个分支线并联在环上，将环分为4段，4段长度如图所示，λg为混合环波长。

混合环有两个端口相互隔离，另外两个端口平分输入功率的特性，因此可以看作是一个3dB定向耦合器。

当端口1输入信号时，到达端口2的两路信号等幅同相，端口2有输出，相位滞后90度；达到端口3的两路信号等幅反相，端口3无输出；达到端口4的两路信号等幅同相，端口4有输出，相位滞后90度。

其中端口2和端口4输出振幅相同。

因此，有
端口2输入信号时，到达端口1的两路信号等幅同相，端口1有输出，相位滞后90度；到达端口3的两路信号等幅同相，端口3有输出，相位滞后70度；到达端口4的两路信号等幅反相，端口4无输出。

其中端口1和端口3输出振幅相同。

因此有
当端口3输入信号时，到达端口1 的两路信号等幅反相，端口1无输出；到达端口2的两路信号等幅同相，端口2有输出，相位滞后270度；到达端口4的两路信号等幅同相，端口4有输出，相位滞后90度。

其中端口2和端口4输出振幅相同。

因此，有
当端口4输入信号时，到达端口1的两路信号等幅同相，端口1有输出，相位滞后90度；到达端口2的两路信号等幅反相，端口2无输出；到达端口3的两路信号等幅同相，端口3有输出，相位滞后90度。

其中端口1和端口3输出振幅相同。

因此，有
在理想的情况下，它的四个端口完全匹配。

平行耦合线定向耦合器
如下图所示，它由等宽的耦合线段组成，其耦合线的长度是中心波长的1/4，各个等宽均接匹配负载。

当信号从端口①输入时，出来向端口②传输外，通过两线之间的电磁耦合，还会向端口③和④传输。

由于电场耦合在副线中向端口③和④反向产生的电压是等幅同相的，而磁场耦合在副线中向端口③和④反向产生的电压时等幅反相的，因此，副线中端口③处的电压是同
相叠加而又信号输出，而副线中端口④处的电压时反向而抵消的。

在理想情况下，端口④无输出，可达到理想隔离。

端口②和③的输出信号相位差为90度，故又称为90度反向定向耦合器。

它的耦合系数为
为50Ω，匹配条件（理想输入匹配条件）为
当系统阻抗Z
因此，对于给定的耦合系统C，设计等式为
平行耦合线定向耦合器常用两种形式。

TEM型和分布参数型。

TEM线定向耦合器
当支持纯TEM模传播的两个同轴线的内导体互相靠近是，电磁能量就从一条线耦合到另一条线，这一特性就产生了一类宽带平面定向耦合器。

大多数这样的耦合器采用支持纯TEM 或准TEM模的带状线或微带传输线。

平面TEM传输线定向耦合器即可以采用窄边耦合，也可以采用宽边耦合。

一般而言，哦耦合的TEM线支持相互作用产生耦合的两种模式：偶模和奇模。

TEM线定向耦合器是一个四端口网络，如下图所示
根据叠加原理，可以得到偶模和奇模的反射和传输系数。

式中传输矩阵为
性能分析：
对于平行耦合微带定向耦合器，耦合度为15dB时，其方向性，定向性都远远小于平行耦合带状线定向耦合器较差。

原因在于，对于平行耦合器微带线定耦合器，七天冲的是含有空气和戒指的混合介质系统，奇模和偶模的像素不相等，导致定向性变坏，这是导致定向性差的根本原因。

对于平行耦合线定向耦合器，耦合度为15dB时的方向性大于耦合度为30dB时方向性。

这就说明耦合度越大，耦合越弱，耦合端输出越小，隔离断输出越大，定向性越差。

耦合器的耦合度的绝对值随频率的变化而有所波动。

这是因为耦合度C本身是与频率相关的参数，随着频率的改变，C就会随之变化。

总结
我们在本文中对几种定向耦合器进行了研究，明白了它们的结构并对其进行分析。

知道不同结构的耦合器，有着不同的特性与功效，运用在不同的地方。

随着技术的改进，耦合器也一定会随之继续发展更多的种类，性能更加完备。