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定向耦合器的作用
定向耦合器的作用
定向耦合器常用于对规定流向微波信号进行取样。
在无内负载时，定向耦合器往往是一四端口网络。
定向耦合器常有两种方法实现，一为耦合定向耦合器，其耦合区长度为四分之一的整数倍，其直接输出和耦合输出端口在结构上不相邻，输出相位差往往是90度或180度，剩余的一个端口称为隔离端，理论上隔离端不输出任何能量。
另一种为分支线定向耦合器，两输出端口结构上相邻，输出相位差也可以实现90度或180度，常用于强耦合场合。
参数说明：耦合度：当其余端口接匹配负载时，耦合端输出功率与主线输入功率之比。
耦合损耗：由于一定能量传输到耦合端而引起主线输出功率减小，它等于主线插入损耗的理论值。
主线插入损耗的最小理论值与耦合度的关系如下：耦合度
主线理论损耗3dB 3.00dB 6dB 1.20dB 10dB 0.46dB 15dB 0.14dB 20dB 0.04dB 30dB 0.004dB。
实验六定向耦合器特性的测量及应用目的：研究定向耦合器的特性及其应用。
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器件，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为本实验所用的十字定向耦合器，耦合器中端口之一终端接一内装的匹配负载。
主线副线图1（一）定向耦合器的主要特性参量有二：为了便于解释耦合度和方向性，画出了定向耦合器传输示意图（图3），图中P1、P2分别为主线输入、输出功率；PF3为副线中正向输出功率，PR3为副线中反向输出功率。
（1）耦合度（或过度衰减）C如图31243主线副线图3P3F 1243主线副线P1P23RP P1P21（a ）所示，主线输入功率P 1，与副线中正向输出功率P F 3之比，称为定向耦合的耦合度，若以分贝（db ）表示则：C=10logFP P 31(db) （6.1） （2）方向性D如图3所示，副线中正向输出功率P F 3与反向输出功率P R 3之比称为定向耦合器的方向性，若以分贝表示，则:D=logRFP P 33(db) （6.2） 有时，反映定向程度的指标也用隔离度D ’来表示。
隔离度表示主线输入功率P 与副线反向输出功率之比，即D=10logRP P 31(db) （6.3） 由式子（2）D=10logR F P P 33=10log R P P31=D ’-C （6.4） 从上可知，定向耦合器的方向性等于隔离度与耦合度之差，理想的定向耦合器的方向性D →∞;也就是说，当各端均匹配端接时，若功率从主线端“1”输入，则副线仅端“3”有输出，而端“4”无输出；即端“1”与端“4”彼此隔离；端“2”与端“3”彼此隔离，实际的定向耦合器隔离端的耦合隔离的理想器件。
定向耦合器相关图片编辑词条参与讨论所属分类：基本物理概念天体物理学电子电子技术电子术语通信通信技术定向耦合器是一种通用的微波/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。
主要技术指标有方向性、驻波比、耦合度、插入损耗。
用来分配或合成微波信号功率并具有定向耦合特性的微波元件。
它是在主、副两根传输线(简称主、副线)之间设置适当的耦合结构组成的。
定向耦合器采用同轴线、带状线、微带线、金属波导或介质波导等各种型式。
耦合结构有耦合孔、耦合分支线和连续结构耦合等型式。
目录·• 工作原理·• 网络特性定向耦合器-工作原理主线中传输的功率通过多种途径耦合到副线,并互相干涉而在副线中只沿一个方向传输。
图1 图2 图3图1为矩形波导定向耦合器的三种典型耦合结构。
a是相距1/4导波长的双孔耦合;b是间距和长度都等于1/4导波长的双串联分支线耦合；c是在裂缝区域内TE和TE两种传播模式的连续耦合。
以a和b两种结构为例，从端口①输入的信号分两路耦合到副线后，朝端口④方向因行程相等而同相叠加，有输出；朝③方向则行程相差1/2导波长而反相抵消，被隔离而无输出。
图2为微带定向耦合器的两种典型的耦合结构。
a是间距和长度都等于1/4导波长的双并联的分支线耦合,b是在平行区域内电场和磁场两种结构连续耦合。
以b的结构为例,从端口①输入的信号由电场耦合在副线的两个端口上产生同相感应电压，磁场耦合则产生反相感应电压。
结果在端口④处相加而有输出，③处则抵消而呈隔离无输出。
此外,也可构成其他传输线的定向耦合器（图3）。
定向耦合器-网络特性定向耦合器可被看作为四端口网络，其特性可用散射矩阵【s】表示，即其中各端口的反射系数s ii(i=1、2、3、4)的值很小（理想值为零）,表示各端口的匹配情况；衰减系数s13=s31=s24=s42的值也很小(理想值为零)，表示隔离情况；s14=s41＝s23＝s32是耦合系数，其值根据需要而设计。
太原理工大学现代科技学院实验报告实验名称 同组人 专业班级 学号 姓名 成绩 实验六 定向耦合器的测量 一、实验目的 了解定向耦合器的外部特性，掌握其指标的测量方法。
二、实验准备 PNA362X 及其全套附件，定向耦合器一只。
按定向耦合器的使用频率设置扫描方案。
点数不要超过21点，否则数据太多。
三、测量步骤 1.差损的测量 仪器按右图测差损连接，在仪器输入与输出口上各接一根短电缆。
两电缆末端各接一只10dB 衰减器，再用一个双阴连接起来； 按执行键校直通，拔下双阴，将两根电缆带衰减器的一端，分别接到定向耦合器的直通路的输入与输出端，耦合路输出端接上匹配负载。
记下或打印个频点的插损，这就是直通路的插损。
2.耦合度的测量 将耦合路上的负载拔下，再将接在直通路输出端的衰减器带电拔下接到耦合路输出口上，耦合口上的负载接到直通路出端上（即交换两输出口的连接），记下或打印输出路各频点插损，这就是耦合度。
3.定向性的测量 交换直通路的连接，也就是信号流向颠倒了，记下或打印各频点的插损，它们与耦合度之差即定向性。
4.主路驻波比测量 仪器按右图测回损连接，电桥测试端口接上双阳连接器一只，按执行键校开路。
在双阳口上接上阴短路器，按执行键校短路； 拔下短路器。
接上定向耦合器的主路输入插座，各支路端接匹配负载。
此时屏幕上已出现输入阻抗轨迹，看不清时可按↓键换挡； 按菜单键，选驻波返回。
看不清时可按↓键换挡。
记下或打印曲线。
……………………………………装………………………………………订…………………………………………线………………………………………。
定向耦合器的工作原理
定向耦合器是一种广泛应用于微波和光纤通信系统中的耦合器。
它可以将输入信号耦合到特定的输出端口上，而忽略其他端口的信号。
定向耦合器的工作原理基于两个相互作用的波导。
通常，一个主波导拥有一个或多个辅助波导。
输入信号通过主波导输入，并根据耦合器的设计，耦合到特定的辅助波导上。
定向耦合器的设计需要考虑特定的耦合比例。
耦合比例决定了输入信号在辅助波导中的功率分配情况。
通常，定向耦合器被设计为在几个特定的频率范围内实现理想的耦合比例。
当输入信号通过主波导时，它会遇到与辅助波导的耦合结构相互作用。
这个相互作用通常是通过耦合窗口或者耦合插入件实现的。
耦合窗口或耦合插入件被设计为在特定频率范围内产生最大的垂直耦合效率。
定向耦合器的一个重要性能参数是其插入损耗。
插入损耗是指输入信号在经过耦合器时损失的功率。
通常，设计者会尽量降低插入损耗，以便提高整体系统的性能。
总之，定向耦合器是一种常用的耦合器，它通过特定设计的主波导和辅助波导相互作用，将输入信号耦合到特定的输出端口上。
它在微波和光纤通信系统中扮演着重要的角色，能够实现理想的耦合效果和较低的插入损耗。
第六章 定向耦合器、混合电桥与功率分配器§6.1 定向耦合器的基本概念微波定向耦合器是微波系统中应用最广泛的元件之一，它是个四端口网络。
其原理方框图如图（6.1-1）所示，图（a ）是同向定向耦合器，图（b ）是反向定向耦合器。
对于正向定向耦合器，它的工作过程是，当电磁波从端口1输入时，除了一部分电磁能量直接从端口4输出外，同时还有一部分电磁能量从端口3输出，而端口2无输出。
我们将端口3称为耦合口，端口2称为隔离口。
对于反向定向耦合器，当电磁波从端口1输入时，除了一部分电磁能量直接从端口4输出外，同时还有一部分电磁能量从端口2输出，而端口3无输出。
此时端口2为耦合口，端口3为隔离口。
图6.1-1 正向和反向定向耦合器显然，定向耦合器是是一个四端口网络，它的特性可用各种网络参数来描述，对于图（6.1-1）所示的定向耦合器，考虑到网络是互易，对称和无耗的，其散射矩阵为[]⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=11121314121114131314111214131211s s s s s s s s s s s s s s s s s （6.1-1） 在理想情况下，定向耦合器的各端口都是匹配的，即044332211====s s s s对于图（6.1-1a ）所示的正向定向耦合器，当1口输入时，2口没有输出，因此有012=s 根据无耗网络的[]s 矩阵的么正性，有⎪⎩⎪⎨⎧=+=+01*1314*1413214213s s s s s s （6.1-2） 此式表明，该网络的端口3和端口4的输出功率之和等于输入功率，而两个端口输出相位相差900。
由此可以看出，一个互易，无耗，完全对称的四端口网络，可以构成一个理想的900定向耦合器。
这样，正向定向耦合器的散射矩阵变为[]⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=000000001314141313141413s s s s s s s s s （6.1-3）同理，对于图（6.1-1b ）的反向定向耦合器，其散射矩阵为[]⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=000000001214121414121412s s s s s s s s s （6.1-4） 式中12s 与14s 相位上相差900。
1实验六 定向耦合器特性的测量及应用目的：研究定向耦合器的特性及其应用。
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器件，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为本实验所用的十字定向耦合器，耦合器中端口之一终端接一内装的匹配负载。
主线副线图1（一）定向耦合器的主要特性参量有二：为了便于解释耦合度和方向性，画出了定向耦合器传输示意图（图3），图中P 1、P 2分别为主线输入、输出功率；P F 3为副线1243主线副线图3P3F1243主线副线P 1P 23RP P 1P 22中正向输出功率，P R 3为副线中反向输出功率。
（1）耦合度（或过度衰减）C 如图3（a ）所示，主线输入功率P 1，与副线中正向输出功率P F 3之比，称为定向耦合的耦合度，若以分贝（db ）表示则：C=10logFP P 31(db) （6.1） （2）方向性D如图3所示，副线中正向输出功率P F 3与反向输出功率P R 3之比称为定向耦合器的方向性，若以分贝表示，则:D=logRFP P 33(db) （6.2） 有时，反映定向程度的指标也用隔离度D ’来表示。
隔离度表示主线输入功率P 与副线反向输出功率之比，即D=10logRP P 31(db) （6.3） 由式子（2）D=10logR F P P 33=10log R P P31=D ’-C （6.4） 从上可知，定向耦合器的方向性等于隔离度与耦合度之差，理想的定向耦合器的方向性D →∞;也就是说，当各端均匹配端接时，若功率从主线端“1”输入，则副线仅端“3”有输出，而端“4”无输出；即端“1”与端“4”彼此隔离；端“2”与端“3”彼此隔离，实际的定向耦合器隔离端的耦合隔离的理想器件。
定向耦合器微带改进的鼠笼式混合接头可实现宽带设计还需考虑 1导体损耗和介质损耗 2对于不连续性和杂散的补偿设计 3介质结构的异向性造成奇偶模的不同相速使定向性变差可利用屏蔽利用集中电容利用介质重叠 67 孔耦合定向耦合器 4 端口隔离端口 2端口直通端口 1 端口输入端口 3端口耦合端口波导定向耦合器 com 倍兹孔定向耦合器 小孔能用电和磁偶极矩组成的等效源替代法向的电偶极矩和轴向的磁偶极矩向两边辐射时是偶对称的而横向磁偶极矩的辐射是奇对称的调整两源的相对振幅能抵消在隔离端口上的辐射加强耦合端口上的辐射对于平行波导耦合是通过小孔离波导窄壁的距离s控制而对于斜交波导耦合是通过两波导之间的角度控制的 com 多孔耦合器及其工作原理 两孔有四分之一波长在耦合口波同相叠加在隔离口反向相消耦合度有较低的频率依赖性方向性对频率有较高的依赖 com 波导双T和魔T 魔T与混合环有相似的性质 1双T及其性质 将具有共同对称面的E―T接头和H―T接头组合起来平分臂隔离臂性质 1 口输入等幅反相输出口输出为0 2 口输入等幅同相输出口输出为0 3 等幅同相输入口无输出口有输出4 等幅反相输入口有输出口无输出 5 口输入等副同相输出口无输出由上述性质有魔T的S参数为由S矩阵端口1和4互相隔离端口2和3也互相隔离 K即S31幅值的平方 Lange耦合器还有助于补偿偶模和奇模相速的不相等缺点在于对跨线之间的连接线加工困难两种情况一种是奇偶模反射系数都为0传输系数不相等对应耦合器14隔离3耦合另一种是奇偶模系数等幅反相传输系数相等对应耦合器13隔离4耦合奇偶模分别得到的反射系数和传输系数代入前面31页的S参数和奇偶模反射系数传输系数的关系式中可得分支线耦合器的S矩阵注1无耗的四端口器件可同时实现互易和各端口的匹配 2若14端口匹配23端口会自动达到匹配展开得引入偶模反射系数和传输系数和由于对称12和34可看作两根独立且完全相同的波导是其中之一的反射系数和传输系数和奇模激励时有展开得由各反射系数和传输系数的表示式求得S参量为引入奇模反射系数和传输系数和 65 分支线型定向耦合器 com 分支线型定向耦合器原理 如图示各条支线在中心频率上是四分之一波导波长由于微带的波导波长还与阻抗有关故图中支线与主线的长度不等阻抗越大尺寸越长图 6-10分支线耦合器如果分支线耦合器的各个端口接匹配负载信号从1口输入4口没有输出为隔离端2口和3口的相位差为90°功率大小由主线和支线的阻抗决定 com 分支线型定向耦合器设计 设计步骤 步骤一确定耦合系数C dB 各端口的特性阻抗Z0Ω中心频率fc基板参数εrh 步骤二计算支线和主线的归一化导纳a和b 步骤三计算特性阻抗Za 和Zb和相应的波导波长步骤四用软件计算微带实际尺寸 com 分支线型定向耦合器设计实例 设计3dB分支线耦合器负载为50Ω中心频率为5GHz基板参数为εr＝96h 08mm 步骤一确定耦合器指标 步骤二计算归一化导纳 b a 1 步骤三计算特性阻抗步骤四计算微带实际尺寸 支线 50Ω W 083 mm L 602mm 主线 353Ω W 136 mm L 584 mm com 如何直接写出其S矩阵3dB com 如何由奇偶模分析法验证其S矩阵 对于偶模对于奇模奇偶模叠加得当频率在中心频率附近变化10时相差也改变±50由于超出带宽10外的隔离度不能接受其有用带宽限制在10理论上能设计成3～9dB的耦合度 a2 a1 b 接上页 R 1 075 05 13 0707 0614 05 b 1414 161 2 a1 1 1 1 1 a2 1 134 2 3 分支线定向耦合器圆形分支线耦合器 66 环形桥定向耦合器 混合环又称环形桥两个输出端口相差180°也称为鼠笼式混合接头匹配T型混合接头魔T 用波程相移解释当信号从端口1输入时到端口2为90°到端口3为270°故端口3比端口2滞后180°端口1的信号经端口2到达端口4为180°经端口3到达端口4为360°两路信号相位相反在端口4抵消形成隔离端 理论上环形桥的两个输出口的功率比值可以是任意的实际中各个环段上的阻抗不宜相差太大差别过大难于实现工程中两个输出口多是等功率的等功率输出环形桥的用途与分支线相同频带和隔离特性比分支线更好由于隔离口夹在两个输出口之间输出信号要跨过隔离端实现起来不如分支线方便 混合环的设计关键是按照分配比计算阻抗值和长度对于等分环形桥有 Z1 Z2 Z0 每个端口之间的距离为λg4或3λg4 带宽约为20 com 如何直接写出其S 矩阵3dB com 如何由奇偶模分析法验证其S矩阵 和端口与差端口当信号从端口3和端口2输入时在端口1将形成输入信号的和在端口4将形成输入信号的差因此称端口1为和端口端口4为差端口让单位振幅波信号从和端口1输入对于偶模对于奇模按转移矩阵的定义和它与反射系数传输系数的关系可得让单位振幅波信号从差端口4输入对于偶模对于奇模按转移矩阵的定义可得尺寸压缩的准集中式混合接头取尺寸压缩的鼠笼式混合接头集中参数鼠笼混合接头 RFMW 成都信息工程学院电子工程学院 RFmw 第6章定向耦合器 61 定向耦合器的基本原理 62 集总参数定向耦合器 63 耦合微带定向耦合器 64应用奇偶模理论分析定向耦合器 65 分支线型定向耦合器 66 环形桥定向耦合器 67 波导定向耦合器 61 定向耦合器的基本原理 com 定向耦合器的技术指标 包括频率范围插入损耗耦合度方向性隔离度幅度平衡度相位一致性等 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是说与频率有关 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和导体介质的热损耗 3 耦合度描述耦合输出端口与主路输入端口的比例关系通常用分贝表示dB值越大耦合端口输出功率越小耦合度的大小由定向耦合器的用途决定 4 方向性描述耦合输出端口与耦合支路隔离端口的比例关系理想情况下方向性为无限大 5 隔离度描述主路输入端口与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 com 定向耦合器的原理定向耦合器是个四端口网络结构描述定向耦合器特性的三个指标间有严格的关系即方向性＝隔离度-耦合度图6-1 定向耦合器方框图若P1P2 P3P4皆用毫瓦mW来表示定向耦合器的四大参数则可定义为插入损耗方向性耦合度隔离度 62 集总参数定向耦合器 com 集总参数定向耦合器设计方法 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式图 6-2 L-C分支线型耦合 a 低通式 b 高通式集总参数定向耦合器的设计步骤 步骤一确定耦合器的指标包括耦合系数C dB 端口的等效阻抗Z0Ω电路的工作频率fc 步骤二利用公式计算出kZ0s及Z0p 步骤三利用下列公式计算出元件值 1 低通L-C式 2 高通L-C式步骤四利用模拟软件检验再微调 com 集总参数定向耦合器设计实例 设计一个工作频率为400 MHz的10 dB低通L-C支路型耦合器Z0 50 Ω要求S11≤-13dB S21≥-2 dB S31≥-13 dBS41≤-10 dB 步骤一确定耦合器的指标C -10dBfc 400MHz Z0 50 Ω 步骤二计算KZ0s Z0p 步骤三利用下列公式计算元件值图 6-3低通L-C支路型耦合器等效电路步骤四仿真计算图 6-4 低通L-C支路型耦合器仿真结果 63 耦合微带定向耦合器 com 平行耦合线耦合器基本原理 通常它由主线和辅线构成两条平行微带的长度为四分之一波长信号由1口输入2口输出4口是耦合口3口是隔离端口因在辅线上耦合输出的方向与主线上波传播的方向相反它也被称为反向定向耦合器当导线12中有交变电流i1流过的时候由于43线和12线相互靠近43线中耦合有能量能量既通过电场以耦合电容表示又通过磁场以耦合电感表示耦合通过耦合电容Ｃm的耦合在传输线43中引起的电流为ic4和ic3 图 6-5平行线型耦合器图6-6 耦合线方向性的解释④③同时由于i1的交变磁场的作用在线43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的方向相反所以能量从1口输入耦合口就是4口而在3口因为电耦合电流的ic3与磁耦合电流iL的相位相反而叠加抵消故3口是隔离口 com 平行耦合线耦合器设计方法 平行线耦合定向耦合器的设计步骤 步骤一确定耦合系数C dB 各端口的特性阻抗Z0Ω中心频率fc基板参数εrh 步骤二计算奇模阻抗和偶模阻抗Z0e和Z0o 步骤三依据基板参数εr h利用软件 ADS 计算微带耦合线的宽度及间距W S和四分之一波长的长度P 步骤四利用模拟软件检验再微调 com 平行耦合线耦合器设计实例 设计一个工作频率为750 MHz的10dB平行线型耦合器 Z0 50 Ω 步骤一确定包括C -10dBfc 750MHz FR4基板参数εr 45 h 16 mmtanδ 0015材料为铜 1 mil 步骤二计算奇偶模阻抗步骤三建立图示电路拓扑计算得W 238mmS 031mmP 5716mm且50Ω微带线宽度W50 292mm 图 6-7平行线型耦合器电路图仿真结果如图示 图 6-8平行线型耦合器仿真结果在上述平行耦合线定向耦合器的基础上可以得到各种变形结构结构越复杂计算越困难在正确概念的指导下实验仍然是这类电路设计的有效方法图 6-9耦合线的变形改善频率特性图 6-9耦合线的变形增大耦合度紧耦合图 6-9耦合线的变形高方向性图 6-9耦合线的变形拓展带宽问题图示定向耦合器结构完全对称若从三端口输入信号插入衰减耦合度方向性和隔离度怎么表示平行耦合有窄边耦合和宽边耦合形式其特性可由偶模和奇模的适当线性组合实现带状线耦合为TEM波微带线为准TEM波宽频带的多节耦合器可以制作成关于中央节对称的也可制作成不对称的 Lange耦合器也称交指耦合器左为四指耦合右为其展开型使线两边的杂散场对耦合也有贡献实现紧耦合这样容易达到3dB耦合并有一个倍频程或更宽的带宽 64 应用奇偶模理论分析定向耦合器 设有幅度为1的波从端口1输入分解为奇偶模激励考虑对称性和互易性其S矩阵为偶模激励时有RFMW 成都信息工程学院电子工程学院 RFmw K即S31幅值的平方 Lange耦合器还有助于补偿偶模和奇模相速的不相等缺点在于对跨线之间的连接线加工困难两种情况一种是奇偶模反射系数都为0传输系数不相等对应耦合器14隔离3耦合另一种是奇偶模系数等幅反相传输系数相等对应耦合器13隔离4耦合奇偶模分别得到的反射系数和传输系数代入前面31页的S参数和奇偶模反射系数传输系数的关系式中可得分支线耦合器的S矩阵注1无耗的四端口器件可同时实现互易和各端口的匹配 2若14端口匹配23端口会自动达到匹配。
