3dB_耦合器设计入门

基于耦合带线超宽带耦合器的分析与设计谢成发,彭高森,郑智潜,胡善祥　(华东电子工程研究所,安徽合肥230031)摘　要:介绍了一种基于耦合带线超宽带耦合器的分析与设计。

实际设计的超宽带3dB 耦合器在1.2～4.2G Hz 相对带宽110%的频带内,插入损耗小于0.5dB ,带内波纹大于-0.25dB 小于+0.35dB ,端口隔离大于17dB ,端口驻波小于1.3。

关键词:耦合器超宽带耦合带线中图分类号:T N81113　文献标识码:A 文章编号:1009-0401(2008)03-0026-03The analysis and design of an ultra 2br oadband couplerbased on coup ling stri p lineXIE Cheng 2fa,PEN G Ga o 2sen,ZHENG Zhi 2qia n,HU Sha n 2xia ng(E ast Ch ina R e search I ns titu te of E lectr on ic E ng ineering,Hefei 230031,Ch ina )A bstra ct :I n this paper,the analysis and design of an ultr a 2br oadband coup ler ba sed on coup ling stri p 2line is intr oduced .I n the frequency r ange of 1.2～4.2G H z and w ithin the rela tively bandwidth 110%,the results of the design are:loss <0.5d B ;20.25d B <ripple <+0.35;isolati on >17dB;VS W R <1.3.Keywor ds:coup ler ;ultra 2br oad band;coup ling stri p line1　引　言随着雷达、通信、电子对抗等领域的发展,宽带、超宽带技术得到了广泛的应用。

3db定向耦合器原理引言3db定向耦合器是一种常见的微波器件，广泛应用于无线通信、雷达系统和微波电路中。

本文将介绍3db定向耦合器的原理及其在实际应用中的作用。

一、3db定向耦合器的基本原理3db定向耦合器是一种四端口器件，由两个耦合器和两个耦合器之间的传输线构成。

其基本原理是利用微波信号在传输线上的传播特性，实现耦合和分离的功能。

1.1 耦合和分离耦合器是一种能够将输入信号分为两个输出的器件，其中一个输出端口为主输出端口，另一个为耦合输出端口。

耦合输出端口输出的信号是从主输出端口输入信号中耦合出来的一部分。

耦合器的耦合度决定了主输出端口和耦合输出端口之间的功率分配比例。

1.2 传输线的特性传输线上的电磁波在传播过程中会发生反射和透射，这取决于传输线的特性阻抗和长度。

当传输线的特性阻抗等于负载的阻抗时，传输线上的信号将完全传输到负载上；当传输线的特性阻抗不等于负载的阻抗时，部分信号将被反射回来。

二、3db定向耦合器的工作原理3db定向耦合器是通过将两个耦合器和两个传输线相互耦合连接而成的。

其工作原理如下：2.1 信号的耦合和分离当输入信号通过传输线进入耦合器时，一部分信号将从主输出端口输出，另一部分信号将从耦合输出端口输出。

耦合输出端口输出的信号是通过传输线之间的耦合实现的。

在理想情况下，耦合输出端口输出的功率占输入功率的一半，即耦合度为3dB。

2.2 信号的相位差由于两个传输线之间存在一定的相位差，导致从主输出端口输出的信号和耦合输出端口输出的信号之间存在相位差。

这个相位差可以通过调整传输线的长度来实现。

2.3 信号的分离通过调整传输线的长度，可以使主输出端口和耦合输出端口之间的信号达到90度的相位差，从而实现信号的分离。

2.4 功率的分配3db定向耦合器在主输出端口和耦合输出端口之间实现了功率的分配，主输出端口输出的功率为输入功率的一半，耦合输出端口输出的功率也为输入功率的一半。

三、3db定向耦合器的应用3db定向耦合器广泛应用于微波电路和射频系统中，常见的应用包括：3.1 功率分配由于3db定向耦合器可以将输入功率分配到主输出端口和耦合输出端口，因此可以用于实现功率的分配和控制。

三分贝定向耦合器摘要：3dB定向耦合器是通信、广播电视系统中重要的器件之一，本文介绍了描述定向耦合器的性能指标参数，详细介绍了3dB定向耦合器的基本结构及特性。

Abstract: 3dB coupler is one of the important components in communication and broadcasting system. In this paper, the specifications of directional coupler are presented,and the basic structures and properties of 3dB coupler are presented in detail.1.引言在广播电视和通信系统中，经常需要耦合部分的射频功率，以满足各种需要。

定向耦合器是一种具有方向性的功率分配器，它能从主传输线系统的正向波中按一定比例分出部分功率，实现功率的分支、分配或合成。

三分贝耦合器是一种特殊的定向耦合器，它广泛应用于功率合成，恒阻滤波器和多工器等系统中。

下面介绍定向耦合器的性能参数，并详细介绍三分贝耦合器的特性。

2. 定向耦合器的基本参数定向耦合器可等效成四端口网络。

它的基本工作原理借助图1来描述。

图1 定向耦合器原理自端口1入射的功率中部分功率从直通端口2输出，另外一部分被耦合到端口3，在理想情况下，没有功率送到隔离端口4。

描述定向耦合器性能的参数主要有耦合度、隔离度、方向性、插入衰减、输入驻波比、频带宽度等。

其中耦合度表征了耦合的强弱。

理想的定向耦合器端口驻波比为1，即端口没有反射；隔离度为无穷大，即隔离端没有输出功率。

设定向耦合器输入端的输入功率为，主线输出端(简称为直通端)的输出功率为，耦合输出端(简称为耦合端)的输出功率为，隔离端的输出功率为，则定向耦合器的有关参数的定义如下。

耦合度C：输入功率与耦合端的输出功率之比，一般用分贝表示，即上式中P1/P3称为功率耦合系数。

S频段宽带3dB定向耦合器的设计韩星星【摘要】介绍了用宽边耦合来实现的2～3GHz、耦台度为3dB的宽带带状线定向耦合器,提出一种改进的宽带3dB电桥的设计方案,这种电桥具有体积小,差损低,稳定性好以及易于生产、调试的优点.利用HFSS软件进行优化设计,最终实测结果和仿真结果基本吻合,验证了研究结果的一致性.【期刊名称】《电子世界》【年(卷),期】2012(000)011【总页数】1页(P128)【关键词】3dB电桥;奇偶模分析法;小型化【作者】韩星星【作者单位】西安交通大学城市学院【正文语种】中文定向耦合器是微波系统中应用广泛的一种微波器件，它的功能是将微波信号按一定的比例进行功率分配。

在实现各种功能的微波组件以及整机中，都能看到定向耦合器发挥作用[1]。

3dB电桥是通信系统中常用的无源器件，尤其是在射频、微波电路与系统中应用广泛，本文描述的2-3GHz宽带3dB电桥是S频段馈源系统的重要组成部分，为了其使用在馈源中节省空间，有利于和其他器件连接，达到馈源系统小型化、紧凑型的目的，应使电桥体积小、稳定性好，并易于生产、调试。

定向耦合器的主要技术指标有耦合度、定向度、隔离度、输入驻波比和工作带宽[2]。

微波电路理论中通常采用奇偶模分析法来推导定向耦合器的主要参数，定向耦合器输入传输线特性阻抗Z0与耦合线的偶模阻抗Zoe、奇模阻抗Zoo满足如下关系[3]：根据耦合度定义可以推导出耦合度C和耦合系数k之间的关系为：已知奇偶模阻抗Z0e和Zoe，填充介质的相对介质re以及上下接地板间距b的条件下：采用上述奇偶模分析方法可以设计3dB定向耦合器。

由于在耦合较强时，选择窄边耦合时微带线间距很细，工艺上很难保证其精度，所以选取宽边耦合的带状线的结构。

工作波段为S波段（2-3GHz），中心频率 f 0 = 2 .5GHz ，输入输出传输线特性阻抗，耦合系数。

(2)式计算出耦合系数为0.7079，由(1)式可求出奇偶模的特性阻抗分别为 z 0o =z0=20.6778 z0e = 1 20.9025。

耦合器顾名思义，就是把信号耦合出来，也可以理解为把信号分出来，耦合器有分定向非定向，还有不同的dB值，在室内分部中用的比较多，当然在线路当中也可以用到。

3dB电桥属定向耦合器，它的耦合很强，达到3dB，即耦合输出与直通输出幅度相等，相位相差90°，使用范围很广。

由于耦合很强，无论是设计，还是制造都有别于一般的定向耦合器，因此，将在定向耦合器的基础上再对3dB电桥进行适当的描述。

定向耦合器的主要指标是：定向性和耦合系数，现对其进行简要说明。

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定向耦合器的应用
定向耦合器，由于它具有定向性，能对传输线中的信号实现定向耦合，而且耦合器输出的大小可控，因此，它在雷达馈线系统中常用作信号采集和注入元件，以实时监测馈线系统工作的质量。

这就是常说的监测定向耦合器。

在集中发射机的雷达馈线系统中，连接发射管的主馈线，功率很高，主馈线的输入驻波相对来说也较大，为了保护发射管的输出窗口。

监视主馈线的驻波并实现保护控制很有必要。

利用两只定向耦合器或一只双定向耦合器串接在发射管的输出端口，实时测量入射波和反射波信号的大小，并送控保电路以对发射管实现控保。

在大功率测量中，由于被测功率电平很高，直接测量有时十分困难，早期的大功率测量曾用流动的水作吸收负载，通过
测量进出水的温差测量功率，这种方法测量误差较大。

通过式大功率计，利用定向耦合器串接在吸受负载之前，耦合出少量功率进行测量，把大功率测量变为小功率测量。

总之，由于定向耦合器的定向耦合特性和耦合度大小可任意设计的特性，它在微波技术和雷达馈线系统中有较广泛的应用。

Ka波段3dB定向耦合器的设计与仿真摘要：定向耦合器广泛地用在现代微波系统中，文中介绍了两种应用在平衡式放大器中的3dB 定向耦合器。

首先对微带分支线耦合器与波导耦合器进行了理论分析，然后利用电磁仿真软件HFSS，对两种耦合器进行了建模仿真、仿真结果验证了这两种定向耦合器的可实现性，最后比较了两种耦合器的性能，并且总结了各自的特点。

关键词：Ka 波段；定向耦合器；分支线耦合器；波导耦合器1 引言在微波通信系统中定向耦合器是一种用途广泛的微波器件，比如可以用在在信号发生器中的功率临视装置，以及接收机中的混频器。

另外，自动增益控制、平衡式放大器、反射计以及调相器和微波阻抗电桥等测量仪器也要用到定向耦合器。

构成定向耦合器的结构有波导、微带线、带状线、同轴线等。

因此，定向耦合器的种类很多，但是不同种类的定向耦合器差异很大。

平衡式放大器的稳定性很好，输入输出驻波也很低，而且由于良好的低噪声特性，平衡结构的放大器在微波波段的低噪声放大器中被普遍采用。

因此对于平衡式放大器中定向耦合器的研究就具有很高的现实意义。

本文对微带分支线耦合器和波导E 面耦合器做了理论分析，然后利用电磁仿真软件进行了建模仿真，通过对仿真结果做了比较，最后得出结论。

2 耦合器的分析与设计(1)主要设计指标工作频带：29GHz～31GHz 同波损耗：&le;-20dB 输出端口幅度不平衡度：&le;1 dB 输出端口隔离度：&le;-20dB (2)分支线耦合器的分析与仿真如图1 所示，分支线定向耦合器有主线、副线和两条分支线组成，其中分支线的长度和间距均为中心频率工作波长的。

设主线入口线1 的特性阻抗为Z1=Z0，主线出口线2 的特性阻抗Z2=Z0k(k 为阻抗变换比)，副线隔离端4 的特性阻抗为Z4=Z0，副线耦合端3 的特性阻抗为Z3=Z0k，平行连接线的特性阻抗为ZOP，两个分支线特性阻抗分别为Zt1 和Zt2。