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什么是定向耦合器定向耦合器的工作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/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。
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。
定向耦合器的应用1、用于功率合成系统在多载频合成系统中，通常会用到3dB的定向耦合器（俗称3dB电桥），如下图所示。
这种电路常见于室内分布系统，来自两路功率放大器的信号f1和f2经过3dB定向耦合器后，每路的输出均包含了f1和f2两个频率分量，每个频率分量的幅度减少3dB。
如果将其中一个输出端接上吸收负载，另外一路输出可以作为无源互调测量系统的功率源。
如果需要进一步提高隔离度，可以外加一些器件如滤波器和隔离器。
一个良好设计的3dB电桥的隔离度可以做到33dB以上。
定向耦合器用于功率合成系统一定向沟壑区作为功率合成的另外一种应用见下图（a）。
在这个电路中，定向耦合器的方向性得到了巧妙的应用。
假设两个耦合器的耦合度均为10dB，方向性均为25dB，则f1和f2端之间的隔离为45dB。
如果f1和f2的输入均为0dBm，则合成后的输出均为-10dBm。
与下图（b）中的Wilkinson耦合器（其隔离度典型值为20dB）相比，同样输入OdBm的信号，合成后还有-3dBm （未考虑插入损耗）。
作为间样条件下的比较，我们将图（a）中的输入信号提高7dB，这样其输出就和图（b）—致了，此时，图（a）中f1和f2端的隔离度“降低”为38 dB。
A D S设计混频器应用ADS 设计混频器1． 概述图1为一微带平衡混频器，其功率混合电路采用3dB 分支线定向耦合器，在各端口匹配的条件下，1、2为隔离臂，1到3、4端口以及从2到3、4端口都是功率平分而相位差90°。
图1设射频信号和本振分别从隔离臂1、2端口加入时，初相位都是0°，考虑到传输相同的路径不影响相对相位关系。
通过定向耦合器，加到D1，D2上的信号和本振电压分别为： D1上电压 )2cos(1πω-=t V v s s s 1-1)cos(1πω-=t V v L L L 1-2D2上电压)cos(2t V v s s s ω= 1-3)2cos(2πω+=t V v L L L 1-4可见，信号和本振都分别以2π相位差分配到两只二极管上，故这类混频器称为2π型平衡混频器。
由一般混频电流的计算公式，并考虑到射频电压和本振电压的相位差，可以得到D1中混频电流为：∑∑∞-∞=∞-+-=m n L s m n t jn t jm I t i ,,1)]()2(exp[)(πωπω同样，D2式中的混频器的电流为：∑∑∞-∞=∞++=m n L s m n t jn t jm I t i ,,2)]2()(exp[)(πωω当1,1±=±=n m 时，利用1,11,1-++-=I I 的关系，可以求出中频电流为：]2)cos[(41,1πωω+-=+-t I i L s IF主要的技术指标有：1、噪音系数和等效相位噪音(单边带噪音系数、双边带噪音系数)；2、变频增益，中频输出和射频输入的比较；3、动态范围，这是指混频器正常工作时的微波输入功率范围；4、双频三阶交调与线性度；5、工作频率；6、隔离度；7、本振功率与工作点。
设计目标：射频：3.6 GHz ，本振：3.8 GHz ，噪音：<15。
2.具体设计过程2.1创建一个新项目◇启动ADS◇选择Main windows◇菜单－File－New Project，然后按照提示选择项目保存的路径和输入文件名◇点击“ok”这样就创建了一个新项目。
作者简介:王利斌(1982-),男,山西太原人,硕士研究生,工程师,从事机载无线通信设备设计与开发工作,主要研究方向为射频功放设计与无源射频电路设计。
基于ADS 的宽带定向耦合器的设计与仿真Design and Simulation of BroadBand Directional Coupler Based on ADS王利斌(中国西南电子技术研究所,四川成都610036)Wang Li-bin (Southwest China Institute of Electronic Technology,Sichuan Chengdu 610036)摘要：该文简单阐述了定向耦合器的工作原理，通过对比分析微带线耦合器和带状线耦合器。
通过使用Keysight 公司的ADS 仿真软件，设计一款采用LCR 补偿方案可以兼顾平坦度和方向性的带状线双定向耦合器，最后给出该耦合器的实际电路模型和满足设计预期的仿真数据。
关键词:定向耦合器；LCR 补偿方案；带状线中图分类号：TN622文献标识码：A文章编号：1003-0107(2019)09-0038-06Abstract:This paper briefly describes the working principle of directional coupler,and analyzes microstrip-line coupler and stripline coupler.By using Keysight's ADS simulation sofware,a LCR compensation is designed which the scheme can give consideration to both flatness and directional of the stripline bi-directional coupler.Finally,the actual circuit model of the coupler and the simulation result satisfiying the design expectation are given.Key words:directional coupler;LCR compensation;stripline CLC number:TN622Document code:AArticle ID ：1003-0107(2019)09-0038-060引言定向耦合器的基本工作原理同和微带功率分配器一样[1]，同时有四个端口，分别是输入端、耦合端、直通端和隔离端。
<<ADS>>课程设计——分支线耦合器目录1概述 (1)1.1 微波技术产生的背景及发展趋势 (1)1.2 微波电路仿真软件ADS简介 (2)1.3定向耦合概念及分类 (3)1.3.1概念 (3)1.3.2分类 (4)1.3.3 主要技术指标 (6)2工作原理 (7)2.1 传输线理论 (7)2.2 输入阻抗 (8)2.3 特性及测量 (9)2.3.1网络特性 (9)2.3.2测量方法（定向耦合器的特性参量） (10)2.4 定向耦合器的用途 (11)3.微带分支电路的分析与设计 (12)3.1 分支线耦合器 (12)3.2 分支线耦合器的奇偶模分析 (13)4设计过程 (17)4.1 建立工程 (17)4.2 原理图的设计 (18)4.3微带线参数的设置 (19)4.4 VAR控件的设置 (20)4.5 S参数仿真设计 (20)4.6 参数的优化 (22)4.7分支线耦合器版图的生成 (23)5.总结与展望 (25)1概述1.1 微波技术产生的背景及发展趋势微波技术是无线电电子学的一个重要分支，已成为现代通信、雷达、导航和遥感等领域最为敏感的课题之一，发展至今已经有比较久的历史了，无论在理论上还是在实践上，微波科学技术逐渐成熟，并拥有很多的从业人员。
微波波段的电磁波能穿透电离层,因而卫星通信与卫星电视广播、宇宙通信及射电天文学的研究等均需利用微波来实现，在通信、雷达、导航、遥感、天气、气象、工业、农业、医疗以及科学研究等方面得到越来越广泛的应用，成为了无线电电子学的一个重要的分支趋向。
随着通信技术的迅速发展，为了便于携带和移动,无线电设备的小型化是未来的发展趋势，而移动通信所使用频段处于微波范围,因此实现微波电路的更高频率化, 小型化,固体化,不仅在实用方面,而且在学术方面均有重要的研究价值。
定向耦合器通常有两种实现方式: Lange耦合器和带线耦合器。
Lange耦合器具有结构紧凑,便于集成的优点,但一般使用陶瓷基板, 电路制作要求较高,加工工艺和成本限制了它的应用。
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。
单位代码： 10293 密 级：硕 士 学 位 论 文论文题目：带短路支节的高隔离度分支线定向耦合器设计研究电磁场与微波技术 移动通信与射频技术 工学硕士二零一五年三月学 科 专业 研 究 方向 申请学位类别 论文提交日期摘要定向耦合器是一种常用微波无源元件，在无线系统的射频前端中有着广泛的应用。
特别在收发同频的无线系统中定向耦合器常常被用作隔离收发信号的一种关键部件。
但是传统的定向耦合器隔离度偏低且工作带宽较窄，无法满足系统的要求。
本文以分支线定向耦合器为研究对象，主要围绕如何提高其隔离度和增加工作带宽来进行深入研究。
论文的主要工作和创新点包括：（1）根据功率相消原理在其耦合端口增加一条微带短路支节，设计出一款3dB带短路支节双分支线定向耦合器。
这种方法结构简单，易于实现，且能够大幅提高耦合器隔离度。
（2）完成了一款实验样品的加工、测量工作，验证了短路支节线用于提高双分支线定向耦合器隔离度的效果，以及工作带宽提高不明显的缺点。
（3）在双分支线定向耦合器基础上，总结出一种有效提高其工作带宽的方法：增加耦合路径，并设计出一款3dB三分支线定向耦合器，该耦合器能够大幅拓宽工作带宽。
在3dB带短路支节双分支线定向耦合器的基础上设计出一款3dB带短路支节三分支线定向耦合器，该款改进型定向耦合器在很大程度上拓宽了工作带宽，且提高了隔离度。
关键词: 定向耦合器，隔离度，短路支节，工作带宽AbstractReader is an important part of the RFID system, and the reader send and receive isolation is one of the key performance of RFID system. At present, the most common methods to improve the reader transceiver isolation degree is to add directional coupler in front of the reader antenna feed network.The traditional directional coupler isolation and working bandwidth is narrow,and can not meet the requirements if the RFID system. In this paper,we focus on the branch line of directional coupler and research on how to improve the isolation and increase bandwidth. The main work and innovation of this paper include:(1)We use method of old-even mode to analyze the double branch line directional coupler,and use the HFSS simulation software to model and simulation,find the directional has a low degree isolation shortcoming. In order to increase isolation of the directional coupler,according to the theory of destructive power we increase a short branch section in the port, and design a 3dB dual-branch directional coupler with a short branch section.This method is simple in structure, easy to implement, and can greatly improve the coupler isolation.(2) We process the 3dB dual-branch directional coupler with a short branch section into objects, using a vector network analyzer to measure it,finally compare the simulation results and measurement results and found the isolation has been improved in the very great degree but the bandwith is not obvious increased.(3) Base on the dual branch line directional coupler,we sum an effective operating to improve its bandwidth approach:increase the coupling path,and design a 3dB three-branch line directional coupler, the coupler can greatly expand the bandwidth.Base on the dual-branch line directional coupler with a short branch section we design a 3dB three-branch directional coupler with a short branch section,The directional coupler significantly increases the operating bandwidth, and improve the isolation.Key words: the RFID system, isolation , short branch section, directional coupler目录第一章绪论 (1)1.1 研究的背景与意义 (1)1.2 RFID系统基本介绍 (1)1.3 RFID系统现状和进展 (3)1.3.1 RFID系统使用现状 (3)1.3.2 RFID系统中读写器收发隔离技术的重要程度 (3)1.4本文的主要工作及内容安排 (4)第二章定向耦合器基本原理 (6)2.1 定向耦合器工作原理 (6)2.1.1 定向耦合器基本特性 (6)2.1.2 定向耦合器理论分析 (7)2.1.3 定向耦合器的技术指标 (9)2.2 常见定向耦合器的介绍 (10)2.2.1 平行耦合线定向耦合器 (11)2.2.2 波导定向耦合器 (11)2.2.3 分支线定向耦合器 (13)2.2.3 环形定向耦合器 (14)2.3 3dB微带分支线定向耦合器理论分析 (15)2.4 本章小结 (18)第三章带短路支节双分支线定向耦合器设计 (19)3.1 3dB双分支线定向耦合器设计 (19)3.1.1 3dB双分支线定向耦合器ADS仿真 (19)3.1.2 微带线理论分析 (21)3.1.3 3dB双分支线定向耦合器建模与结果分析 (23)3.2 3dB带短路支节双分支线定向耦合器设计 (26)3.2.1 3dB带短路支节双分支线定向耦合器的工作原理 (27)3.2.2 3dB带短路支节双分支线定向耦合器建模与仿真 (29)3.2.3 相关参数优化与结果分析 (31)3.2.4 两款定向耦合器对比分析 (38)3.3 本章小结 (40)第四章实物测试与结果分析 (41)4.1 实物加工与测试 (41)4.2 测试结果与仿真结果分析 (44)4.3 本章小结 (47)第五章改进型微带分支线定向耦合器设计 (48)5.1 3dB微带三分支线型定向耦合器设计 (48)5.1.1 3dB微带三分支线定向耦合器ADS仿真 (48)5.1.2 3dB微带三分支线定向耦合器建模与仿真 (51)5.2 3dB带短路支节三分支线定向耦合器设计 (54)5.2.1 3dB带短路支节三分支线定向耦合器建模与仿真 (54)5.2.2 参数优化与结果分析 (56)5.2.3 3dB带短路支节双分支线和3dB带短路支节三分支线定向耦合器对比分析 (60)5.3 本章小结 (61)第六章总结与展望 (62)参考文献 (64)第一章绪论1.1研究的背景与意义无线射频识别技术(Radio Frequency Identification,RFID)是一种非接触式的自动识别技术，它的主要特征是运用射频信号和空间耦合传输特性，达到对被识别物体的自动识别[1]。
微波电路设计报告[宽带微带定向耦合器的设计]组长：组员：摘要阐述了平行耦合线定向耦合器的工作原理和设计过程。
根据耦合微带线的主要特征，设计了频率范围为2~4GHz的平行耦合微带线定向耦合器。
根据给定耦合器的技术指标，确定耦合器的类型、结构。
利用ADS、HFSS软件环境设计了平行耦合线定向耦合器的电路模型，并对定向耦合器的S参数进行仿真、优化，已达到预期的设计要求。
关键词：ADS;HFSS;耦合线；定向耦合器；耦合微带线引言微带传输线是最近几年发展起来的一类微波传输线，具有小型、重量轻、频率轻、可集成化、便于与微波集成电路相连接等优点，因此，对于微波集成电路来说是一种非常重要的传输手段。
平行耦合线定向耦合器是在微波集成电路中被应用广泛的反向定向耦合器。
这种平行耦合线定向耦合器通常用带状线或者微带线来实现。
本次设计使用微带线来进行设计。
设计指标要求：1、频率范围：2~4GHz2、耦合度：20±1dB3、插损≤1dB4、隔离度≥20dB5、幅度不平度≤1dB6、相位不平度≤3°7、驻波≤1.5平行耦合线定向耦合器的设计原理如图1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。
平行耦合线定向耦合器的电路原理1、平行耦合微带线定向耦合器的结构如图所示：2、对电路进行优化后：设计步骤1）确定基片参数（FR-4，介电常数为4.6，厚度0.8mm,铜箔厚度0.018mm）2）计算出定向耦合器的初始尺寸。
微带定向耦合器S参数仿真一、软件启动1.1、启动软件※ 启动软件1.2、建立新的Design※ 启动后进入如下界面：※ 创建新的工程文件：File > New Project，文件名为sample，设置单位为 millimeter。
※ 新工程文件建立完毕※ 设计窗口自动打开※ 在设计窗口中创建新的Design：File > New Design，命名设计为microstriplinecoupling，此时默认单位为millimeter 。
※ 点击OK后，设计窗口上方出现[Sample_prj] microstriplinecoupling 的标题。
二、建立微带耦合器的电路原理图2.1、选择微带线工具栏※ 在设计窗口的下拉式菜单中选择Tlines-Microstrip2.2、创建微带线参数控件※ 在工具栏里点击微带线参数控件，在原理图中放置一个该控件。
※ 双击原理图中的微带线参数控件图标，激活其参数设置对话框，其参数的含义是：﹠H:基板厚度﹠Er:基板相对介电常数﹠ Mur:磁导率﹠ Cond:金属电导率﹠ Hu:封装高度﹠ T:金属层厚度﹠ TanD:损耗角﹠ Roungh:表面粗糙度※ 设置基板厚度为0.93mm，介电常数4.6，金属层厚0.035mm，其他参数使用默认数值即可，特别要注意参数的单位。
2.3、创建耦合微带线模型※ 在工具栏里点击耦合微带线模型，在原理图中放置一个该模型。
※ 双击原理图中的耦合微带线模型图标，激活其参数设置对话框，其参数的含义是：﹠W：微带线宽度﹠S：耦合微带线间距﹠L：耦合微带线长度﹠Temp：温度﹠W1、W2、W3、W4：四个端口引脚宽度（在Layout中）※ 设置微带线宽带为w1（mm），此处的w1为一个变量，将在后面定义其数值，千万注意不要漏掉单位，注意区分大小写；设置耦合微带线间距为3mm，耦合微带线长为10mm。
其他参数可以不设置，注意基板名称为“Msub1”。
目录一、课题名称2二、设计指标 (2)三、设计理论根底 (2)四、设计步骤41．设计微带分支定向耦合器的原理图42．微带线分支定向耦合器的原理图仿真 (6)3．微带分支定向耦合器幅员的生成8五、设计小结 (9)六、参考文献：9前言：定向耦合器在微波波段有着广泛的应用，其主要用途有用来监视功率、频率和频谱，把功率进展分配和合成，构成平衡混频器和测量电桥，利用定向耦合器来测量反射功率系数和功率。
本设计主要利用ADS2021软件设计微带分支定向耦合器的方法，及利用ADS设计、仿真微带分支定向耦合器，完成原理图和布局图。
关键词：定向耦合器微带分支ADS 微波耦合度基于ADS—微带分支定向耦合器的设计一、课题名称：基于ADS—微带分支定向耦合器的设计二、设计指标：本报告微带分支定向耦合器的设计指标如下。
中心频率选为2.4GHz。
● 在2.3GHz —2.5GHz 围，11S 的取值小于-36dB 。
● 在2.3GHz —2.5GHz 围，21S 的取值大于-3.0dB ● 在2.3GHz —2.5GHz 围，31S 的取值小于-36dB 。
● 在2.3GHz —2.5GHz 围，41S 的取值大于-3.0dB ● 系统的特性阻抗选为50Ω。
● 微带线基板的厚度选为0.5mm ，基板的相对介电常数选为4.2.三、 设计理论根底：在射频微波电路中，经常用到多端口网络，分支定向耦合器是最常用的多端口网络，它在电路中起到了十分重要的作用，它能够在固定的参考相位的条件下，分开和组合射频微博端口。
〔一〕、定向耦合器的根本功能和参数指标定向耦合器是一个4端口网络，它有输入端口、直通端口、耦合端口和隔离端口，分别对应图中的1、2、3、4端口1243 定向耦合器定向耦合器的主要技术指标有耦合度、隔离度、定向性、输入驻波比及工作带宽等，下面介绍上述各指标1、 耦合度耦合度C 定义为输入端口的输入功率P1和耦合端口P3之比的分贝数，耦合度C 表示为：1210lg()P C dB P = 引入网络散射参量，耦合度又可以表示为：11233113/2110lg 10lg 20lg ()/2i il U P C dB P S S U ===耦合度的分贝数越大耦合越弱，通常把耦合度为0dB~10dB 的定向耦合器称为强耦合定向耦合器，把耦合度为10dB~20dB 的定向耦合器称为中等耦合定向耦合器，把耦合度大于20dB 的定向耦合器称为弱耦合定向耦合器。
目录1概述 (1)1.1 微波技术产生的背景及发展趋势 (1)1.2 微波电路仿真软件ADS简介 (2)1.3定向耦合概念及分类 (3)1.3.1概念 (3)1.3.2分类 (4)1.3.3 主要技术指标 (6)2工作原理 (7)2.1 传输线理论 (7)2.2 输入阻抗 (8)2.3 特性及测量 (9)2.3.1网络特性 (9)2.3.2测量方法（定向耦合器的特性参量） (10)2.4 定向耦合器的用途 (11)3.微带分支电路的分析与设计 (12)3.1 分支线耦合器 (12)3.2 分支线耦合器的奇偶模分析 (13)4设计过程 (17)4.1 建立工程 (17)4.2 原理图的设计 (18)4.3微带线参数的设置 (19)4.4 VAR控件的设置 (20)4.5 S参数仿真设计 (20)4.6 参数的优化 (22)4.7分支线耦合器版图的生成 (23)5.总结与展望 (25)1概述1.1 微波技术产生的背景及发展趋势微波技术是无线电电子学的一个重要分支，已成为现代通信、雷达、导航和遥感等领域最为敏感的课题之一，发展至今已经有比较久的历史了，无论在理论上还是在实践上，微波科学技术逐渐成熟，并拥有很多的从业人员。
微波波段的电磁波能穿透电离层,因而卫星通信与卫星电视广播、宇宙通信及射电天文学的研究等均需利用微波来实现，在通信、雷达、导航、遥感、天气、气象、工业、农业、医疗以及科学研究等方面得到越来越广泛的应用，成为了无线电电子学的一个重要的分支趋向。
随着通信技术的迅速发展，为了便于携带和移动,无线电设备的小型化是未来的发展趋势，而移动通信所使用频段处于微波范围,因此实现微波电路的更高频率化, 小型化,固体化,不仅在实用方面,而且在学术方面均有重要的研究价值。
定向耦合器通常有两种实现方式: Lange耦合器和带线耦合器。
Lange耦合器具有结构紧凑,便于集成的优点,但一般使用陶瓷基板, 电路制作要求较高,加工工艺和成本限制了它的应用。
带线耦合器虽然对电路制作工艺要求相对较低,但存在结构复杂、体积较大以及集成困难等缺点。
传统的定向耦合器虽然具有设计成任意功率分配比例的优点，但是体积较大，不利于微波集成化方向发展，因此寻找性能更好和功能独特的小型定向耦合器，一直是人们去研究的课题之一。
而微带定向耦合器由于具有结构紧凑、制作简单、便于和其他电路集成等优点,目前已引起人们的极大研究兴趣，未来的耦合器必然会向着集成化和小型化方向发展。
同时,用微带线设计的微波元器件,可以直接做在电路板上,具有所占空间小、易于和其它电路元件连接的特点。
因为微带线具有上述特点,所以用它来做微波电路。
这将有助于提高微波集成电路的集成度。
然而，微带定向耦合器也有自身的不足，主要体现在耦合度较低和方向性差等方面。
为了克服上述缺陷,研究者提出了多种补偿方法，本文也将结合微波理论知识和先进的仿真软件技术，来实现对微带定向耦合器的耦合度和方向性等性能的改善和提高。
1.2 微波电路仿真软件ADS简介ADS，即Advanced Design System 的简称，它是 Agilent Technoligyies（安捷伦）公司推出的一套电路设计软件。
Agilent Technoligyies公司把HP MDS（Microwave Design System）和HP EEsof IV(Electronic Engineering Software )两者的精华有机地结合起来，并增加了许多新的功能，便构成了ADS软件。
自从Agilent Technoligyies 公司推出ADS软件后，很快被广大电子工程技术人员所接受，因为它与以前的微波仿真软件相比，具有更全面的功能，而且它的应用也变得更加广泛，它具有多种仿真软件的优点，仿真手段丰富，可实现包括时域和频域，数字与模拟，线性与非线性，高频与低频，噪声等多种仿真分析手段，范围涵盖小到元器件，大到系统级的仿真分析设计，ADS能够同时仿真射频（RF），模拟（Analog），数字信号处理（DSP）电路，并可对数字电路和模拟电路的混频电路进行协同仿真，由于其强大的功能，很快成为全球内业界流行的EDA设计工具。
（1）ADS的特点①在可操作性方面，ADS灵活使用了窗口技术，工具栏、工具栏、快捷键、模版以及菜单等使人机界面更美观、方便。
② ADS使用了器件图例、库浏览以及即时浏览各分层次器件的实际电路等功能。
③提供多种获得帮助文件的途径（用户手册、自带设计举例、各种模版、因特网），用户可以获得详细的、最新的帮助文件。
（2）ADS的应用ADS的应用非常广泛，它的应用场合主要包括射频和微波电路的设计、DSP设计、通信系统的设计、向量仿真，其在微波电路的CAD设计部分主要包括以下几个方面：①微波器件的建模和参数提取包括各种微波半导体器件的建模和参数提取、微波分布参数和集总参数元件的实验建模、标准工艺加工线元件数据库等。
②微波系统仿真对各种不同规模的微波系统进行仿真，以便得到系统的各种特性指标，这是微波系统设计的重要手段。
③微波电路的优化设计用户给定电路的拓扑结构、各元件初始值和电路的设计指标目标，EDA软件自动改变元件值，直到满足电路的设计指标目标。
④微波电路的容差分析和容差设计计算电路元件的允许公差、分析元件公差的各种分布形式和元件公差对微波电路特性的影响以及通过改变元件的中心值来使所生产的电路达到最高的成品率。
⑤微波部件和电路的电磁仿真采用电磁场数值计算方法，配以方便的用户界面，用于一些微波部件和电路的仿真。
⑥微波集成电路的布线和版图设计自动或交互式将微波电路的电原理图转换成微波集成电路的工艺版图，进行设计规则检查。
1.3定向耦合概念及分类1.3.1概念定向耦合器是具有方向性的功率耦合和功率分配元件，其结构形式多种多样，但它们都是四端口元件，通常由主传输线、副传输线、和耦合结构三部分组成，主、副线通过耦合结构（通常耦合结构有耦合缝、耦合孔和耦合传输线等结构）连接，主线传输的电磁波能量经耦合结构进入副线中，并在副线的某一端口输出，在副线的另一端口应无输出。
所有的定向耦合器的方向性都是通过两个独立的波（或波的分量）产生的，它们在耦合端口同向相加，在隔离端口则反相抵消来实现方向性，定向耦合器的示意图如图1-1所示。
（a）正向定向耦合器（b）反相定向耦合器图1-1定向耦合器示意图1.3.2分类定向耦合器的种类繁多，其结构形式多种多样，但本文只对以下四种进行简单的介绍：①波导定向耦合器这种耦合器是最早实现是耦合器，它通常在波导的共用边上用小孔（或小槽）来实现耦合。
实现这中耦合最简单的方法是在两个波导之间的宽壁上开一个小孔，这种耦合器称为Bathe孔耦合器，主要有两种耦合形式，如图1-2所示，在图（a）中，耦合是通过小孔偏离波导边壁的距离s来控制的。
在图2-2（b）中，耦合是通过两波导之间的角度 来控制的。
图1-2 两种Bathe孔耦合器②耦合线定向耦合器这种定向耦合器是用耦合传输线（两根无屏蔽的传输线紧靠在一起时，由于各根线电磁场的相互作用，线之间可能产生功率耦合）制作的定向耦合器。
单节耦合线定向耦合器结构和端口定义如图1-3所示，这种类型的耦合器最适合于弱耦合，原因在于紧耦合要求线很紧地靠在一起很难实现，还有偶模和奇模特性阻抗的数值过大或过少而不实际。
图1-3 单节定向耦合器结构和端口定义③lange定向耦合器这种耦合器最常见的有微带形外观和不能折叠的Lange耦合器两种形式，如图1-4所示，图（a）所示的是四根耦合线采用相互连接以提供紧耦合，这种耦合器和容易做到3dB耦合度；图（b）是不能折叠的lange耦合器，基本原理同图（a）所示耦合器，不过这种很容易用一个等效电路模型化。
图（a）微带形外观图（b）不能折叠的lange耦合器图1-4 Lange 耦合器④铁氧体定向耦合器铁氧体定向耦合器是用高强度漆包线绕在铁氧体高频磁环或磁芯上做成。
这种定向耦合器实质上是用电感线圈代替分布参数的电感，用电容器代替分布电容，有时也称其为集中参数定向耦合器。
在定向耦合器设计中，使用铁氧体能有效增加带宽，减小尺寸和生产成本，同时提高了功率。
在微波测量仪器中使用这种定向耦合器可以降低成本，提高测量精度，有着广阔的应用前景。
1.3.3 主要技术指标定向耦合器是微波技术中广泛使用的部件之一，通常可以将它看成一个四端口网络，如图1-5所示，设端口1到4为主线、端口2到3为副线，当电磁波从端口1输入时，端口3无输出，端口2有输出，故端口3是隔离端，端口2为耦合端。
如果电磁波从其它端口输入，其输出情况类似。
图1-5 定向耦合器网络衡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1P 与端口2的输出功率2P 之比的分贝数为该定向耦合器的耦合度C ，则 12221110lg 10lg P C P S ⎛⎫⎛⎫== ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭ (dB ) （1.1） ② 方向性系数D端口2的输出功率2P 与端口3的输出功率3P 之比的分贝为定向耦合器的方向性系数D ，则 2212233110lg 10lg S P D P S ⎛⎫⎛⎫== ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭(dB) (1.2) 对于一个理想的定向耦合器，3310,0,P S D =→∞。
③ 隔离度I端口1的输入功率1P 与端口2的输出功率3P 之比的分贝数为该定向耦合器的隔离度I ，则 12331110lg 10lg P I P S ⎛⎫⎛⎫== ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭ (dB ) (1.3)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都接匹配负载时，在输入端口①测量到的驻波系数。
输入驻波系数反映了在输入端观察到的反射大小。
⑤频带宽度频带宽度是指当耦合度、隔离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器，30P =，310S =,I →∞。
由（1.1）、（1.2）、（1.3）可以得出它们之间具有如下关系：D I C =- (2.4)2工作原理2.1 传输线理论传输线可用来传输电磁信号能量和构成各种微波元器件。
微波传输线是一种分布参数电路，线上的电压和电流是时间和空间位置的二元函数，它们沿线的变化规律可由传输线方程来描述。
传输线方程是传输线理论中的基本方程。
对于均匀无损耗传输线，传输线方程为()()1zdU z Z I z d =- （2.1a ）()()1z dI z YU z d =- (2.1b) 当已知终端条件时，它的解可以表示'''202()U z U chyz Z I shyz =+ （2.2a ） '''220()U I z shyz I chyz Z =+ （2.2b ） 其中22U 、I 为终端电压与电流，γ为传播常数,j γαβ==+ ,（α为衰减系数,β为相移常数）。
