定向耦合器的基础知识解析

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。

双分支定向耦合器原理双分支定向耦合器是一种被广泛应用于光通信系统中的耦合器，它可以将光信号从一个输入端口耦合到多个输出端口上，或者将多个输入端口的光信号合并到一个输出端口上。

其原理基于光的干涉和波导耦合理论，下面将详细介绍双分支定向耦合器的原理。

在双分支定向耦合器中，主波导和副波导之间存在着一定的耦合长度。

当光信号从主波导输入时，它会同时存在于主波导和副波导中。

在耦合长度这段距离上，主波导和副波导之间的距离逐渐减小，使得两个波导之间的光耦合增加。

当耦合长度到达一个特定的值时，光信号完全从主波导耦合到副波导上，这被称为50%耦合点。

当光信号从主波导中完全耦合到副波导之后，自此之后，主波导和副波导之间的距离逐渐增大。

这个过程中，从副波导输出的信号会有逐渐减小的趋势。

当距离增大到一定程度时，光信号会完全从副波导输出。

输出信号的功率与主波导输入信号功率之比称为耦合效率。

同时，根据波导的光学性质，当两个波导的长度相等时，耦合效率最大。

双分支定向耦合器的原理还包括使用相位差控制输出信号的强弱。

通过在主波导和副波导中引入相位差，可以使输出信号的强度发生变化。

这可以通过改变波导的几何尺寸或者在其上添加相位装置来实现。

例如，可以通过在耦合结构中引入突变来引发相位变化。

这种相位控制的方法可以用于应用中需要在不同输出端口上获得不同输出功率的场景。

另外，还可以通过在主波导和副波导之间引入调制装置控制耦合效率。

调制装置通常由电光调制器等组成，可以通过改变耦合结构或改变电压来改变波导的折射率，从而改变耦合效率。

这种调制控制的方法可以用于一些需要实时调节输出功率的系统中。

总结起来，双分支定向耦合器的原理基于光的干涉和波导耦合，通过控制耦合结构的几何尺寸、相位差或调制装置，可以实现将光信号从一个输入端口耦合到多个输出端口上，或者将多个输入端口的光信号合并到一个输出端口上。

这使得双分支定向耦合器在光通信系统中发挥着重要作用，提供了灵活和高效的光路选择功能。

定向耦合奇模偶模-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述定向耦合是一种特殊的耦合方式，它在电磁波传输中起到了至关重要的作用。

定向耦合器被广泛应用于通信系统、雷达系统和微波电路等领域，以实现信号的传输和控制。

定向耦合器的设计和优化是这些系统中关键的一环，对系统性能的提高有着重要的意义。

在定向耦合器的设计中，奇模和偶模是两个重要的概念。

奇模是指当有一个输入端口有信号输入时，其他未激励的端口上产生的信号响应；而偶模是指当有两个相邻的输入端口有信号输入时，其他未激励的端口上产生的信号响应。

在定向耦合器的工作过程中，奇模和偶模的特性不仅直接影响了耦合的效果，还与定向耦合器的互联性能和参数有一定的关系。

本文将从定向耦合的概念、奇模和偶模的特点以及它们的相互关系等方面进行详细阐述，并探讨定向耦合在实际应用中的价值。

通过对定向耦合的深入研究，我们可以更好地理解定向耦合器的工作原理和性能特点，进一步提高通信系统和雷达系统等领域中的传输效果和控制能力。

在接下来的章节中，我们将逐一探讨定向耦合的各个方面，并通过实例和实验结果进行说明。

通过本文的阅读，相信读者能够对定向耦合具有更深入的理解，并将其应用于实际工程项目中，提升系统的性能和可靠性。

同时，本文也将为相关研究人员提供一些参考，以便于他们在该领域开展更加深入的研究和实践工作。

1.2文章结构文章结构部分的内容可以包括以下内容：文章结构部分旨在介绍本文的整体组织和内容安排，以便读者更好地理解和阅读本文。

本文按照以下结构展开：第一部分为引言部分。

首先，我们将对定向耦合、奇模和偶模的概念进行简要的介绍，帮助读者了解本文的主要研究领域。

接着，我们将详细描述本文的结构和组织方式，以便读者了解各个章节的内容和目的。

最后，我们将明确本文的目的，即为了传达和探讨定向耦合、奇模和偶模的重要性和应用价值。

第二部分为正文部分。

在本节中，我们将深入探讨定向耦合的概念，并对其特点进行详细阐述。

微波定向耦合器工作原理一、引言微波定向耦合器是一种常用的微波器件，广泛应用于微波通信、雷达系统、卫星通信等领域。

它具有方便、灵活、高效的特点，能够实现微波信号的分配和耦合，是实现无线通信系统中重要的组成部分。

本文将对微波定向耦合器的工作原理进行全面、详细、完整的探讨。

二、微波定向耦合器的基本结构微波定向耦合器通常由耦合器和耦合环组成。

耦合器是一种特殊的波导结构，用于将微波信号从一个波导传输到另一个波导。

耦合环是一种特殊的环形结构，用于实现信号的定向耦合。

三、微波定向耦合器的工作原理微波定向耦合器的工作原理可以简单地分为两个步骤：耦合和定向。

3.1 耦合在耦合器中，微波信号通过波导进入耦合环。

当信号进入耦合环时，一部分能量会被传输到耦合环内部，形成环内模式。

耦合环内部的环形结构可以通过控制其几何参数来实现对耦合效果的调节。

当耦合环的几何参数适当时，可以实现最佳的耦合效果，使得尽可能多的能量被传输到耦合环内部。

3.2 定向在耦合环内部，耦合器通过调节耦合环的几何参数和输入信号的相位差，实现对信号的定向耦合。

定向耦合是指将输入信号按照一定的比例传输到不同的输出端口上。

耦合环内部的环形结构可以通过调节其几何参数来实现对信号的定向耦合。

当耦合环的几何参数适当时，可以实现理想的定向耦合效果，使得输入信号按照预定的比例传输到不同的输出端口上。

四、微波定向耦合器的性能指标微波定向耦合器的性能主要包括插入损耗、耦合平衡度、隔离度等指标。

4.1 插入损耗插入损耗是指微波信号在经过耦合器时的功率损耗。

插入损耗越小，说明耦合器的能量传输效果越好。

4.2 耦合平衡度耦合平衡度是指在不同的输出端口上输出的信号功率之间的平衡程度。

耦合平衡度越高，说明耦合器的定向耦合效果越好。

4.3 隔离度隔离度是指不同输出端口上的信号之间的相互干扰程度。

隔离度越高，说明耦合器的输出信号之间的相互干扰越小。

五、微波定向耦合器的应用微波定向耦合器在无线通信系统中有着广泛的应用。

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。

定向耦合器指标定向耦合器是一种常用的微波器件，主要用于功率的分配和组合，以及信号的测量和处理。

其性能指标对于整个系统的性能至关重要。

本文将对定向耦合器的主要性能指标进行详细介绍。

一、耦合度耦合度是定向耦合器最重要的性能指标之一，它表示耦合端口输出信号与输入信号之比。

通常用分贝（dB）来表示。

耦合度的选择取决于系统的具体需求，如需要将主信号的多少部分分流出来，以及需要将多少功率传输到负载等。

一般来说，耦合度越高，意味着更多的功率被分流出来，反之则更少的功率被分流。

在设计定向耦合器时，需要根据系统的具体要求和用途，选择合适的耦合度。

二、方向性方向性是定向耦合器的另一个重要指标，它表示定向耦合器对指定方向的信号具有较高的传递系数，而对相反方向的信号具有较低的传递系数。

方向性的大小取决于定向耦合器的设计结构和工艺水平。

一般来说，方向性越高，意味着定向耦合器的信号传递性能越好，越能有效地抑制反向信号的干扰。

因此，在某些需要防止信号反向泄漏或提高信号传输可靠性的系统中，应选择高方向性的定向耦合器。

三、隔离度隔离度表示定向耦合器的输出端口之间的信号相互隔离的程度。

理想的定向耦合器应具有完全的隔离，以避免信号在各输出端口之间的相互干扰。

然而，由于各种因素的影响，实际的定向耦合器隔离度总是存在一定的限制。

隔离度的高低取决于定向耦合器的设计、工艺和材料等因素。

在实际应用中，应根据系统的具体要求选择隔离度合适的定向耦合器，以保证系统的稳定性和可靠性。

四、带宽带宽表示定向耦合器正常工作的频率范围。

理想的定向耦合器应在较宽的频带内具有一致的传输特性和相位特性。

然而，由于各种因素的影响，实际的定向耦合器带宽总是存在一定的限制。

带宽的大小取决于定向耦合器的设计、工艺和材料等因素。

在实际应用中，应根据系统的具体要求和用途选择带宽合适的定向耦合器，以保证系统的正常工作和稳定性。

五、驻波比驻波比（VSWR）表示定向耦合器输入端的电压最大值与最小值之比。

平行线耦合器一、基本原理两根紧挨着的微带线，一根通信号，因为电磁场的相互作用，另一根会有功率耦合。

当电磁波通过主线时，本身是携带电场和磁场的，由于两根传输线距离很近，类似电容，所以主线上的交变电流通过电容，将两股方向相反的电流耦合到耦合线上；同时根据电磁感应定律，磁场中的导线会产生方向相反的感应电流，故上图②端口和下图4端口会产生叠加的功率，而③口，因为电场和磁场产生电流的方向相反而抵消。

正因此，③口称为隔离端，另一个口称为耦合端。

二、单节平行线耦合器结构1.①为信号输入；②为耦合端口；③为隔离端口；④输出端口；2.两线耦合段线长1/4波长，线宽为50Ω匹配（耦合部分，可稍细）；3.因为是对称设计，输入输出端口可反，同时耦合隔离也会反过来。

三、设计指标1.插入损耗：输入输出直通的S21/S12；2.电压驻波比：主要看S11和S22，S33和S44一般较好；3.耦合度：耦合能量的大小，和线距离远近有很大关系（能有多近，看加工精度）；4.隔离度：隔离端口的损耗值，耦合的能量越小越好；5.方向性= |隔离度| - |耦合度|，①耦合段改成锯齿状②带状线耦合可提高方向性（因为微带线奇偶模两种模式相速不同，在空气-介质界面有不同的场结构，所以降低了方向性）。

6.承受功率：线越宽，承受功率自然就越高。

四、HFSS仿真验证仿真模型如下：仿真结果如下：从仿真图上可以看到，损耗极小，耦合度在26dB左右；隔离度在37dB左右，所以方向性为11dB，符合理论，有实际效果，但方向性太差。

下图的模型可以稍稍提高一点方向性。

五、耦合器设计过程和Wilkinson功分器一样，单节1/4波长传输线带宽太窄，宽带需要多节设计。

1.单节耦合器（带宽窄）（1）已知耦合度和特征阻抗Z0第一步：算出耦合系数CC= 10-M/20（M为耦合度）第二步：算出偶模和奇模的特征阻抗Z0e和Z0oZ0e= Z0√（（1+C）/（1-C））Z0o= Z0√（（1-C）/（1+C））第三步：算出线长、线宽和耦合度软件Genesys中的小工具Tline计算得出（公式计算，过于复杂）（2）已知耦合度和特征阻抗Z0可以直接用小工具：哈哈哈哈哈哈哈，那我为啥还要写（1），哈哈哈哈，太蠢了。

定向耦合器是一种具有定向传输特性的四端口元件，它是由耦合装置联系在一起的两对传输系统构成的，它是微波功率分配器件的一种。

一、结构原理：图中“①、②”是一条传输系统，称为主线；“③、④”为另一条传输系统，称为副线。

定向耦合器是四端口网络，端口“①”为输入端，端口“②”为直通输出端，端口“③”为耦合输出端，端口“④”为隔离端。

二、耦合器型号较多如从结构上分一般分为：微带和腔体2种。

腔体耦合器内部是2条金属杆，组成的一级耦合。

微带耦合器内部是2条微带线，组成的一个类似于多级耦合的网络。

三、主要指标：耦合度、隔离度、方向性、插入损耗、输入输出驻波比、功率容限、频段范围、带内平坦度。

以下对各项指标进行说明:耦合度：信号功率经过耦合器，从耦合端口输出的功率和输入信号功率直接的差值。

（一般都是理论值如：6dB、10dB、30dB等）耦合度的计算方法：如上图所示。

是信号功率C-A的值比如输入信号A为30dBm 而耦合端输出信号C为24dBm 则耦合度＝C-A＝30-24＝6dB，所以此耦合器为6dB耦合器。

因为耦合度实际上没有这么理想，一般有个波动的范围，比如标称为6dB的耦合器，实际耦合度可能为：5.5~6.5之间波动。

隔离度：指的是输出端口和耦合端口之间的隔离；一般此指标仅用于衡量微带耦合器。

并且根据耦合度的不同而不同：如：5－10dB为18～23dB，15dB为20～25dB，20dB（含以上）为：25～30dB；腔体耦合器的隔离度非常好所以没有此指标要求。

计算方法：如上图指的是图中的淡蓝色曲线上的损耗，使用网络分析仪将信号由B输入，测C处减小的量即为隔离度。

方向性：指的是输出端口和耦合端口之间的隔离度的值再减去耦合度的值所得的值，由于微带的方向性随着耦合度的增加逐渐减小最后30dB以上基本没有方向性，所以微带耦合器没有此指标要求，腔体耦合器的方向性一般为：1700～2200MHz时：17～19dB，824～960MHz时：18～22dB。