定向耦合器（定向耦合器的工作原理）

1、定向耦合器简介

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。

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。但从它的耦合机理来看主要分为四种，即小孔耦合、平行耦合、分支耦合以及匹配双T。

在20世纪50年代初以前，几乎所有的微波设备都采用金属波导和同轴线电路，那个时候的定向耦合器也多为波导小孔耦合定向耦合器，其理论依据是Bethe小孔耦合理论，Cohn和Levy等人也做了很多贡献。

随着航空和航天技术的发展，要求微波电路和系统做到小型化、轻量化和性能可靠，于是出现了带状线和微带线。随后由于微波电路与系统的需要有相继出现了鳍线、槽线、共面波导和共面带状线等微波集成传输线。这样就出现了各种传输线定向耦合器。

个真正意义上的定向耦合器由H.A.Wheeler在1944年设计实现，Wheeler使用了一对长为四分之一中心频率波长的圆柱来实现电场与磁场的能量相互耦合，遗憾的是这种方法只能实现一个倍频程的带宽。

定向耦合器（定向耦合器的工作原理）

2、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）。

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【

】表示，即

其中各端口的反射系数

ii(

=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

13=

31=

24=

42的值也很小(理想值为零)，表示隔离情况；

14=

41＝

23＝

32是耦合系数，其值根据需要而设计。

定向耦合的主要技术指标是耦合度

（分贝）、定向性

（分贝）和工作频带，其中

＝-20lg|

14|(dB)

＝20lg|

14/

13|(dB)

理想定向耦合器的散射矩阵为

两个输出信号有90°的相位差。

上述双孔或双分支线耦合的单节定向耦合器工作频带较窄。若采用多孔或多分支线耦合结构的多节定向耦合器（几个单节的级联），可借助综合设计方法展宽工作频带。