微波报告之定向耦合器

1、目录一、前言 .02二、发展背景 .02三、组成及分类 .03四、原理简介 .03五、定向耦合器的基本功能和参数指标.041、耦合度 .052、隔离性 .053、定向性 D.054、 输出驻波比 .065、工作频带宽度 .06六、定向耦合器的应用 . . 08七、总结 .11八、参考文献 .12定向耦合器的原理及介绍一、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，把功率进行分配和合成， 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。 它的本质是将微波信号按一定的定向耦合器比例进行功率分配。二、发展背景在 20 世纪 50 年代初以前，几乎

2、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。第一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

3、一个倍频程的带宽。三、组成及分类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。定向耦合器四、原理简介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，从端口输入的信号分两路

4、耦合到副线后，朝端口方向因行程相等而同相叠加，有输出；朝方向则行程相差 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。结果在端口处相加而有输出，处则抵消而呈隔离无输出。图(1)图(2)五、定向耦合器的基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1

5、234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，耦合度表示为：CC10lgP1(dB)P2引入网络散射参量，耦合度又可以表示为：/ 2C 10lgP1U i120lg1(dB)10lg2P3S31S13U il/ 2耦合度的分贝数越大耦合越弱，通常把耦合度为0dB10dB的定向耦合器称为强耦合定向耦合器， 把耦合度为 10dB20dB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。2、隔离性隔离度 I 定义为输入端

6、口的输入功率P1 和隔离窗口的输出功率P4 之比的分贝数，隔离度I 表示为：I 10lg P1(dB )20lg1 (dB)P4S41理想状态下，隔离度为无穷大。3、定向性 D在理想情况下，隔离端口应没有输出功率，但由于设计公式及制作精度的限制，使隔离端口有一些功率输出。通常采用耦合端口与隔离端口输出功率之比的分贝数来表示定向耦合器的定向性，定向性D表示为：P32S31S3120lg(dB)D 10lg10lg2S41P4S41隔离端口输出越小，定向性越好，在理想情况下，P4 0, 定向性 D无穷大，实际使用中常对定向性提出一个最小值。4、输出驻波比定向耦合器除输入端口外，其余各端口均接上匹配

7、负载时，输入端的驻波比为定向耦合器的驶入驻波比。输入驻波比为：=1+ S111S115、工作频带宽度满足定向耦合器技术指标的频率范围，为工作频带宽度，简称为工作带宽。微带分支定向耦合器如下图所示输入口12直通口Z0Z0Z0Z0Z0Z0隔离口4耦合口3理想微带分支定向耦合器的散射参量为：0j101j001S2 100j01j0由上式可以得出如下结论：因为 S11S 22S33S440 , 所以理想情况下在中心频率他的4 个端口是完全匹配的。因为 S21j1 ,S311 , 所以在端口 1 有输入而其他端口匹配时， 端22口 2 和端口 3 有等幅不同相输出，端口 2 输出比端口 1 输人信号滞后

8、 90 ，端口 3 输出比端口 1 输入信号滞后 180 。端口 2 输出和端口3 输出相位相差 90 ，这是一个 90 正交 3dB 耦合器。因为 S440，所以在端口1 有输入而其他端口匹配时， 端口 4 无输出。分支线耦合器具有很好的对称性， 4 端口中任何一端口均可作为输入端口。因为有 / 4 段，所以分支线耦合器不是宽带器件。耦合度耦合损耗 通常所说的从端口到端口的插入损耗是传输损耗和耦合损耗之和。在定向耦合器的产品说明中通常会对此加以特别说明。当定向耦合器用于测试和测量时，选取的耦合度比较小，如或甚至更小； 而作为功率合成系统或者信号分配系统应用时，则会采用比较大的耦合度，如，和等

9、需要特别说明的是耦合度，隔离度和方向性之间的关系为：隔离度（）耦合度（）方向性（）耦合度是一项设计指标，是根据使用要求而选定的，通常为，和，这样隔离度指标也随之而变化；而方向性则是一个常数。在大部分定向耦合器的指标中，通常只标出方向性指标，隔离度指标可以根据耦合度计算出来。如：耦合度（），方向性（），则隔离度（）（B）六、定向耦合器的应用无论是测试和测量应用还是系统内部应用， 定向耦合器都是一种应用极为广泛的微波器件，以下举例说明。（ 1）定向耦合器用于功率合成系统：在多载频合成系统中，通常会用到的定向耦合器（俗称电桥）方向性可达的定向耦合器典型的功率合成系统电路常见于互调测量系统和多载频的室

10、内分布系统中。在这些应用中，要求定向耦合器有很高的方向性（隔离度）以避免信号源之间产生额外的互调分量，为了提高隔离度，也可以外加一些器件如滤波器或铁氧体隔离器来改善。图示定向耦合器（ ）的频率范围为，方向性高达，换算成隔离度为。（2）用定向耦合器进行发射机信号的取样和监测发射机的在线测量和监测可能是定向耦合器最为广泛的应用之一。蜂窝基站的典型测量应用， 如果发射机的输出功率为 （），定向耦合器的耦合度为，插入损耗（线路损耗加耦合损耗）为，则耦合端有（）的信号送到基站测试仪，定向耦合器的直通输出为（），而泄漏到隔离端的功率则被一个负载吸收掉了。（ 3）定向耦合器作为反射功率计用于功率和测量（反射

11、功率计） ：作为通过式功率计的核心器件，定向耦合器可用于正向和反射功率的取样，见其中端口用于检测正向功率，端口用于检测反射功率。请注意在这种应用场合，定向耦合器的方向性（隔离度）指标对测试精度至关重要，尤其是反射功率的测试精度。假设发射机的输出功率为（） ，被测负载的驻波比为（反射功率为） ，定向耦合器的耦合度为。假如隔离度为无穷大，则在端口测到的功率即为反射功率（） 。但由于隔离度不可能为无穷大， 出现在端口的除了真正的反射功率以外，还有一部分从端口泄漏过来的功率，这二部分功率叠加后，功率计认为这些都是反射功率，从而导致了测试误差。产品具有传输信号带内平坦度好、低损耗及回波损耗小，隔离度好，

12、体积小等特点；可承受大功率冲击，具有较强的稳定性。技术参数型号SC050825CSC060825CSC070825CSC100825C频率范围800-2500MHz损耗1.95dB，1.7dB，1.25dB，0.75dB驻波1.25，1.25，1.25，1.25耦合度平坦度5 0.5dB，6 0.5dB， 7 0.5dB， 10 0.8dB方向性20dB功率200W阻抗505接口型式N-KN环境温度 -30 -+55 型号SC150825CSC200825CSC300825ASC400825A频率范围800-2500MHz损耗0.35dB0.2dB0.2dB0.2dB驻波1.251.251.2

13、51.25耦合度平坦度150.9dB201dB25 1dB30 1dB方向性 20dB阻 抗 50接口型式N-KN环境温度 -30 -+55 参数说明通带工作频段：即滤波器允许通过电磁波的频率范围。在施工过程中，由于室内线路过长，信号在传导时损失太大，导至【蘑菇天线吸顶天线】天线端的信号覆盖面积减小，甚至就没信号。耦合器就解决了这个问题，耦合器能把信号传的更远，信号损失也很小，是线路连接件的最佳选择。七、总结通过本次的调查和研究 ，让我们了解了定向耦合器的图形结构，工作原理，以及定向耦合器的应用。其基本功能为用来监视功率、频率和频谱，把功率进行分配和合成，构成平衡混频器和测量电桥，利用定向耦合

14、器来测量反射功率系数和功率。 本质上是将微波信号按一定的定向耦合器比例进行功率分配。衡量耦合器好坏的主要技术指标有，耦合度、隔离性、定向性D、输出驻波比、工作频带宽度。在查阅资料的过程中我们发现，定向耦合器在微波元器件中最常用的器件之一，例如在上述材料中， 定向耦合器应用于定向耦合器用于功率合成系统、 用定向耦合器进行发射机信号的取样和监测、 定向耦合器作为反射功率计， 可见定向耦合器使用极为广泛。 我们生活中无处不在的微波元器件，只是我们未曾发现，也不知道它的作用。在刘老师的知道下， 不仅拓宽了我们的视野， 最主要的是使我们的思维方式有了一个极大的改变，使理论与实际的结合，方法与思想的融汇。让我们在上课的过程中，学习到新的思维方式。八、参考文献【 1】 刘学