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摘 要：本文通过对定向耦合器的相关内容阐述，陈述了定向耦合器的概念及原理，剖析了其基本参数，探讨了定向耦合器在微波传输系统中的应用，强调了定向耦合器作为调频发射机系统构成部件的重要性。
关键词：定向耦合器；原理；微波；应用
一、定向耦合器
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。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
二、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。
图（1） 图（2）
三、3dB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。
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。
图1 定向耦合器原理
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。设 E1为主线输入端电压，E3 为耦合端电压，S31 表示波由主线输入端到耦合端的传输系数。
因 P1≥P3，故耦合度大于等于零分贝。C表征耦合的强弱，当P1一定时，P3越大，C越小。故零分贝、3分贝定向耦合器为强定向耦合器；20分贝、30分贝定向耦合器为弱定向耦合器。分贝值越大，表明耦合越弱。
隔离度D：输入功率 与隔离端的输出功率 P1之比，P4一般用分贝表示，即
E4为隔离端电压， S41表示波由主线输入端到隔离端的传输系数。
方向性：耦合端的输出功率 P3 与隔离端的输出功率 P4 之比，一般用分贝表示，即
插入衰减：输入功率 P1与直通端的输出功率 P2 之比，一般用分贝表示，即
E2为直通端输出电压，S21 表示波由输入端到直通端的传输系数。
输入端驻波比：其余三端口均接匹配负载时输入端口的驻波比，即
S11为输入端在其它各端口均接匹配负载情况下的反射系数，在实际中要求各端口的驻波比尽可能接近1。
频带宽度：耦合度、隔离度、输入驻波比等参数均满足要求时定向耦合器的工作频带宽度。通常要求工作频带越宽越好。
四、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統：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）方向性可达30dB的3dB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3dB定向耦合器（PN 753345）的频率范围为800-2170MHz，方向性高达30dB，换算成隔离度为33dB。
（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43dBm（20W），定向耦合器的耦合度为30dB，插入损耗（线路损耗加耦合损耗）为0.15dB，则耦合端有13dBm（20mW）的信号送到基站测试仪，定向耦合器的直通输出为42.85dBm（19.3W），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VSWR测量（反射功率计）：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3用于检测正向功率，端口4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。
由此可见，定向耦合器作为调频发射机系统的构成部件，在微波传输系中起着非常重要的作用。
参考文献
1、范寿康 卢春兰 李平辉 微波技术与微波电路[M]. 北京：机械工业出版社，2003.6
2、黄玉兰 ADS射频电路设计基础与应用[M]. 北京：人民邮电出版社，2010.1
3、袁乃昌，赫崇俊.高功率微波选模定向耦合器的设计制作.电子学报，1997
关键词：定向耦合器；原理；微波；应用
一、定向耦合器
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。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
二、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。
图（1） 图（2）
三、3dB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。
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。
图1 定向耦合器原理
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。设 E1为主线输入端电压，E3 为耦合端电压，S31 表示波由主线输入端到耦合端的传输系数。
因 P1≥P3，故耦合度大于等于零分贝。C表征耦合的强弱，当P1一定时，P3越大，C越小。故零分贝、3分贝定向耦合器为强定向耦合器；20分贝、30分贝定向耦合器为弱定向耦合器。分贝值越大，表明耦合越弱。
隔离度D：输入功率 与隔离端的输出功率 P1之比，P4一般用分贝表示，即
E4为隔离端电压， S41表示波由主线输入端到隔离端的传输系数。
方向性：耦合端的输出功率 P3 与隔离端的输出功率 P4 之比，一般用分贝表示，即
插入衰减：输入功率 P1与直通端的输出功率 P2 之比，一般用分贝表示，即
E2为直通端输出电压，S21 表示波由输入端到直通端的传输系数。
输入端驻波比：其余三端口均接匹配负载时输入端口的驻波比，即
S11为输入端在其它各端口均接匹配负载情况下的反射系数，在实际中要求各端口的驻波比尽可能接近1。
频带宽度：耦合度、隔离度、输入驻波比等参数均满足要求时定向耦合器的工作频带宽度。通常要求工作频带越宽越好。
四、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統：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）方向性可达30dB的3dB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3dB定向耦合器（PN 753345）的频率范围为800-2170MHz，方向性高达30dB，换算成隔离度为33dB。
（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43dBm（20W），定向耦合器的耦合度为30dB，插入损耗（线路损耗加耦合损耗）为0.15dB，则耦合端有13dBm（20mW）的信号送到基站测试仪，定向耦合器的直通输出为42.85dBm（19.3W），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VSWR测量（反射功率计）：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3用于检测正向功率，端口4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。
由此可见，定向耦合器作为调频发射机系统的构成部件，在微波传输系中起着非常重要的作用。
参考文献
1、范寿康 卢春兰 李平辉 微波技术与微波电路[M]. 北京：机械工业出版社，2003.6
2、黄玉兰 ADS射频电路设计基础与应用[M]. 北京：人民邮电出版社，2010.1
3、袁乃昌，赫崇俊.高功率微波选模定向耦合器的设计制作.电子学报，1997