定向耦合器是一種通用的微波/毫米波部件，可用于信號的隔離、分離和混合，如功率的監(jiān)測、源輸出功率穩(wěn)幅、信號源隔離、傳輸和反射的掃頻測試等。它的主要技術(shù)指標(biāo)有方向性、駐波比、耦合度、插入損耗。定向耦合器采用同軸線、帶狀線、微帶線、金屬波導(dǎo)或介質(zhì)波導(dǎo)等各種型式。它的工作原理是主線中傳輸?shù)墓β释ㄟ^多種途徑耦合到副線,并互相干涉而在副線中只沿一個方向傳輸。

基本簡介

定向耦合器是微波系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛的一種微波器件，它的本質(zhì)是將微波信號按一定的

比例進(jìn)行功率分配。

定向耦合器由傳輸線構(gòu)成，同軸線、矩形波導(dǎo)、圓波導(dǎo)、帶狀線和微帶線都可構(gòu)成定向耦合器，所以從結(jié)構(gòu)來看定向耦合器種類繁多，差異很大。但從它的耦合機理來看主要分為四種，即小孔耦合、平行耦合、分支耦合以及匹配雙T。

定向耦合器是把兩根傳輸線放置在足夠近的位置使得一條線上的功率可以耦合到另一條線上的元件。它的兩個輸出端口的信號幅度可以相等也可以不等，一種應(yīng)用特別廣泛的耦合器是3dB耦合器，這種耦合器的兩個輸出端口輸出信號的幅度是相等的。

在20世紀(jì)50年代初以前，幾乎所有的微波設(shè)備都采用金屬波導(dǎo)和同軸線電路，那個時候的定向耦合器也多為波導(dǎo)小孔耦合定向耦合器，其理論依據(jù)是Bethe小孔耦合理論，Cohn和Levy等人也做了很多貢獻(xiàn)。

隨著航空和航天技術(shù)的發(fā)展，要求微波電路和系統(tǒng)做到小型化、輕量化和性能可靠，于是出現(xiàn)了帶狀線和微帶線。隨后由于微波電路與系統(tǒng)的需要有相繼出現(xiàn)了鰭線、槽線、共面波導(dǎo)和共面帶狀線等微波集成傳輸線。這樣就出現(xiàn)了各種傳輸線定向耦合器。

第一個真正意義上的定向耦合器由H.A.Wheeler在1944年設(shè)計實現(xiàn)，Wheeler使用了一對長為四分之一中心頻率波長的圓柱來實現(xiàn)電場與磁場的能量相互耦合，遺憾的是這種方法只能實現(xiàn)一個倍頻程的帶寬。

定向耦合器是一種具有方向性的功率耦合 - 分配元件。它是一種四端口元件，通常由稱為直通線 - 主線和耦合線 - 副線的兩段傳輸線組合而成。直通線和耦合線之間通過一定的耦合機制 - 例如縫隙、孔、耦合線段等把直通線功率的一部分 - 或全部耦合到耦合線中，并且要求功率在耦合線中只傳向某一輸出端口，另一端口則無功率輸出。如果直通線中波的傳播方向變?yōu)榕c原來的方向相反，則耦合線中功率的輸出端口與無功率輸出的端口也會隨之改變,也就是說，功率的耦合 - 分配是有方向的，因此稱為定向耦合器 - 方向性耦合器。

定向耦合器作為許多微波電路的重要組成部分被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代電子系統(tǒng)之中。它可以被用來為溫度補償和幅度控制電路提供采樣功率，可以在很寬的頻率范圍完成功率分配與合成；在平衡放大器中，它有助于獲得良好的輸入輸出電壓駐波比 - VSWR；在平衡混合器和微波設(shè)備 - 例如，網(wǎng)絡(luò)分析儀中，它可以被用來采樣入射和反射信號；在移動通信中，使用

90°電橋耦合器可以確定π/4移相鍵控 - QPSK發(fā)射機的相位誤差。耦合器在所有四個端口均匹配于特性阻抗，這使得它可以方便地被嵌入到其它電路或子系統(tǒng)之中。通過采用不同的耦合結(jié)構(gòu)、耦合介質(zhì)和耦合機制，可以設(shè)計出適合各種微波系統(tǒng)不同要求的定向耦合器。

網(wǎng)絡(luò)特性

定向耦合器可被看作為四端口網(wǎng)絡(luò)，其特性可用散射矩陣【s】表示，即

其中各端口的反射系數(shù)sii - i=1、2、3、4的值很?。ɡ硐胫禐榱悖?表示各端口的匹配情況；衰減系數(shù)s13=s31=s24=s42的值也很小 - 理想值為零，表示隔離情況；s14=s41＝s23＝s32是耦合系數(shù)，其值根據(jù)需要而設(shè)計。

定向耦合的主要技術(shù)指標(biāo)是耦合度C（分貝）、定向性D（分貝）和工作頻帶，其中C＝-20lg|s14| - dB

D＝20lg|s14/s13| - dB

理想定向耦合器的散射矩陣為

兩個輸出信號有90°的相位差。

上述雙孔或雙分支線耦合的單節(jié)定向耦合器工作頻帶較窄。若采用多孔或多分支線耦合結(jié)構(gòu)的多節(jié)定向耦合器（幾個單節(jié)的級聯(lián)），可借助綜合設(shè)計方法展寬工作頻帶。

主要參數(shù)

定向耦合器主要參數(shù)有以下幾個：

1、直通參數(shù)：根據(jù)散射矩陣可知由S21表征。

2、耦合參數(shù)：根據(jù)散射矩陣可知由S31表征。

3、隔離參數(shù)：根據(jù)散射矩陣可知由S41表征。

4、反射參數(shù)：根據(jù)散射矩陣可知由S11表征。