分贝定向耦合器.doc

三分贝定向耦合器 摘要：3dB定向耦合器是通信、广播电视系统中重要的器件之一，本文介绍了描述定向耦合器的性能指标参数，详细介绍了3dB定向耦合器的基本结构及特性Abstract: 3dB coupler is one of the important components in communication and broadcasting system. In this paper, the specifications of directional coupler are presented,and the basic structures and properties of 3dB coupler are presented in detail.1. 引言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、分配或合成三分贝耦合器是一种特殊的定向耦合器，它广泛应用于功率合成，恒阻滤波器和多工器等系统中下面介绍定向耦合器的性能参数，并详细介绍三分贝耦合器的特性2. 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来描述图1 定向耦合器原理自端口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耦合度C 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3. 定向耦合器的网络分析定向耦合器的散射矩阵为： [𝑆] =[0 𝑆12 𝑆13 𝑆14𝑆12 0 𝑆23 𝑆24𝑆13 𝑆23 0 𝑆34𝑆14 𝑆24 𝑆34 0]a) 设则构成正向定向耦合器，有𝑆14= 0|𝑆12|2+|𝑆13|2= 1𝑆∗ 12𝑆13+ 𝑆12𝑆∗ 13= 0将 和 代入上式可得𝑆12=|𝑆12|𝑒𝑗𝜃12𝑆13=|𝑆13|𝑒𝑗𝜃13结论：(3)(2)端口输出功率之和等于(1)端口的输入功率,两输出端口的输出电压波相位差为，因此正向定向耦合器的散射矩阵为：90°90°[𝑆] =[0 𝑆12 𝑆13 0𝑆12 0 0 𝑆13𝑆13 0 0 𝑆120 𝑆13 𝑆12 0]b) 设则构成反向定向耦合器，有𝑆13= 0|𝑆12|2+|𝑆14|2= 1𝑆∗ 12𝑆14+ 𝑆12𝑆∗ 14= 0将 和 代入上式可得𝑆12=|𝑆12|𝑒𝑗𝜃12𝑆14=|𝑆14|𝑒𝑗𝜃14结论：(4)(2)端口输出功率之和等于(1)端口的输入功率,两输出端口的输出电压波相位差为，因此反向定向耦合器的散射矩阵为：90°90°[𝑆] =[0 𝑆12 0 𝑆14𝑆12 0 𝑆14 00 𝑆14 0 𝑆12𝑆14 0 𝑆12 0]4. 平行耦合线定向耦合器是TEM波传输线定向耦合器的一种主要形式，主要有耦合带状线和耦合微带线构成，具有反向耦合器的特点。

单节1/4平行耦合线定向耦合器平行耦合线定向耦合器的基本工作原理平行耦合线定向耦合器通常采用“奇偶模法”分析结构对称，散射矩阵为：[𝑆] =[𝑆11 𝑆12 𝑆13 𝑆14𝑆12 𝑆11 𝑆23 𝑆24𝑆13 𝑆23 𝑆11 𝑆34𝑆14 𝑆24 𝑆34 𝑆11]当偶模和奇模电压分别同时在（1）（3）端口激励时，上图所示元件就简化为下图所示的完全相同的两个双端口元件平行耦合线定向耦合器偶模和奇模激励等效电路[𝑆]𝑒=[𝑆11𝑒𝑆12𝑒 𝑆12𝑒𝑆11𝑒]=[𝑆33𝑒𝑆34𝑒 𝑆34𝑒𝑆33𝑒][𝑆]𝑜=[𝑆11𝑜𝑆12𝑜 𝑆12𝑜𝑆11𝑜]=[𝑆33𝑜𝑆34𝑜 𝑆34𝑜𝑆33𝑜]因为 [𝑎]𝑜=[cos 𝜃𝑗𝑍0𝑜𝑍0sin 𝜃𝑗𝑍0𝑍0𝑜sin 𝜃cos 𝜃]由a与S参数的关系可得S，由b=Sa可求得b，又中心频率上，可𝜃 = 90𝑜得互易、无耗、对称、完全匹配的平行耦合线定向耦合器在中心频率上的散射参数矩阵为：[𝑆] =[0 ‒ 𝑗1 ‒ 𝑘2 𝑘 0‒ 𝑗1 ‒ 𝑘2 0 0 ‒ 𝑗1 ‒ 𝑘2𝑘 0 0 ‒ 𝑗1 ‒ 𝑘20 𝑘 ‒ 𝑗1 ‒ 𝑘2 0]其中称为中心频率的电压耦合系数。

𝑘 =𝑍0𝑒‒ 𝑍00𝑍0𝑒+ 𝑍00结论：i.不论耦合区电角度 为何值，要获得理想匹配与隔离，𝜃必须满足𝑍0𝑒𝑍00= 𝑍02ii.耦合输出电压b3与直通端输出电压b2 都是频率的函数，并且无论频率如何变化，耦合输出端电压b3的相位总是比直通输出端电压b2的相位超前，在中心频率上，耦合输出达最大90𝑜𝑓0iii.平行耦合线定向耦合器的耦合度C为5. 分支定向（）耦合器90𝑜a) 结构：是3dB方向耦合器，直通端和耦合端口有相位差，又称分支线混90𝑜合接头，由主线、副线及若干耦合分支线组成，分支线长度及其间距均等于四分之一中心相波长一种微带双分支定向耦合器的结构如下图示，分支线与主线、副线是并联的，各段线的特性均用归一化特性导纳表示，其中端口(1)(4)的传输线的归一化特性导纳为==1，端口(2)(3)的传输线的归一化特性导𝑌01𝑌04纳为== ，R称为变阻比，R=𝑌02𝑌031 𝑅𝑍02𝑍01使用这类定向耦合器可同时起到两个作用：定向耦合作用和阻抗变换作用因此该耦合器又称为“阻抗变换定向耦合器”或“变阻定向耦合器”b) 理论分析：易知该耦合器的散射矩阵为：[𝑆] =‒ 12[0 𝑗 1 0𝑗 0 0 11 0 0 𝑗0 1 𝑗 0]假定信号由端口（1）经A点输入，则由图易知，同时也有，故端口（4）为隔离端。

同理，，也有，故端口（3）为耦合端分支定向耦合器可等效为一个四端口网络，通常运用奇模、偶模的概念及叠加原理，将定向耦合器沿其对称平面一分为二，变成两个二端口网络。