定向耦合器

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(hào)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(jī)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(gè)輸出端口的信號(hào)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(gè)輸出端口輸出信號(hào)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(gè)時(shí)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(gè)真正意義上的定向耦合器由H. A. Wheeler在1944年設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，Wheeler使用了一對(duì)長為四分之一中心頻率波長的圓柱來實(shí)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(shí)現(xiàn)一個(gè)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(jī)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(huì)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(bǔ)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(hào)；在移動(dòng)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(jī)的相位誤差。耦合器在所有四個(gè)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(jī)制，可以設(shè)計(jì)出適合各種微波系統(tǒng)不同要求的定向耦合器。

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；耦合系數(shù)s13=s31=s24=s42的值由設(shè)計(jì)時(shí)候的耦合度決定；s14=s41=s23=s32是隔離系數(shù)，理想值為零。

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(gè)輸出信號(hào)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(gè)單節(jié)的級(jí)聯(lián)），可借助綜合設(shè)計(jì)方法展寬工作頻帶。

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(gè)方向傳輸。

圖1為矩形波導(dǎo)定向耦合器的三種典型耦合結(jié)構(gòu)。a是相距1/4導(dǎo)波長的雙孔耦合;b是間距和長度都等于1/4導(dǎo)波長的雙串聯(lián)分支線耦合；c是在裂縫區(qū)域內(nèi)TE和TE兩種傳播模式的連續(xù)耦合。以a和b兩種結(jié)構(gòu)為例，從端口①輸入的信號(hào)分兩路耦合到副線后，朝端口④方向因行程相等而同相疊加，有輸出；朝③方向則行程相差1/2導(dǎo)波長而反相抵消，被隔離而無輸出。

圖2為微帶定向耦合器的兩種典型的耦合結(jié)構(gòu)。A是間距和長度都等于1/4導(dǎo)波長的雙并聯(lián)的分支線耦合,b是在平行區(qū)域內(nèi)電場和磁場兩種結(jié)構(gòu)連續(xù)耦合。以b的結(jié)構(gòu)為例,從端口①輸入的信號(hào)由電場耦合在副線的兩個(gè)端口上產(chǎn)生同相感應(yīng)電壓，磁場耦合則產(chǎn)生反相感應(yīng)電壓。結(jié)果在端口④處相加而有輸出，③處則抵消而呈隔離無輸出。

此外,也可構(gòu)成其他傳輸線的定向耦合器（圖3）。

定向耦合器主要參數(shù)有以下幾個(gè)：

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。

利用定向耦合器與功率檢波器組合構(gòu)成一個(gè)自動(dòng)穩(wěn)幅環(huán)路，以獲得一個(gè)低反射系數(shù)的等效信號(hào)源，并實(shí)現(xiàn)用比較法進(jìn)行功率校準(zhǔn)的方法。在此法中，等效信號(hào)源的反射系數(shù)與信號(hào)源本身的特性無關(guān)，通過選擇定向耦合器的特性，就可減小失配。

《計(jì)量學(xué)名詞》第一版。