爱华网定向耦合器在微波技术中有着广泛的应用，它是一种具有方向传输特性的四端口功率耦合(分配)元件。在各种形式的桥路器件、自动增益控制器、平衡放大器、调相器以及反射计和微波阻抗电桥等测量仪器中也要应用定耦合器。 定向耦合器的框图如图1所示，它由输入端口①、直通端口②、耦合端口③和隔离端口④组成，其中①②称为主线，③④称为副线。它能从主线的正向波中分出部分信号功率，而不能在反向波中得到信号。由此，我们可以分别从主线中的入射波和反射波进行取样，也同样可以对主线中的入射波进行监视和测量。 图1 定向耦合器框图 1 定向耦合器的技术指标 定向耦合器的主要技术指标有耦合度、定向性(隔离度)、输入驻波比和工作带宽。通过合理选择耦合结构及结构尺寸可使定向耦合器的各项指标达到所需要求。 (1) 耦合度C C通常也表示为：， 其中为电压耦合系数。一个实际的定向耦合器系统，输入端功率总是大于耦合端功率，耦合度C总是小于等于零。由此可见，耦合度越大，耦合越弱，相反耦合度越小，耦合越强。 (2) 方向性D 在理想的情况下，定向耦合器的副线耦合通道中只有耦合端口有功率输出。但由于公式、工艺、精度等原因，使隔离端口也有一定的功率输出。通常采用副线上耦合端口和隔离端口的输出功率比的对数来表示耦合器的定向传输性能，称为方向性D。方向性D越大，隔离端输出功率越小、定向性越好。 (3) 输入端驻波比 将定向耦合器除输入端外，其他端口都接匹配负载时，输入端的驻波比即为耦合器的输入驻波比。 (4) 工作频带 工作频带是指满足耦合度、方向性及输入驻波比的定向耦合器的工作频率范围。 由于各端口随着工作频率的改变，定向耦合器的耦合度C、方向性D、输入端驻波比也将随之改变。因此，除了以上三个指标外，同时也要根据具体应用提出工作频带宽度要求。 2 平行耦合TEM波定向耦合器 多节定向耦合器 在一个比较宽的频带范围内要获得一个比较稳定的耦合系数，用单节耦合器是很难实现的，这就需要一个多节耦合器。多节耦合器的每一节的长度都是中心频率处波长的1/4。根据耦合器结构是否对称的不同，耦合器大致分为对称和非对称耦合器两大类。对称型要比非对称型的耦合器运用的广泛，本文只对对称型耦合器进行分析。通过合理的选择每一节耦合结构的奇偶模阻抗，就可以确定耦合器的带宽和电压耦合系数。对称多节定向耦合器的奇偶模等效电路如图2所示。 图2 对称多节定向耦合器等效电路 Z0o1，Z0e1，Z0o2，Z0e2，……，Z0on，Z0en，为1到n节的奇偶模阻抗，第i节的奇偶模阻抗有如下关系；， 一个定向耦合器的功率损耗比由式定义：， 如果是用分贝表示的话，， 功率损耗比L总是大于或等于1的。 理想的定向耦合器(S11=S41=0)的散射参数有：， 对称定向耦合器的传输[A]矩阵为：， 用[A]矩阵来表示功率损耗L：， 因此得到n节定向耦合器的插入损耗为：， 其中Pn是sinθ的多项式，n为奇数。
一个理想的定向耦合器要求在给定的频率范围内，︱S21︱和︱S31︱都必须是常数。这也要求插入损耗L在给定频率内为常数。然而并不是所有给定的插入损耗L都可以用实际的网络来实现。 设计一个对称型定向耦合器可以依照以下两步。 (1) 首先，找一个最优的sinθ的多项式L满足最后的推导公式。多项式L是给定的节数、最大平坦度、给定的耦合系数和给定的耦合系数容差的最优多项式，而且多项式L必须满足给定的最大带宽比。 (2) 通过找到的最优多项式L利用网络分析法计算出网络内各节耦合线的奇偶模阻抗。然后根据不同的耦合机构计算出实际的物理尺寸。 3 定向耦合器的仿真 耦合结构的选择。由于微带定向耦合器的介质是非均匀的，奇偶模相速不相等，从而导致微带耦合器的方向性要比带状线耦合器的差。带状耦合线又分为边缘耦合带状线，宽边补偿耦合带状线和宽边耦合带状线。边缘耦合带状线耦合面积较小通常在松耦合时使用，宽边耦合带状线通常在实现紧耦合时常采用，而补偿宽边耦合要比以上两种耦合方式更加灵活，更加实用，所以在耦合线的结构上本文选择的是补偿宽边耦合带状线。 b为带状线两个底板间的宽度，s为两条带线间的距离，w0为两条带状线间偏差，w为带状线宽度。对于紧耦合有：， 对于松耦合有：， 定义：， 紧耦合时，经过计算得到：， 松耦合时，经过计算得到：。 仿真定向耦合器。本节利用Anosoft HFSS软件仿真设计一款补偿宽边耦合带状线定向耦合器，工作频带为800MHz~4000MHz，带宽比为5，耦合度为：8.34±0.58dB，隔离度大于20dB，输入输出驻波比小于1.25。P.P.ToulioS，A.CTodd等人对插入损耗L和耦合系数C的关系及对称TEM耦合器进行了详细的分析并给出了具体的计算列表，8.34dB等波纹对称五支节耦合器耦合单元偶模归一化阻抗部分数据如表1所示。 表1 8.34dB等波纹对称五节耦合器耦合单元偶模归一化阻抗部分数据 本文选用等波纹对称五节8.34dB耦合单元的数据进行超宽带8.34dB耦合器的设计。带宽比为：B=f2/f1=4GHz/800MHz=5， 本文选择的板材为FR-4，节电常数εr=4.4，设定s固定为0.3mm，b为2.3mm，在中心频率2.4GHz处每一节带线的长度d为19.75mm。根据表1给出的数据，利用ADS仿真软件中的Linecalc工具箱可以计算出各节耦合带线的详细参数。 利用ADS中算出的各种数据，在HFSS中进行仿真。Ansoft HFSS可分析仿真任意三维无源结构的高频电磁场，可直接得到特征阻抗、传播常数、S参数及电磁场、辐射场、天线方向图等结果。Ansoft HFSS提供了一个直观、易于使用、用于建立任意三维无源器件模型的界面。具体的耦合器仿真模型和仿真数据如图3所示。 图3耦合器三维仿真原理图 从仿真结果可以看出在800MHz-4GHz，带宽比为5的频带内，带内起伏小于0.58dB，端口隔离大于20.46dB，端口输入驻波比小于1.22。 利用Anosoft HFSS软件仿真设计一款补偿宽边耦合带状线定向耦合器，本文设计的采用平行对称的耦合结构定向耦合器能够满足工作频带为800~4GHz的信号源，且带宽比为5，耦合度为：8.34±0.58dB，隔离度大于20 dB，输入输出驻波比小于1.25。补偿宽边耦合带状线在保证宽频带的同时也提供了很好的耦合系数。 参考文献 [1] 谢成发，彭高森，郑智潜等.基于耦合带线超宽带耦合器的分析与设计.雷达与对抗，2008.03 [2] 全 军.S波段中功率耦合分配器.遥测遥控，1996.17
