定向耦合器

[拼音]：dingxiang ouheqi

[外文]：directional coupler

用来分配或合成微波信号功率并具有定向耦合特性的微波元件。它是在主、副两根传输线(简称主、副线)之间设置适当的耦合结构组成的。定向耦合器采用同轴线、带状线、微带线、金属波导或介质波导等各种型式。耦合结构有耦合孔、耦合分支线和连续结构耦合等型式。

工作原理

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。

此外，也可构成其他传输线的定向耦合器（图3）。

网络特性

定向耦合器可被看作为四端口网络，其特性可用散射矩阵[s]表示，即

其中各端口的反射系数s_ii(i=1、2、3、4)的值很小（理想值为零），表示各端口的匹配情况；衰减系数s₁₃=s₃₁=s₂₄=s₄₂的值也很小(理想值为零)，表示隔离情况；s₁₄=s₄₁＝s₂₃＝s₃₂是耦合系数，其值根据需要而设计。

定向耦合的主要技术指标是耦合度C（分贝）、定向性D（分贝）和工作频带，其中

C＝-20lg|s₁₄|　　 (dB)

D＝20lg|s₁₄/s₁₃|　　 (dB)

理想定向耦合器的散射矩阵为

两个输出信号有90°的相位差。

上述双孔或双分支线耦合的单节定向耦合器工作频带较窄。若采用多孔或多分支线耦合结构的多节定向耦合器（几个单节的级联），可借助综合设计方法展宽工作频带。