2.1 定向耦合器设计原理与IE3D设计概述

2.1.1 定向耦合器原理概述

耦合器是微波系统中广泛使用的一种微波/毫米波器件，可用于信号的隔离、分离和混合，如功率监测、源输出功率稳幅、信号源隔离、传输和反射的扫频测试等。它的本质是将微波信号功率按一定的比例进行分配，同时改变信号的相位。耦合器的主要技术指标有方向性、隔离度、耦合度、驻波比及插入损耗等。

常见的耦合器一般都是定向耦合器，定向耦合器是具有方向性的功率耦合和功率分配器件，其结构形式多种多样，但它们都是互易四端口器件，通常由主传输线、副传输线和耦合结构3部分组成，其基本运作可以通过图2-1进行大体说明。功率通过端口1输入，电磁波能量经过耦合结构耦合到端口3，此端口因此被称为耦合端口，耦合因子为| S ₁₃ | ² ；剩余的输入功率传送到端口2，由于此传输过程是直接进行传输的，不经过其他复杂结构，因此，此端口被称为直通端口，其系数为| S ₁₂ | ² 。在理想耦合器中，没有功率被传输到端口4，因此，此端口被称为隔离端口。

通常用下面几个参量来表征定向耦合器：

其中， S ₁₁ 为在除端口1外，其他端口都接匹配负载情况下的反射系数，在设计中，通常要求端口1的驻波比不小于1.5dB。

如图2-1所示， P ₁ 是端口1的输入功率， P ₂ ～ P ₄ 分别是端口2～端口4的输出功率。 C 的值越大，定向耦合器的耦合能力越弱。耦合度不同，其结构形式也不一样。当耦合器的耦合度为3dB时，耦合端口的信号功率是输入端口的信号功率的一半。同时按照耦合度大小可以将定向耦合器分为强耦合定向耦合器（耦合度小于3dB）、弱耦合定向耦合器（耦合度大于20dB）。

方向性如同隔离度一样，是表征耦合器前向波和反向波能力的度量，耦合度、方向性和隔离度之间有如下关系：

D = I-C

理想耦合器有无穷大的方向性和隔离度。但是在工程设计上，想要做到无穷大显然是不可能的，一般在使用上，定向耦合器的性能要根据其所在工作频段内中心频率处的耦合度、方向性及特征阻抗来确定。

当然，定向耦合器按照功率流向来划分还有反向定向耦合器，读者可按照上述表示符号自行理解。下面对定向耦合器进行分类介绍。

1.波导定向耦合器

波导定向耦合器是微波领域最常见的一种传输线，也是最早被用来制作定向耦合器的结构之一。它由耦合机构相连接的两对传输线且截面为矩形的金属管构成，①-②称为主线，③-④称为副线，通过波导公用边上的小孔（或小槽）来实现耦合。实现这种耦合最简单的方法是在两个波导之间的宽壁上开一个小孔，这种耦合器称为Bathe 孔耦合器，它主要有两种耦合方式，如图2-2所示。第一种耦合方式：通过小孔偏离波导边壁的距离 s 来控制定向耦合器不同端口之间的功率分配。第二种耦合方式：通过两个波导之间的角度 θ 来控制定向耦合器不同端口之间的功率分配。由小孔耦合理论可知，小孔可用电和磁偶极矩构成的等效源替代，法向电偶极矩和轴向磁偶极矩在副波导中的辐射具有偶对称性，而横向磁偶极矩的辐射具有奇对称性。因此，调节这两个等效源的相对振幅可以消除其在隔离端口的辐射，并增强其在耦合端口的辐射，从而获得理想的定向性。

近年来，对微波器件集成化和小型化的要求越来越高，需要对微波射频电路使用带状线、微带线等结构来制作定向耦合器。但由于带状线、微带线低功率容量的特点，在很多大功率场合，对波导的需求仍然很大。

2.耦合线定向耦合器

耦合线定向耦合器将耦合传输线，即两根无屏蔽的传输线紧靠在一起，由于电磁场的相互作用，电磁能量从一根线耦合到另一根线，两线之间产生耦合功率，即从端口①输入的信号的一部分传输到端口②，一部分耦合至副线，由端口③输出，端口④无输出。这一特性就产生了一类宽带平面定向耦合器。其中，单节定向耦合器的结构和端口定义如图2-3所示，这种类型的耦合器最适合于弱耦合场合，原因在于强耦合场合要求传输线之间的间距很小，这点在工程上很难实现，并且奇模和偶模特性阻抗的数值过大或过小而不切实际。由于定向耦合器中的耦合线的长度需要是 ，因此单节定向耦合器在带宽上是受限的，可以采用多节结构来增加带宽。

3.微带分支线定向耦合器

微带分支线定向耦合器也称分支电桥，它是由主线、副线及若干耦合分支线构成的，其直通臂和耦合臂的输出之间有90°的相位差，在微波集成电路中有广泛的应用，特别是功率等分的3dB耦合器，其制作容易，而且它的输出端口位于同一侧，因而结构上易与同半导体器件结合，构成如平衡混频器、移相器和开关等集成电路。3dB分支线定向耦合器与3dB Lange定向耦合器均是正交混合网络，其基本工作原理相同。

图2-4所示为一个典型的微带3dB分支线定向耦合器，各耦合分支线的长度为 ，若该耦合器的各端口均接匹配负载，且信号自端口①输入，则从理论上来讲，在中心频率处，端口④将无输出，它成为隔离端口，而端口②和端口③的输出在相位上相差90°，功率大小相等。需要注意的是，分支线定向耦合器具有高度的对称性，任意端口都可以成为输入端口，输出端口总是在与网络的输入端口相反的一侧，而隔离端口是输入端口同侧的余下端口，因此使用十分方便。而在实际工程中，由于工艺条件的限制，其电路结构不可能做到完全对称，端口④也不可能做到完全隔离，它或多或少都会有点儿输出。

微带分支线定向耦合器虽然设计加工比较简单，但其频率窄、性能较差。这是因为它的介质是非均匀的，部分是介质基板层，部分是空气，这就导致耦合器微带线上的奇模和偶模相速不等、波长不等，从而引起耦合的定向性变差。由于单分支线定向耦合器设计所依据的所有公式都是假设定向耦合器工作于中心频率对应的波长，偏离中心频率时，驻波和隔离就会变差，耦合度也将偏离中心频率，因此，微带分支线定向耦合器的带宽是有限的。因为各耦合分支线的长度都是 ，所以其体积一般较大。

4.交指型耦合器

为了达到3dB或6dB的耦合度，普通的耦合线定向耦合器的耦合都太松了。提高边缘耦合的一种方法是将耦合的两条导体带分裂成指状，交替安置，构成如图2-5所示的交指型耦合器，也称Lange定向耦合器。图2-5（a）所示为折叠交指型耦合器，为了达到紧耦合，此处用了相互连接的4根耦合线。在某些应用中，耦合线数量也可以大于4，这种耦合器通常设计成3dB耦合度，并有一个倍频程或更宽的带宽，这种设计有助于补偿偶模和奇模相速的不相等，易于用微带电路实现。端口②和端口③之间有90°的相位差，因此交指型耦合器也是正交混合网络的一种。交指型耦合器有许多特点，如体积小，与双耦合线器件进行比较，它的线距较大；与微带分支线定向耦合器进行比较，它的带宽也大很多。它的主要缺点是这些耦合线很窄，又靠得很紧，因此加工难度很大，而要横跨在线之间的必需的连接线的加工也很困难。图2-5（b）所示为不能折叠的交指型耦合器，其基本原理同折叠交指型耦合器，不过它很容易用一个等效电路进行模拟化。

5.混合环定向耦合器

与微带分支线定向耦合器及交指型耦合器不同，混合环定向耦合器是一种180°混合网络，它是一种在两个输出端口之间有180°相移的四端口网络，既可以工作在同相输出端又可以工作在反相输出端。如图2-6所示，端口①的信号将在端口②和端口③处被均分成两个同相分量输出，而端口④被隔离；端口④的信号将在端口②和端口③处被均分成两个反相分量输出，而端口①被隔离。因此，端口①和端口④是彼此隔离的。同样，端口②和端口③也是彼此隔离的，无论从哪个端口输入信号，仅在端口②和端口③处有同相或反相输出，而端口①和端口④处没有输出。

混合环定向耦合器的两个输出端口的输出功率分配从理论上来讲可以是任意的。但实际上，由于工艺的限制，功率分配比相差悬殊的混合环因部分电路的阻抗太大而很难实现。实践中最常用的混合环是输出功率相等的3dB混合环。工艺上可以实现的混合环的功率分配比的上限大约为3∶1，即6dB混合环，分配比更大的混合环定向耦合器就难以实现了。

等功率反相输出的3dB混合环与波导魔T具有相同的性质，因此有时也将其叫作魔T。它的用途与3dB分支线定向耦合器相似，但它的工作带宽与隔离等方面的性能比分支线定向耦合器更好。由于两个输出端口并没有位于同一侧，因此给连接半导体器件带来了一些困难，它在这一点上不如分支线定向耦合器方便。

混合环定向耦合器的带宽尽管比分支线定向耦合器的带宽宽，但是因其尺寸与波长有关，特别是 线段对频率更敏感，所以它的相对带宽通常只有20%～30%。但是如果将混合环的结构稍加更改，用一段270°耦合线代替对频率敏感的 线段，则可以获得比原来宽得多的带宽。 UNwNyvUF1MA+G7cWlK8ZCY3FlDFo1nCGXDmSdqFjz8JaR1XdbHHVt6IUFamr2fp5