定向耦合器是射頻電路設計中常用的一種射頻無源器件，它將線路中傳輸的射頻功率耦合到另一個線路里。定向耦合器的基本特征是它只將信號耦合到指定的方向。

本篇文章主要參考維基百科和一篇《定向耦合器原理與應用》的文章。

1. 概述

定向耦合器是一種四端口網絡：

定向耦合器是無源和可逆網絡。理論上，定向耦合器是無耗電路，而且其各個端口均應是匹配的。圖1（b）定義了定向耦合器各端口的屬性。當信號從端口1輸入時，大部分信號從端口2直通輸出，其中一小部分信號從端口3耦合出來，端口4通常接一個匹配負載。如果要將定向耦合器反過來使用，則端口1和2，端口3和4的屬性要互換定義。定向耦合器可以由同軸，波導，微帶和帶狀線電路構成。通常，定向耦合器用于信號取樣以進行測量和監測，信號分配及合成；此外，作為網絡分析儀，天線分析儀和通過式功率計[1]等測試儀器的核心部件，定向耦合器所起的作用是正向和反射信號的取樣。定向耦合器的方向性是一項至關重要的指標，尤其是作為信號合成和反射測量應用時。

2. 定向耦合器的指標

如圖1（b）所示，在理想情況下，當信號功率從端口1輸入時，輸出功率只應出現在端口2和端口3，而端口4是完全隔離的，沒有功率輸出。但是在實際情況下，總有一些功率會泄漏到端口4。設端口1的輸入功率為P1，端口2，3和4的輸出功率分別為P2，P3和P4，則定向耦合器的特性可以由耦合度，插入損耗，隔離度和方向性等四項指標來表征，單位均為dB。請注意在以下的描述中，所有的指標均表示為正數，而在實際應用中，則是用負數來進行各種計算的。

耦合度：

耦合度表示從端口1輸入的功率和被耦合到端口3部分的比值，表示為：
耦合度(C) = 10×log(P1 /P3)

插入損耗：

插入損耗表示從端口1到端口2的能量損耗，表示為：

插入損耗(IL)= 10×log(P1 /P2)

請注意端口1的輸入功率有一部分功率是被耦合到端口3的，所以應導入一個“耦合損耗”的概念，下表表示了在各種耦合度下的耦合損耗值：

通常所說的從端口1到端口2的插入損耗是傳輸損耗和耦合損耗之和。在定向耦合器的產品說明中通常會對此加以特別說明。當定向耦合器用于測試和測量時，選取的耦合度比較小，如20dB或30dB甚至更小；而作為功率合成系統或者信號分配系統應用時，則會采用比較大的耦合度，如3dB，5dB和7dB等。

隔離度：

前面提到，在理想的定向耦合器中，端口4是沒有功率輸出的，而實際上總會有一些功率從這個端口泄漏出來，這就是隔離度的指標，表示為：

隔離度(I) = 10×log(P1 /P4)

方向性：

端口3的輸出功率和端口4輸出功率之間的比值定義為方向性，表示為：

方向性(D) = 10×log(P3 /P4)

需要特別說明的是耦合度，隔離度和方向性之間的關系為：
方向性(D)=隔離度(I) -耦合度(C)

耦合度是一項設計指標，是根據使用要求而選定的，通常為6、10、20和30dB，這樣隔離度指標也隨之而變化；而方向性則是一個常數。在大部分定向耦合器的指標中，通常只標出方向性指標，隔離度指標可以根據耦合度計算出來。如：

耦合度(C) = 30dB，

方向性(D) = 25dB，

則隔離度(I) = 30 + 25 = 55dB

3 幾種常見的耦合器

3.1 平行線耦合器

3.2 分支線耦合器

3.3 波導定向耦合器

3.4 Lange 耦合器

4 定向耦合器的應用

無論是測試和測量應用還是系統內部應用，定向耦合器都是一種應用極為廣泛的微波器件，以下舉例說明。

4.1 定向耦合器用于功率合成系統：
在多載頻合成系統中，通常會用到3dB的定向耦合器（俗稱3dB電橋），如圖2。

圖2的電路常見于互調測量系統和多載頻的室內分布系統中。在這些應用中，要求定向耦合器有很高的方向性（隔離度）以避免信號源之間產生額外的互調分量，為了提高隔離度，也可以外加一些器件如濾波器或鐵氧體隔離器來改善。圖示3dB定向耦合器（P/N 753345）的頻率范圍為800-2170MHz，方向性高達30dB，換算成隔離度為33dB。

4.2 用于信號取樣和監測：

發射機的在線測量和監測可能是定向耦合器最為廣泛的應用之一。

圖3是一個蜂窩基站的典型測量應用，如果發射機的輸出功率為43dBm（20W），定向耦合器的耦合度為30dB，插入損耗（線路損耗加耦合損耗）為0.15dB，則耦合端有13dBm（20mW）的信號送到基站測試儀，定向耦合器的直通輸出為42.85dBm（19.3W），而泄漏到隔離端的功率則被一個負載吸收掉了

4.3 用于功率和VSWR測量（反射功率計）：

作為通過式功率計的核心器件，定向耦合器可用于正向和反射功率的取樣，見圖4。

其中端口3用于檢測正向功率，端口4用于檢測反射功率。請注意在這種應用場合，定向耦合器的方向性（隔離度）指標對測試精度至關重要，尤其是反射功率的測試精度。假設發射機的輸出功率為50dBm（100W），被測負載的駐波比為1.5（反射功率為4W），定向耦合器的耦合度為30dB。假如隔離度為無窮大，則在端口4測到的功率即為反射功率（4mW）。但由于隔離度不可能為無窮大，出現在端口4的除了真正的反射功率以外，還有一部分從端口1泄漏過來的功率，這二部分功率矢量疊加后，功率計認為這些都是反射功率，從而導致了測試誤差。

審核編輯：湯梓紅