定向耦合器概述

定向耦合器（Directional Coupler）是一種重要的微波/毫米波部件，在微波系統中應用廣泛，尤其在射頻和微波領域扮演著至關重要的角色。它主要用于信號的隔離、分離和混合，具有功率監測、源輸出功率穩幅、信號源隔離、傳輸和反射的掃頻測試等多種功能。定向耦合器的基本特性使其能夠實現電磁能量從一個電路到另一個電路的耦合，進而實現信號的分配、合并和功率測量等功能。

定向耦合器通常由直通線（主線）和耦合線（副線）兩段傳輸線組合而成。這兩段傳輸線之間通過特定的耦合機制（如縫隙、孔、耦合線段等）實現功率的耦合。在耦合過程中，要求功率在耦合線中只傳向某一輸出端口，而另一端口則無功率輸出。這種功率耦合（分配）的有方向性，正是定向耦合器名稱的由來。

從結構上看，定向耦合器種類繁多，差異較大。這主要是因為其構成材料多樣，同軸線、矩形波導、圓波導、帶狀線和微帶線等均可用于制作定向耦合器。然而，從耦合機理上分類，定向耦合器則主要分為小孔耦合、平行耦合、分支耦合以及匹配雙T等四種類型。

定向耦合器的四個端口及其功能

定向耦合器是一種四端口器件，且各個端口均是匹配的。這四個端口通常分別標記為Port 1、Port 2、Port 3和Port 4，各自承擔著不同的功能。

1. 輸入端口（Port 1）
   • 功能 ：輸入端口是定向耦合器的信號來源，用于接收待處理的微波信號。
   • 信號流向 ：信號從輸入端口進入定向耦合器后，會被部分耦合到耦合端和反向輸出端，同時大部分信號會沿直通線繼續傳輸。
   • 重要性 ：輸入端口的性能直接影響到整個定向耦合器的性能，因此其設計需考慮信號的頻率、功率、駐波比等因素。
2. 耦合端口（Port 2）
   • 功能 ：耦合端口用于輸出從輸入端口耦合過來的信號。耦合得到的信號的幅度通常是輸入信號幅度的某個比例，這個比例取決于耦合器的設計。
   • 信號流向 ：耦合端口輸出的信號是輸入信號的一部分，通過耦合機制從直通線耦合到耦合線中。
   • 應用 ：耦合端口輸出的信號常用于功率監測、增益控制等場合。
3. 反向端口（Port 3）
   • 功能 ：反向端口通常用于檢測輸入信號的反向成分，以評估定向耦合器的隔離性能。在理想情況下，這個端口的信號應該非常小，以確保最小的干擾。
   • 信號流向 ：當直通線中波的傳播方向改變時，耦合線中功率的輸出端口與無功率輸出的端口也會隨之改變。反向端口就是在這個過程中用于接收和檢測反向信號的。
   • 重要性 ：反向端口的性能直接反映了定向耦合器的隔離度和方向性。良好的隔離度和方向性對于確保信號的有效耦合和干擾的最小化至關重要。
4. 輸出端口（Port 4）
   • 功能 ：輸出端口用于輸出未被耦合的信號，即輸入信號的主要信號分量。這個端口輸出的是輸入信號經過耦合器的直接傳輸部分，沒有經過耦合。
   • 信號流向 ：大部分信號從輸入端口進入定向耦合器后，會沿直通線傳輸到輸出端口。
   • 應用 ：輸出端口輸出的信號是定向耦合器的主要輸出信號，常用于信號的傳輸、放大等場合。

定向耦合器的主要技術指標

定向耦合器的主要技術指標包括耦合度、定向性、隔離度、駐波比、插入損耗和工作頻帶等。這些指標共同決定了定向耦合器的性能和應用范圍。

1. 耦合度（C）
   • 定義 ：耦合度是指耦合端口輸出功率與輸入端口輸入功率之比的分貝值。它反映了耦合器耦合信號的能力。
   • 計算公式 ：C=-20lg|s14|（dB），其中s14是散射矩陣中的隔離系數。
   • 重要性 ：耦合度是衡量定向耦合器性能的關鍵指標之一，它直接影響到耦合端口輸出的信號強度。
2. 定向性（D）
   • 定義 ：定向性是指耦合端口輸出功率與反向端口輸出功率之比的分貝值。它反映了定向耦合器對信號耦合方向的選擇性。
   • 計算公式 ：D=20lg|s14/s13|（dB），其中s14是隔離系數，s13是耦合系數。
   • 重要性 ：定向性越好，說明定向耦合器對信號耦合方向的選擇性越強，反向端口的干擾越小。
3. 隔離度（Isolation）
   • 定義 ：隔離度是指反向端口輸出功率與輸入端口輸入功率之比的分貝值。它反映了定向耦合器對反向信號的抑制能力。
   • 重要性 ：隔離度是衡量定向耦合器隔離性能的重要指標。良好的隔離度可以確保信號的有效耦合和干擾的最小化。
4. 駐波比（VSWR）
   • 定義 ：駐波比是指傳輸線上相鄰波腹和波節電壓幅度之比。它反映了傳輸線上信號的反射情況。
   • 重要性 ：駐波比越小，說明傳輸線上的信號反射越小，傳輸效率越高。對于定向耦合器來說，良好的駐波比可以確保信號的穩定傳輸和耦合。
5. 插入損耗（Insertion Loss）
   • 定義 ：插入損耗是指由于定向耦合器的引入而導致的信號功率損失。它反映了定向耦合器對信號傳輸效率的影響。
   • 重要性 ：插入損耗越小，說明定向耦合器對信號傳輸效率的影響越小。對于需要高效傳輸信號的場合來說，低插入損耗的定向耦合器是理想的選擇。
6. 工作頻帶（Bandwidth）
   • 定義 ：工作頻帶是指定向耦合器能夠正常工作的頻率范圍。它反映了定向耦合器的頻率響應特性。
   • 重要性 ：工作頻帶越寬，說明定向耦合器能夠適用的信號頻率范圍越廣。對于需要處理多種頻率信號的場合來說，寬頻帶的定向耦合器是必要的。

定向耦合器的應用

定向耦合器在微波與雷達饋線技術中廣泛應用，是許多微波電路的重要組成部分。其主要應用領域包括信號采樣、功率監測、增益控制、源輸出功率穩幅以及傳輸和反射的掃頻測試等。

1. 信號采樣 ：定向耦合器可以將輸入信號的一部分耦合到耦合端口輸出，用于信號的采樣和分析。
2. 功率監測 ：通過測量耦合端口輸出的信號功率，可以實現對輸入信號功率的實時監測。
3. 增益控制 ：利用定向耦合器可以實現對信號增益的精確控制，從而優化系統的性能。
4. 源輸出功率穩幅 ：定向耦合器可以用于穩定信號源的輸出功率，確保信號的穩定性和可靠性。
5. 傳輸和反射的掃頻測試 ：定向耦合器可以用于傳輸和反射的掃頻測試，以評估微波電路的性能和特性。

綜上所述，定向耦合器是一種重要的微波/毫米波部件，具有廣泛的應用領域和重要的技術價值。通過深入了解其四個端口的功能以及主要技術指標，可以更好地理解和應用定向耦合器，為微波系統的設計和優化提供有力的支持。