波导定向耦合器是用于各种毫米波系统的重要微波器件，被广泛用于幅度控制系统、功率分配和合成器等很多微波器件及系统中。它的主要工作原理是将电磁波信号从一条传输线路导向另一条传输线路，实现信号的传输和分配。

核心原理：四端口网络如何驾驭电磁波？

        定向耦合器为一个典型的四端口网络结构。图1中一共有四个端口，其中1端口为信号输入端口，2端口为信号输出端口，3端口为信号耦合端口，4端口为信号隔离端口。P1、P2、P3、P4分别为四个对应端口的功率。

                                                                                                

                                                                                                              图1：定向耦合器的网络框图

性能指标：六大参数判断耦合器优与劣

(1) 耦合度C

                 

        耦合度是衡量耦合端输出的功率，定义为输入端P1和耦合端输出功率P3的功率之比。

(2) 方向性D

                  

       方向性描述了耦合器中信号从一个端口到另一个端口的功率传输效率，表征了其隔离能力。在理想情况下定向耦合器的隔离端是没有功率输出的，此时方向性D趋于无穷大，但实际上由于损耗等原因部分能量不可避免会耦合到隔离端。高方向性意味着器件能够更有效地将能量从一个端口传输到另一个端口，并且减少从输入端口到输出端口的回波或交叉耦合。

(3) 隔离度I

                 

       隔离端的绝对值的数值越大，表示隔离端口的输出功率越小，所以隔离度的绝对值越大越好，从数值来看，方向性加上耦合度的绝对值等于隔离度。

(4) 插入损耗IL

                 

         插损反映了定向耦合器中信号在主传输线传输过程中造成的损耗，耦合器的传输损耗等于固有损耗与插入损耗之和。定向耦合器的固有损耗是指在其工作过程中由于器件本身特性而导致的能量损失。

(5) 驻波比VSWR

          VSWR是一种用于衡量传输线路或天线系统匹配性能的参数。它是传输线路或天线系统上的最大电压与最小电压之比。

(6) 工作宽带

        工作带宽是指在一定范围内，定向耦合器能够正常、有效地工作的频率范围。

          绝对带宽可表示为：▲f=fmax-fmin，式中fmax、fmin指定向耦合器在某段频率范围内满足所有技术指标要求的最高频率、最低频率。

        相对带宽可表示为： 

              

         式中f0为中心工作频率。相对带宽通常用于描述信号的频率范围的宽度，而不是具体的频率范围，通常用百分比或小数表示。

类型解析：三种主流耦合器，如何各司其职？

       根据信号传输的方向性，定向耦合器主要分为：单定向耦合器、双向耦合器和双定向耦合器。了解它们的区别对于射频系统设计、测试和信号处理至关重要。以下对集中类型的耦合器进行简单的介绍：

        1.单定向耦合器：发射链路的“守护神”

        单定向耦合器是一种三端口，在腔体内部完成四端口终端与匹配负载连接的器件。单定向耦合器只能在一个方向上传递信号，因此它可以被用于控制信号的传输方向，从而实现一些特定的功能。

      单定向耦合器多用于在发射链路中，对馈送至天线或负载的功率进行实时采样，实现功率控制与状态监控。另一方面，单定向耦合器也可监测从负载端反射回来的反向功率电平，当失配严重、反射功率超过安全阈值时，触发保护电路以隔离功放。

      下图为三端口单定向耦合器。目前，三端口单定向耦合器可在18-500GHz的整个波导频段内提供多频段、多耦合度选择且都具备优异的方向性。

                                                    

                                                                                                      220-330 GHz三端口单定向耦合器

2. 双向耦合器：正反向信号的“同步监测官”

双向耦合器Bi-Directional Coupler又称四端耦合器，它是一个没有内部负载的单定向耦合器，如下图所示。可以用来对正向信号和反向信号同时取样。双向耦合器采用一个单一的耦合结构，通过对称性设计，使其同时具备前向和反向耦合功能。该结构通常提供四个端口：输入口、输出口、耦合口和隔离口。其本质是利用同一物理结构对不同方向波的响应特性不同来实现功能。

双向耦合器结构紧凑，集成度高。但其前向与反向通道的性能参数可能存在一定的相互关联性，由同一物理结构决定。

下图为140-220 GHz四端口双向耦合器。四端口双向耦合器可在18-500GHz的整个波导频段内提供多频段、多耦合度的选择且都具备优异的方向性。

                                    

                                                                                                         140-220 GHz四端口双向耦合器

3. 双定向耦合器：高性能系统的“独立分析仪”

双定向耦合器由两个性能一致的单定向耦合器组合构成。两个耦合器的耦合端口相互独立。

将两个三端耦合器的主线串联，耦合器的内部负载各自连接，这样组合也提供了一个四端耦合器的作用，但是现在耦合器端口是独立的，即使负载失配，对另一通路也不造成影响。另一方面，由于采用两个独立的耦合单元，两个通道具有极高的隔离度，通常能提供优于单一结构双向耦合器的方向性和带宽特性。其代价是体积相对较大，插入损耗也可能略高。

下图为220-330 GHz四端口双定向耦合器，四端口双定向耦合器可在18-500 GHz的整个波导频段内提供多频段、多耦合度选择，且都具备优异的方向性。

                                             

                                                                                                                         220-330 GHz四端口双定向耦合器

实战指南：根据系统需求，精准选择耦合器

定向耦合器是射频与微波系统的关键测量与控制元件。单定向耦合器适用于只需监测单方向功率的场景，如发射机功率监控。双定向耦合器是评估负载匹配状况的核心器件，也广泛应用于前馈放大器、功率合成与分配网络以及实时天线调谐系统中。

         在进行器件选择时，需根据系统对方向性、带宽、功率容量、体积以及通道间隔离度的要求，来确定最适合的耦合器类型与结构。