No.1 定向耦合器的技术指标
定向耦合器的技术指标涵盖了工作频带、插入损耗、耦合度、方向性和隔离度等几个关键参数。
工作频带：定向耦合器是一种微波元件，其工作特性与频率紧密相关。只有在确定了工作频率后，才能设计出满足要求的定向耦合器。
插入损耗：主要指主导信号从输入端到输出端之间的功率损耗比例，包括耦合损耗和介质内部的热损耗。同时，还包括反射损耗和某些情况下的辐射损耗。
耦合度：描述耦合输出端口与输入端口信号的比例关系，一般以分贝（dB）为单位表示。耦合度越大，耦合输出功率越小。耦合度的大小取决于定向耦合器的应用场景，通常3dB的定向耦合器可用于信号的等比例分配；而40dB以上的耦合器经常用于信号的检测。
隔离度：描述主要输入端口和耦合支路隔离端口之间的关系。在理想情况下，隔离端口不会有信号输出，因此隔离度为无穷大。
方向性：描述耦合支路的耦合端口与隔离端口之间的比例关系。方向性等于耦合度减去隔离度。
定向耦合器的这些指标可以根据其基本原理来解释。定向耦合器作为一个四端口网络，其原理图如下所示：输入端口1的功率为P1，输出端口2的功率为P2，耦合端口3的功率为P3，隔离端口4的功率为P4。
因此，定向耦合器的四个主要参数可以表示为：
No.2 定向耦合器的分类
在了解了定向耦合器的基本参数后，我们可以根据其构造方式对常用的定向耦合器进行分类。根据构成元件的类型，定向耦合器可分为集总参数定向耦合器和分布参数定向耦合器；而分布参数定向耦合器又可以根据耦合方式和传输线组成方式的不同分为微带定向耦合器、波导定向耦合器等。
集总参数定向耦合器
集总参数定向耦合器由集总参数元件构成，即由电感和电容等集总参数组成。下图展示了由集总参数构成的分支线定向耦合器。
集总参数定向耦合器结构简单，可根据电路特性分为低通型（电路a）和高通型（电路b）。其设计步骤如下：
确定定向耦合器的技术指标，包括耦合系数C、端口阻抗Z0和工作频率f0等。
将上述指标带入以下公式进行计算，得到k、Z0s和Z0p的值：
根据系统要求，选择适当的电路模型，如高通型或低通型，并套用相应的公式进行设计。
No.3 分支线型定向耦合器
分支线型定向耦合器是一种常见的射频无源器件，它由主线、副线和两个耦合分支线组成。这些线路可以采用微带线、带状线或同轴线等形式构成，但常见的是采用微带线型。
所有定向耦合器都是通过叠加两个或多个波或波分量在耦合端口，并在隔离端口相抵消来实现定向耦合特性的。对于分支线型定向耦合器，其分支线的长度和间距都是四分之一波长。
首先，对于靠得很近的两条线，它们之间存在一个耦合电容C。而且，靠得越近，电容就越大。电容耦合电流ic3和ic4沿着耦合线向两端传输。
其次，对于在主线上传输的射频信号i1，根据电磁感应定律，在耦合线上会产生一个感应电流iL，该感应电流的方向与i1相反。
因此，在端口3，电容耦合电流ic3和感应电流iL3方向相同，叠加在一起。而在端口4，电容耦合电流ic4和感应电流iL4方向相反，互相抵消。在理想情况下，端口4的两个电流完全抵消为0，没有信号输出，成为隔离端口；而端口3成为耦合端口。
与分支线型定向耦合器相比，平行耦合线型定向耦合器的耦合端和直通端是相反的，因此也被称为“反向型定向耦合器”。
除了分支线型定向耦合器外，还有其他类型的定向耦合器存在。以下是一些相关的专利：
CN202585699U: 弱耦合定向耦合器
CN107370458A: 基于单片集成技术的太赫兹混频电路
CN108091974A: 矩形波导定向耦合器
CN210576373U: 一种耦合度可调的耦合器
CN110611144A: 小型化宽带前向波定向耦合器单元电路
CN110611145A: HMSIW平衡定向耦合器
CN107689474B: 带矩形缺口的C波段正交电桥
CN108091974A_矩形波导定向耦合器的改进设计：本发明公开了一种矩形波导定向耦合器的改进设计。该定向耦合器包括一个耦合器壳体，其内部设有主线波导腔和分支波导腔。主线波导腔和分支波导腔之间设有耦合窗口，以实现能量的定向传输。在耦合窗口的预设位置，设有竖向的两个耦合主柱。主线波导腔内和分支波导腔内对应位置分别设有耦合副柱。耦合主柱和耦合副柱可在滑动槽中按照预定曲线移动至预定位置。这种设计可以方便地调节矩形波导定向耦合器的耦合度，使其适用于多种应用场景。
CN210576373U_一种可调耦合度的耦合器：本实用新型公开了一种可调耦合度的耦合器。该耦合器包括上盖板、下腔体、紧固螺钉、信号连接器等部件。下腔体内设置有主线内导体和副线内导体。上盖板和下腔体通过紧固螺钉衔接固定，副线内导体包括耦合调节部和固定端，副线内导体的固定端与信号连接器连接。上盖板对应副线内导体的耦合调节部设置有调节螺孔，调节螺孔对应配置有调节螺母。调节螺母的调节端设置有定位标识，上盖板设置有与定位标识匹配的定位线。通过旋转调节螺母，可以调节副线内导体的耦合调节部产生位移，从而改变主线内导体与副线内导体之间的间距，实现耦合度的可调。这种设计具有优良的耐大功率性能。
CN110611144A_一种小型化宽带前向波定向耦合器单元电路：本发明公开了一种小型化宽带前向波定向耦合器单元电路的设计。该定向耦合器单元电路共有五层电路结构，每层金属层之间为衬底介质。在整体电路的第一层，设有开槽的耦合微带线，用于实现能量的传输和耦合。在整体电路的第二层和第三层，设有交指金属平行板结构。开槽的耦合微带线和交指金属平行板通过金属过孔连接。在整体电路的第四层和第五层，设有垂直折叠金属线，其从第二层中间位置开始，折叠弯曲至第四层中间位置。这些金属线通过金属过孔与上下电路层连接。通过这种五层电路结构的级联设计，可以增大奇偶模累积相位差，实现在5.5‑9GHz频段内的0.5dB能量耦合度，使定向耦合器的相对带宽达到48.27％。这种前向波定向耦合器单元电路的设计大幅度缩小了整体电路的尺寸，简化了结构，且实用性较强。
CN110611145A_一种HMSIW平衡定向耦合器：本发明公开了一种适用于较高厘米波和毫米波频段的HMSIW平衡定向耦合器的设计。该定向耦合器由两个垂直堆叠的单端定向耦合器组成，在公共地面上刻蚀矩形缝隙并引入人工表面等离激元(SSPP)结构。在差模激励下，矩形缝隙区域被等效为理想电壁(PEC)，公共金属面近似认为是理想电壁，其差模等效电路即对应的单端定向耦合器。然而，在共模激励下时，公共金属面被等效为理想磁壁(PMC)，矩形缝隙边缘被反射的共模信号被有效抑制。通过在矩形缝隙中引入SSPP结构，上/下金属层与公共金属面之间的槽线传输模式被进一步抑制，提高了平衡定向耦合器的共模抑制能力。这种设计具有紧凑的结构、简单的设计和高共模抑制等特点。
CN107689474B_一种带矩形缺口的C波段正交电桥：本发明公开了一种带矩形缺口的C波段正交电桥的设计。该电桥通过PCB上的三段式的耦合段分布，有效地解决了传统C波段电桥的干扰大等问题。另外，由于其将耦合线印制在PCB板上并通过PCB板的绝缘层来耦合，实现了整体化生产，进而实现批量化、简易化的生产。此外，这种设计还提高了工作频带宽、损耗小和高低温性能稳定等特点。
总之，定向耦合器作为射频系统中常用的无源器件之一，其设计需要综合考虑射频理论知识、材料特性、加工工艺等因素的影响。以上所介绍的四篇专利文献分别从不同的角度对定向耦合器的设计进行了改进和优化，为相关领域的研究人员提供了有益的参考和启示。定向耦合器的设计需要基于射频理论知识，并进行准确的仿真。希望本文对设计定向耦合器的读者有所启发。
