首先来明确两个概念。
第一，对于靠的很近的两条线，他们之间的有个耦合电容C。并且靠的越近，电容越大。电容耦合电流ic3和ic4分辨沿着耦合线向两端传输。
第二，对于电磁信号传输主线上的射频信号i1，根据电磁感应定律会在耦合线上有一个感应电流iL，iL的方向与i1的方向相反。
这样在端口3，电容耦合电流ic3和感应电流iL3同向叠加。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 的两个电流抵消为0，没有信号输出，为隔离端。端口3 为耦合端。
和分支线定向耦合器不同的是，平行耦合线定向耦合器的耦合端和直通端是反向的，因此又称为“反向型定向耦合器“。
定量分析。
平行线定向耦合器的分析方法依然是奇偶模分析法。详细过程如下：
然后经过几百字的分析（此处省略1000字，详细推导过程，请翻阅参考书《微波技术与微波器件》）得出设计公式：继续圈重点。
设计实例
设计一平行耦合线定向耦合器，指标为：中心频率3.5GHz，耦合度C=15dB，引出线特性阻抗为50Ω，介质基片εr=9.6，h=1mm。
step1：带入公式计算：
W1/h=0.97, W1=0.97mm； s/h=0.62, s=0.62mm
耦合线段的长度近似认为等于未耦合单根线的1/4波长。
根据微带线公式计算出微带线宽度：W0=0.99mm
step2：带入HFSS建模仿真：
step3：仿真结果如下：
结论：在中心频率3.5GHz处，回波损耗 | s11|<-33.5dB，隔离度-| s41|=23dB，耦合度-|s31| ≈12dB，基本满足设计要求。
平行线定向耦合器的宽频带设计
为了获得更大的带宽，使用多个λ/ 4耦合部分。这种耦合器的设计与分布式元件滤波器的设计大致相同。耦合器的各部分被视为滤波器的部分，通过调整每个部分的耦合系数，可以使耦合端口具有任何经典滤波器响应，例如最大平坦（巴特沃斯滤波器）， 等纹波（椭圆函数滤波器）或指定纹波（切比雪夫滤波器）响应。纹波滤波器是通带中耦合端口输出的最大变化，通常用标称耦合因子作为正或负的dB值。
3.3 耦合孔耦合器
另一种常用的耦合线耦合器是有波导线间的耦合孔来实现的，我们叫做耦合孔耦合器。矩形波导定向耦合器同上面介绍的两款定向耦合器一样，由主波导和负波导组成。通过主波导和副波导公共壁上的耦合孔进行耦合。根据耦合孔的数目和形状，波导定向耦合器可分为单孔定向耦合器，多孔定向耦合器，十字孔定向耦合器匹配双T和波导裂缝电桥等多种结构形式。
单孔定向耦合器
单孔定向耦合器的结构如上图所示，其主副波导的公共壁是宽壁，圆孔开在公共宽壁的中心线上。假设输入信号的波形为TE10模，其模式图如下图所示。当TE10波从主波导端口1输入后，大部分的信号从端口2输出，一小部分的信号能量通过公共壁上的圆孔耦合到副波导中去，而且耦合到副波导中的能量大部分从端口3输出，端口4 有很少的信号能量输出。那么对于单孔耦合器，端口1 为耦合器的输入口，端口2为直通口，端口3 为耦合口，端口4为隔离口。为什么呢？
先看下面的场图和电流分布图。把这个记在脑海我们从电磁场的分布中去寻找答案。
根据TE10波再矩形波导中的电磁场分布，在耦合圆孔附近的电场和磁场分布如下图所示。
当主波导的TE10波到达耦合圆孔时，电场能量E会通过耦合圆孔进入副波导的公共宽壁上，使圆孔周围得到大小相等方向相同的电场分布，如上图b所示。由于圆孔在波导宽面的中心线上，在圆孔处，除了电场耦合外，磁场同样会通过耦合圆孔进入到副波导中去。如图C所示。这样电磁场通过耦合孔进入到副波导线中之后，会相互叠加。由上图可知，在端口3，电磁场耦合的信号相互叠加增强，端口4处的电磁场耦合的信号抵消减弱。
对于单孔耦合器的计算可以通过小孔耦合理论进行定量分析计算，具体过程可参见今日推文2学习——《矩形波导与圆柱波导或圆柱谐振腔间的小孔耦合》。这里仅给出利用小孔耦合理论推到出的单孔定向耦合器的耦合度C和隔离度D的计算公式。（划重点）
式中a，b分别为波导的宽边和窄边尺寸，波导波长为：
多孔定向耦合器
上面介绍完单孔耦合器，我们接着来学习多孔耦合器。
下面介绍的矩形波导多孔耦合器的主波导线和副波导线相互平行，公共壁为波导窄壁，在公共窄壁上开有若干个相隔一定距离的小孔。最简单的多孔耦合器为双孔定向耦合器，其结构如下图所示，两孔之间的距离为
，中心工作频率波长的四分之一。
当电磁信号从端口1输入时，在主波导中的TE10模在窄壁上只有纵向的磁场分量，没有电场分量，因此通过每个耦合孔只有一种耦合波，若要在副波导中形成定向耦合，至少需要开两个耦合孔。波传输示意图如下图所示。
设由孔A耦合到副波导中的波记为 V3a，V4a ，因耦合孔很小，所以认为到达孔B的波与到达孔A的波近似相等，只是相位落后
，这样由孔B耦合到副波导中的波可以近似表示为：
当V3b传输到孔A与V3a合成时，相位又落后 ，因此由端口（3）输出的合成波为
同理，由端口4输出的合成波为：
由以上两式可知，端口3为隔离端，端口4为耦合端。
通过上述分析可知，双孔定向耦合器的定向耦合作用是由两孔耦合的波相互干涉形成的，类似于之前介绍的分支线定向耦合器。
多孔定向耦合器的结构和工作原理与双孔定向耦合器的结构和工作原理类似，但多孔定向耦合器的频带较宽、耦合度较小。
3.4 Lange耦合器
除此之外，还有一种可以实现紧耦合的耦合器，是由工程师Lange发明的，我们成为Lange 耦合器
Julius Lange 和他的耦合器（内附论文下载）
1969年，当时在TI工作的Dr. Lange 接到了一个棘手的项目。当时的TI要研发一款基于陶瓷基板的射频放大器，在这个放大器里面需要一个3dB耦合器，然而在当时的条件下，微带耦合器很难实现3dB的紧耦合。即使现在，在同层PCB上，靠窄边耦合，也很难实现如此大的强耦合。如果这个问题给你，你会怎么解决呢？很快我们都会想到了交指，用交指来实现微带线见的强耦合，这个在现在滤波器设计中会经常用到，比如下面这张图。实际上 Lange也想到了这个方法，但是在实际设计中又遇到了对称性的问题，在这一个一个问题的排查解决过程中，一个伟大的耦合器就此产生——Lange耦合器。
J. Lange 是幸运的，他接到了一个好项目，让他有机会去寻找这个问题的解决方法。换做是你，也许这个耦合器前面加的就是你自己的名字。不能怪我们不够聪明，只能说自己生的太晚了。
Dr. Lange 紧接着就发表了这篇著名的论文“Interdigitated Strip-Line Quadrature Hybrid”，当然也拥有了这个耦合器的专利US3516024。（需要的同学可以在公众号对话框输入 Lange，获得下载链接。）
No.2 Lange 耦合器的原理
Lange耦合器是一种正交混合耦合器，在输出端口（端口2和端口3）之间有90°的相位差。Lange耦合器的微带电路设计如下图所示。为了达到强耦合，此处用了四根相连接的耦合线，这种耦合线很容易实现强耦合，并且有一倍频程以上的带宽。其难点是实际加工比较困难，主要是线比较窄且间隙很小，另外的横跨在线之间的连接线也很难实现。
于是人们就把原始的Lange耦合器做了展开设计，如下图所示。
展开型的Lange耦合器设计就稍微简单点，但是原理同Lange原型一样。展开型的Lange耦合器可以用等效电路模拟，如下图所示，它由四根导线组成，所有这些导线都有相同的线宽和间隙。如果我们假设每根导线只与相邻的导线进行耦合，忽略较远的导线的耦合，那么其等效电路可以展开成两根平行耦合线。然后就可以用耦合线的分析方法去分析Lange耦合器。
分析方法我们不再详述，具体可参考论文“A NOVEL APPROACH TO THE DESIGN AND IMPLEMENTATION OF 3 dB LANGE COUPLER FOR MMIC Ka-BAND QPSK MODULATOR”
比较方便的是很多的射频仿真软件上集成了Lange 耦合器的模型，我们可以直接调用模型进行仿真。比如ADS里面的这个模型。
我们调用这个模型就可以进行仿真。
No.4 耦合器的那些专利
CN202585699U_弱耦合定向耦合器
一种大功率矩形波导双定向耦合器的制作方法
CN107370458A_一种基于单片集成技术的太赫兹混频电路
CN108091974A_一种矩形波导定向耦合器
本发明提供了一种矩形波导定向耦合器，包括耦合器壳体，耦合器壳体内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，耦合窗口位置设有竖向的两个耦合主柱；主线波导腔内、分支波导腔内对应位置分别设有耦合副柱；耦合主柱的上下两端、耦合副柱的上下两端附近的耦合器壳体上都设有滑动槽，滑动槽使耦合主柱、耦合副柱按照预定曲线移动至预定位置，调节矩形波导定向耦合器的耦合度。上述矩形波导定向耦合器，由于设有耦合主柱和耦合副柱，通过调节耦合主柱和耦合副柱在滑动槽中的位置，从而调节矩形波导定向耦合器的耦合度，耦合度可调，使上述矩形波导定向耦合器能够适用于多种耦合度的需要，适应性更强。
WO2020187110A1_DIELECTRIC TRANSMISSION LINE COUPLER, DIELECTRIC TRANSMISSION LINE COUPLING ASSEMBLY, AND NETWORK DEVICE
US10756407B2_Power distribution circuit and multiplex power distribution circuit
US20200220246A1_BRANCH-LINE COUPLER
CN210576373U_一种耦合度可调的耦合器
本实用新型提供一种耦合度可调的耦合器，包括上盖板、下腔体、紧固螺钉、信号连接器，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所述紧固螺钉衔接固定，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。本实用新型转调调节螺母，能够压迫副线内导体的耦合调节部产生位移，改变副线内导体与主线内导体的间距，从而改变耦合度的强与弱，进而达到耦合度调整的作用，并且具有良好的耐大功率性能。
CN110611144A_一种小型化宽带前向波定向耦合器单元电路
本发明公开一种小型化宽带前向波定向耦合器单元电路。该前向波定向耦合器单元电路共有五层电路结构。开槽的耦合微带线位于整体电路第一层，交指金属平行板位于整体电路第二层和第三层，开槽的耦合微带线和交指金属平行板通过金属过孔连接；垂直折叠金属线从第二层中间位置开始，折叠弯曲至第四层中间位置，层与层之间通过金属过孔连接；第五层为整体电路的参考地。所述五层电路结构的每层金属层之间为衬底介质。5个单元电路的级联，增大了奇偶模累积相位差，在5.5‑9GHz频段内实现0.5dB的能量耦合度，耦合相对带宽达48.27％。所述前向波定向耦合器单元电路大大缩小了整体电路尺寸，结构较简单，实用性较强
CN110611145A_一种HMSIW平衡定向耦合器
本发明公开了一种HMSIW平衡定向耦合器，适用于较高的厘米波和毫米波频段，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)，由于公共金属面近似认为是理想电壁，因此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)。根据PEC‑PMC结构的边界条件，TEn0模式无法在SIW中传输，此时共模信号在矩形缝隙边缘被反射。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有效抑制，从而进一步提高了平衡定向耦合器的共模抑制能力。另外，本发明具有结构紧凑、设计简单以及高共模抑制等特点。
CN107689474B_一种带矩形缺口的C波段正交电桥
本发明公开一种带矩形缺口的C波段正交电桥；通过PCB上的三段式的耦合段分布，有效的解决了传统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，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，而且提高了工作频带宽，使得其损耗小、高低温性能稳定。
结语：
定向耦合器作为最常用的射频无源器件，其设计不仅需要射频理论知识作为基础，更需要准确的仿真。希望这篇文章能为大家设计定向耦合器提供参考。
谢谢，觉得有用不妨给小木匠加个鸡腿🍗。
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