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定向耦合器能够实现多路信号的隔离，分配与混合，广泛应用于Butler矩阵和六端口网络等多波束天线和微波测量系统中。在这些系统中，传统处理方法是采用具有标准相位差(0°/180°，±90°)的定向耦合器附加移相器来实现其各端口的特殊相位要求。若采用具有任意相位差的定向耦合器来实现此类网络，则无需附加移相器，从而可降低端口的回波损耗，提高整个网络的带宽，同时也可减小电路体积和制造成本。为此，本文开展具有任意相位差定向耦合器的理论、设计和应用研究，具体研究工作如下: 1.基于导纳矩阵开展具有任意相位差定向耦合器的理论研究。根据定向耦合器功分比和相位关系的设计要求，获得目标导纳矩阵;采用等效电路模型或者电磁场全波仿真得到定向耦合器的结构导纳矩阵;令两者相等并求解，从而获得定向耦合器结构参数。对任意相位差定向耦合器在结构对称条件下的特性进行研究:在一重对称条件下，任意相位差仍可实现，在两重对称条件下，只能实现±90°相位差。据此提出了实现不同相位差定向耦合器的网络对称性选用原则，从而简化设计。 2.开展分支结构定向耦合器的分析和设计研究。分支结构定向耦合器的等效电路模型可看成由多个二端口网络组成，根据拓扑结构和二端口网络参量获得此类定向耦合器的结构导纳矩阵。本文研制了三种分支结构定向耦合器:新型不对称定向耦合器，其中心频率2.4GHz处的实测相位差为150.8°（理论值为150°），幅度差为0.1dB;改进型分支线定向耦合器，它通过在传统T型接头上附加凸-凹结构来消除寄生效应，其中心频率12GHz处的实测幅度差小于0.1dB，|S11|＜-15dB的相对带宽为25.1％;田字型跨接器，其中心频率6GHz处的实测相移为44.2°（理论值为45°），S11|＜-15dB的相对带宽为36％。上述定向耦合器的实测结果与理论设计吻合，验证了本文所提分析设计方法的有效性。 3.对具有复杂等效电路模型的定向耦合器，采用电磁场全波仿真的方法获得结构导纳矩阵。本文设计了具有任意相位差的新型结构贴片定向耦合器、小型化等功分和不等功分贴片定向耦合器:具有-45°相位差的等功分贴片定向耦合器，其中心频率6GHz处的实测相位差为-45.4°幅度差为0dB;小型化等功分贴片定向耦合器，其中心频率17GHz处的实测幅度差为0dB，|S11|＜-15dB的相对带宽为26.3％;功率分配比为1∶4的小型化贴片定向耦合器，其中心频率17GHz处的实测幅度差为5.8dB（理论值为6.0dB），|S11|＜-15dB的相对带宽为15.6％。上述定向耦合器的实测结果与理论设计吻合，验证了本文所提分析设计方法的有效性。 4.采用具有-45°相位差的定向耦合器设计了多波束天线的波束形成网络Butler矩阵。与由“正交定向耦合器和-45°移相器”组合而成的传统Butler矩阵相比，本文设计的Butler矩阵克服了由移相器所引起的阻抗不匹配、窄带宽和幅度不均衡等弊端。测试结果表明在中心频率6GHz处，Butler矩阵各输出端口的实测幅度差小于0.4dB，相位误差小于0.9°，|S11|＜-10dB的相对带宽为20.1％。