1. 反射系数测量的基本原理
对于N端口网络来说，在其他端口全部已经得到匹配的情况下（无反射），该端口的反射系数Γi等价于Sii参数，即
Vi-表示反射波电压，Vi+表示入射波电压。特殊地，该网络只有一个端口，比如天线，则反射系数等效于天线增益。
定向耦合器是一种互易无耗匹配的四端口网络，其散射矩阵[S]为如下形式
且须满足如下关系
其中当1为输入端口时， 2为直通端口， 3为耦合端口， 4为隔离端口。在理想情况下，没有功率传输到4端口。
由散射矩阵可以看出来，S12=S21=α，|S13|=|S31|=β，S14=S41=S23=S32=0。
定向耦合器性能与下面三个参量有关,注意此处为实际（测量）值，并非理想值，故|S14| >0.
耦合度C = 10lg（P1/P3）= -20lgβ dB
方向性 D = 10lg（P3/P4）= 20lg(β/|S14|) dB
隔离度 I = 10lg（P1/P4）= -20lg|S14| dB
2. 定向耦合器测反射系数的方法
如上图所示，橙色线表示DUT激励信号流向，紫色线表示DUT反射信号流向。
假设定向耦合器是理想的，方向性无穷大，隔离端无信号射出。
设V3，V4为端口3，端口4电压，DUT反射系数为Γ，则有
即是说对于理想的定向耦合器，按照如上述电路接法，则DUT端的反射系数，正比于V4和V3电压之比。若定向耦合器无损耗，则S12≈1，则V4/V3≈Γ 。
3. 5.8G贴片天线设计
打开ANSYS HFSS 2019 R2软件，选择Antenna Toolkit插件
在左边一栏选择插入时贴片天线，在右边选择中心频点5.8GHz，FR4板材，点击上方同步按钮，最后选择完成进行工程生成。
然后进行工程检查和仿真，
效果图
方向图如上图所示，3dB波束宽度约为130°
可以在回损曲线5.83G处看到一明显凹点，约为-12dB
将设计好的天线S参数进行导出
存盘命名为patch5.8G.sip,阻抗50Ω。
4. ADS系统仿真
建立如图所示的仿真原理图
首先放置System-Passive库中的理想双定向耦合器，系统自动命名为COUP1，耦合度为16 dB，方向性为100dB。
然后添加天线模型，SNP为Data Items库中的S1P元件，加载刚才生成的patch5.8G.sip文件。并连接到定向耦合器的2端口。
加载Sources-Freq Domain库的P_AC（交流功率源），阻抗为50Ω，连接到定向耦合器的1端口。
完成后在COUP1 端口3，端口4添加50Ω终端电阻和电压探针。
同时为SNP5添加终端电阻，以进行频点扫描。
最后添加S参数和AC扫描仿真相关参数，扫频范围为50MHz到8GHz。
5. 结果
上图左边为天线独立插损曲线，右图为定向耦合器端口4电压与端口3电压之比的分贝值，由仿真结果来看，凹点位置的频点有所偏移（+0.02GHz），幅值相差0.66dB。
关于定向耦合器法测量反射系数误差的进一步分析，可以参考David 的《微波工程》第三版第314页。可以确定的是，除去要保证各个端口尽可能的匹配之外，定向耦合器的方向性对于测量结果的准确性影响颇大。
上图是COUP1的方向性为10dB时的仿真结果，幅值相差超过11个dB。
也可将COUP1替换为S4P元件，加载厂方提供的S参数进行仿真，下图是mini-circuit的SCBD-16-63HP+贴片式双定向耦合器，典型使用频段为50MHz ~ 6000MHz。
仿真结果显示幅度误差约2.6dB，可以看到在6G朝上频段时，测量有较为明显的恶化。
6. 小结
定向耦合器法测量发射系数具有大功率和高频段的特点，且不易受到外界磁场的影响。另一种常用的方法即是使用射频电桥，具有大带宽和较高准确度，但受寄生参数影响较大，内部用来进行阻抗转换的巴伦含有磁性材料，不易做到高频段。
所以综合来讲，电桥法在低频段，微功率时使用更经济，准确度更高；而定向耦合器适用于高带宽，大功率，但由于提高方向性会显著提高成本，所以也限制了其应用场合。
参考资料：
1.《微波工程（第三版）》【美】David M.Pozar 等，电子工业出版社
2. ANSYS Electronics （2019 R2）HFSS Help
3. ADS 2015.01 Help
4. SCBD-16-63HP+ datasheet