标签: 定向耦合器

定向耦合器是射频电路设计中常用的一种射频无源器件，它将线路中传输的射频功率耦合到另一个线路里。定向耦合器的基本特征是它只将信号耦合到指定的方向。 1. 概述 定向耦合器是一种四端口网络： 定向耦合器是无源和可逆网络。理论上，定向耦合器是无耗电路，而且其各个端口均应是匹配的。图 1 （ b ）定义了定向耦合器各端口的属性。当信号从端口 1 输入时，大部分信号从端口 2 直通输出，其中一小部分信号从端口 3 耦合出来，端口 4 通常接一个匹配负载。如果要将定向耦合器反过来使用，则端口 1 和 2 ，端口 3 和 4 的属性要互换定义。定向耦合器可以由同轴，波导，微带和带状线电路构成。通常，定向耦合器用于信号取样以进行测量和监测，信号分配及合成；此外，作为网络分析仪，天线分析仪和通过式功率计 等测试仪器的核心部件，定向耦合器所起的作用是正向和反射信号的取样。定向耦合器的方向性是一项至关重要的指标，尤其是作为信号合成和反射测量应用时。 2. 定向耦合器的指标 如图 1 （ b ）所示，在理想情况下，当信号功率从端口 1 输入时，输出功率只应出现在端口 2 和端口 3 ，而端口 4 是完全隔离的，没有功率输出。但是在实际情况下，总有一些功率会泄漏到端口 4 。设端口 1 的输入功率为 P1 ，端口 2 ， 3 和 4 的输出功率分别为 P2 ， P3 和 P4 ，则定向耦合器的特性可以由耦合度，插入损耗，隔离度和方向性等四项指标来表征，单位均为 dB 。请注意在以下的描述中，所有的指标均表示为正数，而在实际应用中，则是用负数来进行各种计算的。 耦合度： 耦合度表示从端口 1 输入的功率和被耦合到端口 3 部分的比值，表示为： 耦合度 (C) = 10 × log(P1 /P3) 插入损耗： 插入损耗表示从端口 1 到端口 2 的能量损耗，表示为： 插入损耗 (IL)= 10 × log(P1 /P2) 请注意端口 1 的输入功率有一部分功率是被耦合到端口 3 的，所以应导入一个“耦合损耗”的概念，下表表示了在各种耦合度下的耦合损耗值： 通常所说的从端口 1 到端口 2 的插入损耗是传输损耗和耦合损耗之和。在定向耦合器的产品说明中通常会对此加以特别说明。当定向耦合器用于测试和测量时，选取的耦合度比较小，如 20dB 或 30dB 甚至更小；而作为功率合成系统或者信号分配系统应用时，则会采用比较大的耦合度，如 3dB ， 5dB 和 7dB 等。 隔离度： 前面提到，在理想的定向耦合器中，端口 4 是没有功率输出的，而实际上总会有一些功率从这个端口泄漏出来，这就是隔离度的指标，表示为： 隔离度 (I) = 10 × log(P1 /P4) 方向性： 端口 3 的输出功率和端口 4 输出功率之间的比值定义为方向性，表示为： 方向性 (D) = 10 × log(P3 /P4) 需要特别说明的是耦合度，隔离度和方向性之间的关系为： 方向性 (D)= 隔离度 (I) - 耦合度 (C) 耦合度是一项设计指标，是根据使用要求而选定的，通常为 6 、 10 、 20 和 30dB ，这样隔离度指标也随之而变化；而方向性则是一个常数。在大部分定向耦合器的指标中，通常只标出方向性指标，隔离度指标可以根据耦合度计算出来。如： 耦合度 (C) = 30dB ， 方向性 (D) = 25dB ， 则隔离度 (I) = 30 + 25 = 55dB 3 几种常见的耦合器 3.1 平行线耦合器 3.2 分支线耦合器 3.3 波导定向耦合器 3.4 Lange 耦合器 4 定向耦合器的应用 无论是测试和测量应用还是系统内部应用，定向耦合器都是一种应用极为广泛的微波器件，以下举例说明。 4.1 定向耦合器用于功率合成系统： 在多载频合成系统中，通常会用到 3dB 的定向耦合器（俗称 3dB 电桥），如图 2 。 图 2 的电路常见于互调测量系统和多载频的室内分布系统中。在这些应用中，要求定向耦合器有很高的方向性（隔离度）以避免信号源之间产生额外的互调分量，为了提高隔离度，也可以外加一些器件如滤波器或铁氧体隔离器来改善。图示 3dB 定向耦合器（ P/N 753345 ）的频率范围为 800-2170MHz ，方向性高达 30dB ，换算成隔离度为 33dB 。 4.2 用于信号取样和监测： 发射机的在线测量和监测可能是定向耦合器最为广泛的应用之一。 图 3 是一个蜂窝基站的典型测量应用，如果发射机的输出功率为 43dBm （ 20W ），定向耦合器的耦合度为 30dB ，插入损耗（线路损耗加耦合损耗）为 0.15dB ，则耦合端有 13dBm （ 20mW ）的信号送到基站测试仪，定向耦合器的直通输出为 42.85dBm （ 19.3W ），而泄漏到隔离端的功率则被一个负载吸收掉了 4.3 用于功率和 VSWR 测量（反射功率计）： 作为通过式功率计的核心器件，定向耦合器可用于正向和反射功率的取样，见图 4 。 其中端口 3 用于检测正向功率，端口 4 用于检测反射功率。请注意在这种应用场合，定向耦合器的方向性（隔离度）指标对测试精度至关重要，尤其是反射功率的测试精度。假设发射机的输出功率为 50dBm （ 100W ），被测负载的驻波比为 1.5 （反射功率为 4W ），定向耦合器的耦合度为 30dB 。假如隔离度为无穷大，则在端口 4 测到的功率即为反射功率（ 4mW ）。但由于隔离度不可能为无穷大，出现在端口 4 的除了真正的反射功率以外，还有一部分从端口 1 泄漏过来的功率，这二部分功率矢量叠加后，功率计认为这些都是反射功率，从而导致了测试误差。 关注公众号“优特美尔商城”，获取更多电子元器件知识、电路讲解、型号资料、电子资讯，欢迎留言讨论。

　　 引言 　　驻波比（VSWR）是用来测量射频电路中阻抗失配度的指标。驻波比过大会将会影响通信距离，降低信息传输的质量，并且会导致射频电路出现一系列问题。位于天线前端的功率放大器是对驻波恶化最为敏感的部件，反射功率返回到功率放大器中，情况严重时可导致高功率放大器造成永久性损坏，我们通常称之为驻波失效。在这种情况出现时，对高功率放大器进行有效的保护是十分重要的。 　　沿着传输线传输的电压和电流是通过某特定比值联系起来的，这个特定比值称之为特性阻抗Z0。当功率放大器输出端接有与传输线特性阻抗相等的负载时，射频能量将全部传送到负载上，而阻抗失配将导致驻波的产生。当阻抗失配时，入射波电压与反射波电压相叠加，在传输路径上将产生电压的最大值Vmax和最小值Vmin，定义Vmax/Vmin为电压驻波比VSWR。 　　我们知道： 　　如果反射系数已知，就可以计算出驻波比： 　　这里Vi是入射波电压，Vr为反射波电压，Z0为特性阻抗，Z1为负载阻抗。反射系数 。 　　由此看来，功率放大器驻波比的测量与保护的问题最终可以归结为功率放大器输出端正、反向功率检测，以及使用合适的电路方案实现对功放部件实施保护的问题。 　　 射频功率检测 　　传统的检波电路是利用二极管半波整流特性实现的，其输出检波电压正比于输入电压，与输入功率成指数关系。带有温度补偿的二极管检波器在较大的检波输入功率条件下（+10～+15dBm）可以具备很好的性能，而当输入功率降低时，其性能会急剧恶化。因此，在发送信号的峰值-平均功率比不固定的时候，便难以做到对功率的精确测量。此外，二极管检波电路工作频带相对较窄，在宽带场合应用时会造成检波平坦度的恶化，导致全频带范围内检波值的一致性无法满足要求。 　　相比较而言，真有效值对数检波器的动态范围更宽，最高的可以达到100dB。并且其线性特性和温度稳定性也能够在整个动态范围内保持恒定，最重要的一点是，真有效值对数检波器的输出检波电压与输入信号电平成正比，也就是通常我们所说的具有对数响应特性。对数检波器的对数响应特性使其在驻波比检测和增益测量方面得到了广泛的应用。本文所提出的驻波保护电路方案中使用的是ADI公司的一款真有效值功率检测器AD8362，它适用于测量无线通信设备所通用的复合调制波形，包括峰值因数（峰值-平均功率比）不断变化的复杂调制信号。在整个动态范围和-45℃～+85℃的温度范围内保证有优良的精度和温度稳定性。 AD8362提供以分贝（dB）为单位、经过精确标定的50mV/dB线性输出电压，动态范围超过60dB。另外，AD8362的工作频率上限可高达2.7GHz，非常适合宽频带应用。 　　 功率放大器过驻波保护电路方案 　　在大功率无线通信发送设备中，为了对射频功率放大器实施有效的输出驻波比检测和保护，系统通常要求：当功率放大器输出驻波小于等于3时，功率放大器正常工作；当输出驻波位于3和6之间时输出功率降低10dB；当输出驻波大于6时立即关闭功放以对功放实施保护。 　　根据系统要求笔者设计了图1所示的驻波检测和保护控制电路，电路中使用了定向耦合器、AD8362真功率对数检波器、单电源运算放大器、门限比较器以及衰减器。衰减器可以用∏型电阻网络实现。在射频频段，定向耦合器可以用宽边耦合带状线实现，该类定向耦合器的具有尺寸小、损耗低、耦合平坦度及方向性好等优点。下面我们针对图1所示电路方案进行分析。 图1  驻波检测电路原理图 　　图1中Pf代表从功率放大器输出至天线的功率，我们称之为入射波功率；Pr代表从天线端反射的功率，我们称之为反射波功率。入射波功率和反射波功率的单位都为mW。假定定向耦合器的耦合度为C，方向性为D，正反向检波支路上的衰减器的衰减量为A，那么可以很容易地由图1得出： 　　入射波耦合到正向检波支路入口处的电平值为： 　　反射波耦合到正向检波支路入口处的电平值为： 　　那么，正向检波支路入口处的总功率为 ，对应的电平值为 　　同样可以得到，反向检波支路入口处的总功率为 ，对应的电平值为 　　因为AD8362的检波特性函数可以表示为： ，也就是 ，即输出检波电压和检波器输入电平呈线性关系。 　　因此正向检波输出电压 和反向检波输出电压 分别为： 　　根据反射系数的定义，知道： 　　将（6）式代入（5）式可以得到： 　　从公式（7）可以看出，定向耦合器的耦合度C对于正反向两路检波器的差值是没有影响的，但定向耦合器的方向性对其的影响是显著的。用matlab工具画出与反射系数之间的关系曲线（图2）。 图2  用matlab工具画出与反射系数之间的关系曲线 　　从图2中的曲线可以看出，与反射系数呈现单调的函数关系，也就是说，当值确定以后，就可以由公式（7）唯一地确定。随着方向性D的增大，对应于不同反射系数的值之间的差别相应增大，这有利于我们在实际应用中针对不同的驻波情况进行处理。相反，随着方向性D的减小，曲线的变化趋于平缓，不同的反射系数对应的之间的差别减小，很难针对不同的驻波情况进行区分和保护。这个结果对定向耦合器的方向性指标提出了要求，通常情况下，方向性在15dB以上就能够很好地满足实际需求了。 　　我们可以很容易地根据驻波比与反射系数的数学关系： 计算出当VSWR等于3和6时分别对应的反射系数分别为1/2和5/7。将该值代入（7）式中，并且假定定向耦合器的方向性为20dB，就可以得到驻波比为3和6时正反向检波电压之差分别为0.29和0.14。我们将检波器之后连接的运算放大器的增益设定为10，那么。有了这样的关系，可以将运算放大器的输出和已设定的两个门限相比较，当时，功放正常工作；当时，控制电路控制衰减器使功放输出衰减10dB；当时，控制电路关闭功放，同时向系统发出高电平-过驻波告警信号。 　　 结语 　　实时的驻波比检测和保护电路是完整射频功放电路设计中不可缺少的部分，利用对数检波器结合定向耦合器、运算放大器电路和相应控制电路实现的实时驻波门限检测电路，简化了实际电路的设计过程，提高了驻波比检测的准确度。电路试验表明，本文所提出的方案能够高精度地检测射频功放电路的输出驻波状态，并能及时、有效地对功放输出负载发生变化时作出反应，极大地提高了功率放大器的可靠性。 　　 参考文献： 　　   Steve C. Cripps,RF Power Amplifier for Wireless Communications，1999. 　　   清华大学《微带电路》编写组，微带电路，人民邮电出版社，1979. 　　   R. Brounley,“Mismatched Load Characterization for High-Power Amplifiers,” High Frequency Elec-tronics,April 2004. 　　   50Hz to 2.7GHz 60dB TruPwr Detector，Analog Device，Inc.，2004. 　　   ImprovingTemperature，Stability，and Linearity of High Dynamic Range RMS RF Power Detectors.Application note AN-653，Analog Device，Inc.，2003.