标签: 射频电路设计

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。