什么是定向耦合器
eeskill 2022-06-30

定向耦合器的工作原理

定向耦合器是微波测量和其它微波系统中常见的微波/毫米波部件,可用于信号的隔离、分离和混合,如功率的监测、源输出功率稳幅、信号源隔离、传输和反射的扫频测试等。它是一种有方向性的微波功率分配器,更是近代扫频反射计中不可缺少的部件,通常有波导、同轴线、带状线及微带等几种类型。

图1为其结构示意图。它主要包括主线和副线两部分,彼此之间通过种种形式小孔、缝、隙等进行耦合。因此,从主线端上“1”输入的功率,将有一部分耦合到副线中去,由于波的干涉或叠加,使功率仅沿副线-一个方向传输(称“正向”),而另一方向则几乎毫无功率传输(称“反向”)

图2为十字定向耦合器,耦合器中端口之一终端接一内装的匹配负载。

定向耦合器的应用

1、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),如下图所示。这种电路常见于室内分布系统,来自两路功率放大器的信号f1和f2经过3dB定向耦合器后,每路的输出均包含了f1和f2两个频率分量,每个频率分量的幅度减少3dB。如果将其中一个输出端接上吸收负载,另外一路输出可以作为无源互调测量系统的功率源。如果需要进一步提高隔离度,可以外加一些器件如滤波器和隔离器。一个良好设计的3dB电桥的隔离度可以做到33dB以上。

定向耦合器用于功率合成系统一

定向沟壑区作为功率合成的另外一种应用见下图(a)。在这个电路中,定向耦合器的方向性得到了巧妙的应用。假设两个耦合器的耦合度均为10dB,方向性均为25dB,则f1和f2端之间的隔离为45dB。如果f1和f2的输入均为0dBm,则合成后的输出均为-10dBm。与下图(b)中的Wilkinson耦合器(其隔离度典型值为20dB)相比,同样输入OdBm的信号,合成后还有-3dBm (未考虑插入损耗)。作为间样条件下的比较,我们将图(a)中的输入信号提高7dB,这样其输出就和图 (b)—致了,此时,图(a)中f1和f2端的隔离度“降低”为38 dB。最终的比较结果是,采用定向耦合器的功率合成方法要比Wilkinson耦合器高出18dB的隔离度。这种方案适用十放大器的互调测量。

定向耦合器用于功率合成系统二

2、用于接收机的抗干扰性测量或杂散测量

在射频测试和测量系统中,经常可以见到下图所示的电路。如果DUT (被测器件或设备)是接收机,则通过定向耦合器的耦合端可以向接收机注入一个邻道干扰信号,再通过接在定向耦合器的直通端的综合测试仪来测试接收机抗千扰性能。如果DUT是一台蜂窝手机,则通过接在定向耦合器耦合端的综合测试仪可以打开手机的发射机,再用频谱分析仪来测景手机的杂散输出。当然,在频谱分析仪前还要加一些滤波器电路,由于本例仅仅是讨论定向耦合器的应用,故略去了滤波器电路。

定向耦合器用于接收机的抗干扰测量或蜂窝手机的杂散测量

在这个测试电路中,定向耦合器的方向性至关重要,接在直通端的频谱分析仪只希望收到来自DUT的信号,而不希望收到来自耦合端的信号。

3、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,下图是定向耦合器用于蜂窝基站测量的典型应用,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。

定向耦合器用于基站测量

几乎所有的发射机都坷以采用这种方法进行在线取样和监测,可能也只有这种方法可以保证发射机在正常工作情况下的性能测试。但要说明的是,同样是发射机的测试,不同测试者的关注点是有所不同的。以WCDMA基站为例,运营商所关注的必然是其工作频段内(2110〜2170MHz)的指标,如信号质量、道内功率、邻道功率等,在这个前提下,制造商会在基站的输出端安装一个窄带(如2110〜2 170MHz)定向耦合器,以随时监测发射机的带内工作情况并送至控制中心。

如果是无线电频谱的监管者—无线电监测站来测软基站的指标,其关注点就完全不同,根据无线电管理规范的要求,测试频率范围被扩展到9kHz~12.75GHz,被测基站在如此宽的频段内会产生多少杂散辐射并干扰其他基站的正常工作?这是无线电监测站所关注的问题。此时,需要同样带宽的定向耦合器进行信号的取样,但是能覆盖9kHz~12.75GHz的定向耦合器似乎并不存在。我们知道,定向耦合器耦合臂的长度与其中心频率有关,一个超宽带的定向耦合器的带宽可以做到5~6倍频程,如0.5~18GHz,而500MHz以下的频段则无法覆盖到。

4、功率在线测量

在通过式功率测量技术中,定向耦合器是一个十分关键的器件。下图所示是典型的通过式大功率测最系统原理图,来自被测放大器的正向功率被定向耦合器正向耦合端(3端)取样出一小部分送至功率计,而来自负载的反射功率则被反向耦合端(4端)取样出一小部分送至功率计。

定向耦合器用于大功率测量

请注意:反向耦合端(4端)除了收到来自负载的反射功率以外,还会收到來自正向(1端)的泄漏功率,这是由定向耦合器的方向性所导致的。反射功率是测试者所希望测到的,而泄漏功率则是造成反射功率测量误差的主要来源。反射功率和泄漏功率在反向耦合端(4端)叠加后--起被送至功率计,由于二个信号的传输路径不同,所以是矢量叠加,如果输入到功率计的泄漏功率的大小可以和反射功率相比拟,则会产生很大的测量误差。

当然,来自负载(2端)的反射功率也会泄漏到正向耦合端(1端,上图中没有画出),但是其大小与正向功率相比非常小,所以对正向功率的测量所产生的误差可以忽略不计。

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