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。

 

今天我们一起来回顾一下定向耦合器的基础知识。

 

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[1]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。