定向耦合器(射频工程师入门:定向耦合器)

在汽车雷达、5G蜂窝和物联网等射频(RF)应用中，电子系统中RF源的使用与日俱增。所有这些射频源都需要在不造成传输线路和负载损耗的情况下监测和控制射频功率水平。此外，有些应用需要大功率的发射机输出，因此设计人员需要尝试监控输出信号，而不是直接连接敏感的仪器，以避免高信号电平造成的损坏。

还有很多其他的挑战:如何在很宽的频率范围内确定射频负载(如天线)的特性；发射机在广播状态下如何监测负载变化和驻波比，防止大入射功率和放大器损坏等。


【资料图】

这些要求和挑战可以通过将定向耦合器连接到传输线路来解决。这种方法可以精确地监控线路中的RF能量流，并将功率水平降低一个已知的固定量。在采样过程中，定向耦合器对主信号的干扰最小。此外，前向和入射功率可以分开，允许监测回波损耗或驻波比，从而在广播期间提供负载变化反馈。

本文讨论了定向耦合器的工作原理，并介绍了Anaren、M/A-Com和ADI公司推出的三种拓扑结构及相关产品。然后，本文详细介绍了典型的产品特性，并展示了有效的使用方法。

什么是定向耦合器？

定向耦合器是一种测量设备，可连接在信号发生器、矢量 *** 分析仪、发射机等射频源与负载之间的传输线上，用于测量射频源到负载的射频功率(正向分量)和负载反射回射频源的功率(反射分量)。如果测量正向和反射分量，就可以计算出总功率、负载的回波损耗和驻波比。

三端口(左)和四端口定向耦合器(右)的示意符号。(来源:Digi-Key Electronics)通常情况下，电源接耦合器的输入端口，负载接输出或传输端口。耦合端口的输出是衰减的正向信号。衰减值如三端口设备原理图所示。在三端口设备中，隔离端口已在内部端接；在四端口设备中，该端口的输出与反射信号成比例。原理图符号中的箭头表示元件路径。例如，在四端口配置中，输入端口指向耦合端口，表示它接收正向分量，而输出端口连接到隔离端口，用于读取反射信号。端口号不是标准化的，因制造商而异。但是各个供应商的端口命名相对统一。

耦合器是对称器件，每个端口的连接是可互换的。对于三端口器件，反转输入和输出端口将使端口3成为隔离端口。在四端口器件中，反转输入和输出端口将使耦合和隔离端口可以互换。

耦合器的输出是射频信号。耦合到隔离端口的输出通常连接到峰值或均方根检波器，该检波器可以产生与正向和入射功率电平相关的基带信号。定向耦合器与相关的检测器结合形成反射计。

在某些情况下，两个定向耦合器可以背对背连接以形成双定向耦合器，从而最小化耦合端口和隔离端口之间的泄漏。

定向耦合器规格

定向耦合器有几个关键特性，包括带宽、额定输入功率、插入损耗、频率平坦度、耦合系数、方向性、隔离度和剩余电压驻波比(VSWR)。

带宽:耦合器的带宽表示频率范围，单位为赫兹。在这个频率范围内，耦合器可以在规范范围内工作。

额定输入功率:对于连续波(CW)和脉冲输入信号，耦合器具有更大额定输入功率，单位为瓦特。该值表示设备在不降低性能或造成物理损坏的情况下可以处理的更大功率。

插入损耗:用于描述设备接入主传输路径所造成的功率损耗，单位为分贝(dB)。

频率平坦度:频率平坦度是指主传输路径在设备特定带宽内的幅度响应变化。该值是输入信号频率变化的函数，单位为dB。

耦合系数:耦合系数是指耦合器所有端口正确端接时，耦合端口的输入功率与输出功率之比，单位为dB。这是定向耦合器的主要特性之一。耦合端口的输出与直通路径(从输入到输出)的功率水平成正比，比例系数是一个已知值。耦合端口的输出可以连接示波器等其他仪器，没有仪器过载的危险。

隔离:当所有端口都正确端接时，输入端口与隔离端口的功率比，以dB为单位。

方向性:当所有端口都正确端接时，耦合端口与隔离端口的功率比，以dB为单位。对于三端口耦合器，功率测量通常进行两次:一次是正常正向端接，一次是反向连接的输入和输出端口。该规格用于测量正向和反射分量的分离程度；一般来说，方向性越强，耦合器的性能越好。方向性无法直接测量，只能通过隔离度和反接隔离度的测量值来计算。

剩余VSWR:当耦合器的所有端口都正确端接时测得的驻波比。该值用于测量耦合器的固有阻抗匹配。

定向耦合器拓扑

定向耦合器的设计有几种实现方式，其中最常见的三种拓扑是射频变压器、电阻桥和耦合传输线。基于RF变压器的拓扑使用两个RF变压器(图2)。变压器T1用于检测输入和负载之间的主线路电流。另一个变压器T2用于检测主线路的接地电压。耦合系数取决于变压器的匝数比n。

基于RF变压器的定向耦合器拓扑使用两个RF变压器来检测主线路上的正向和反射分量。(图片来源:Digi-Key Electronics)通过结合耦合线上各变压器的感应电压，将结果相加，可以进行这类定向耦合器的理论运行分析(图3)。是Vin直流电压，VL是反射电压。

图3:通过分析耦合线上两个变压器的电压来分析基于变压器的耦合器。(来源:Digi-Key Electronics)上图中，为了计算耦合线上的耦合端口电压(VF ")和隔离端口电压(VR ")，连接了电流检测变压器，但去掉了电压检测变压器。同样，在下图中，可以通过移除电流检测变压器并在端口处连接电压检测变压器来计算VF”和VR”。耦合电压VF可以通过将VF’和VF”相加得到:

隔离端口电压等于反射电压的负数除以变压器的匝数比。负号表示反射电压与直流电压相差180°。

这种定向耦合器在很宽的频率范围内具有良好的性能。比如M/A-Com的MACP-011045的带宽范围是5到1225 MHz。这款基于变压器的耦合器耦合系数为23 dB，额定功率为10 W，隔离取决于频率。当频率范围低于30 MHz至高于1 GHz时，相应的隔离范围为45 dB至27 dB。该器件采用表贴封装，尺寸为6.35 mm x 7.11 mm x 4.1 mm，兼容大多数无线应用。

基于耦合传输线的耦合器由同轴电缆或印刷电路传输线组成。这种机制紧密排列两条或多条传输线(通常为1/4波长)，使得少量受控信号功率从主线泄漏到一条或多条耦合线。

使用耦合传输线的双向耦合器示例。传输线的长度通常是设计频带中心波长的1/4。(图片来源:Digi-Key Electronics)输入到连接端口1，大部分功率传输到连接端口2的负载。少量功率耦合到连接端口3和4的辅助线。端口3是耦合端口。该端口的功率水平占输入功率的百分比是固定的。耦合系数可以用来描述耦合端口的功率，这取决于耦合线的几何排列。入射电源耦合到端口4(隔离端口)。

Anaren的11302-20是典型的耦合传输线定向耦合器，频率范围为190 ~ 400 MHz，处理功率高达100 W，器件的标称耦合系数为20 dB，插入损耗为0.3 dB。采用封装表贴形式，尺寸为16.51 x 12.19 x 3.58 mm，可用于监控中功率发射机的功率电平和VSWR测量。这种耦合器的大小与频率范围有关。工作频率越低，长度越长。因此常用于UHF和高频应用，相应的设备尺寸较小。

定向耦合器的最后一种拓扑是定向桥，电路与经典的惠斯通电桥有关。ADI公司的ADL5920均方根和VSWR检波器采用这种拓扑结构(图5)。

ADI公司ADL5920均方根和VSWR检波器所用双向电桥的简化原理图。当所有端口都正确端接时，指向性为33 dB，如图所示。)ADL5920使用一个电阻电桥来分隔传输线路上的正向电压和反射电压。如图所示，当所有端口都正确端接时，可以计算出低频设备的理论指向性。的方向性为33分贝。在电桥中，VREV和VFWD输出信号传输至均方根级联检波器(动态范围为60 dB)。检测器输出可以以dB为单位线性读取。由正向输出和反射输出之差得出的第三输出电压与回波损耗成正比，单位为dB。桥基耦合器的频率范围为9 kHz至7 GHz，匹配负载为50 ω。额定功率为33 dBm (2 W)。当频率范围从10 MHz到7 GHz时，相应的插入损耗范围从0.9 dB到2 dB。该设备采用5 x 5 mm表面贴装封装，厚度为0.75 mm..

ADI公司为ADL5920推出ADL5920-evalz评估板。这款设备齐全的评估板需要连接5 V和200 mA电源。输入、输出和主输出通过2.92 mm连接器连接。下图显示了ADL5920(图6)所需的典型连接。评估板是轻松测试ADL5920的理想工具。

ADL5920-EALZ评估板的原理图显示了ADI公司ADL5920双向均方根和VSWR检波器所需的典型连接。(来源:ADI公司)电阻桥实现的定向耦合器提供了最宽的频率范围，基本接近直流(DC)。基于变压器和传输线的耦合器有更多的带宽限制，但其额定功率更高。

上述任何设备都可以提取输入功率样本，用于信号监控电路。功率电平、频率和调制度可以通过用示波器或频谱分析仪等传统仪器测量样本来确定。数据也可以集成到反馈环路中，以调整输出，使其保持在要求的范围内。

负载状态可以用电压驻波比(VSWR)来表示。使用耦合端口和隔离端口的输出(即直流电压和反射电压)，可以计算输出端口的负载VSWR。

摘要

定向耦合器是射频系统设计人员非常有用的测量设备。它不仅可以提供射频功率电平的幅度标度视图，还可以分离正向和反射信号分量，有助于负载特性分析。如上所述，目前有三种常见的耦合器拓扑结构可以提供这些输出，它们不仅封装紧凑，而且与无线设备兼容。

关键词： 耦合器