【導讀】汽車(chē)雷達、5G 蜂窩、物聯(lián)網(wǎng)等射頻 (RF) 應用中，電子系統對射頻源的使用量與日俱增。所有這些射頻源都需要設法監測和控制射頻功率水平，同時(shí)又不能造成傳輸線(xiàn)和負載的損耗。
汽車(chē)雷達、5G 蜂窩、物聯(lián)網(wǎng)等射頻 (RF) 應用中，電子系統對射頻源的使用量與日俱增。所有這些射頻源都需要設法監測和控制射頻功率水平，同時(shí)又不能造成傳輸線(xiàn)和負載的損耗。此外，某些應用需要大功率發(fā)射器輸出，因此設計人員需要設法監測輸出信號，而非直接連接敏感儀器，以免受高信號電平影響導致?lián)p壞。
另外還有諸多其他挑戰：在較寬的頻率范圍內如何確定射頻負載（如天線(xiàn)）的特性；在發(fā)射器處于廣播狀態(tài)時(shí)如何監測負載變化和駐波比，以防止大反射功率和放大器損壞等。
只需將定向耦合器接入傳輸線(xiàn)，這些要求和挑戰便可迎刃而解。此方法可精確監測線(xiàn)路中的射頻能量流，同時(shí)將功率水平降低已知的固定量。在采樣過(guò)程中，定向耦合器對主線(xiàn)信號的干擾極小。此外，還能分離正向和反射功率，允許監測回波損耗或駐波比，從而在廣播時(shí)提供負載變化反饋。
本文討論了定向耦合器的操作，介紹了三種拓撲及 Anaren、M/A-Com 和 Analog Devices 推出的相關(guān)產(chǎn)品。然后，本文詳細介紹了典型的產(chǎn)品特征，并展示了有效的使用方法。
什么是定向耦合器？
定向耦合器是一種測量設備，可接入信號發(fā)生器、矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀和發(fā)射器等射頻源與負載之間的傳輸線(xiàn)，用于測量從射頻源到負載的射頻功率（正向分量），以及從負載反射回射頻源的功率（反射分量）。若測得正向和反射分量，即可計算總功率、負載的回波損耗和駐波比。
三端口（左）和四端口定向耦合器（右）的原理圖符號。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）通常情況下，電源連接耦合器的輸入端口，負載則連接輸出或傳輸端口。耦合端口輸出是衰減后的正向信號。衰減值如三端口設備原理圖中所示。在三端口設備中，隔離端口已在內部端接；而在四端口設備中，該端口輸出與反射信號成正比。原理圖符號內的箭頭表示分量路徑。例如，在四端口配置中，輸入端口指向耦合端口，表明它接收了正向分量，而輸出端口連接隔離端口，后者用于讀取反射信號。端口號并未標準化，因制造商不同而有所差異。不過(guò)，各個(gè)供應商的端口命名相對統一。
耦合器是對稱(chēng)設備，各端口連接可互換。對于三端口設備，反接輸入和輸出端口會(huì )使端口 3 成為隔離端口。在四端口設備中，反接輸入和輸出端口會(huì )使耦合和隔離端口互換。
耦合器的輸出為射頻信號。耦合和隔離端口的輸出通常連接峰值或 RMS 檢測器，后者可產(chǎn)生與正向和反射功率電平相關(guān)的基帶信號。定向耦合器與相關(guān)檢測器組合構成反射計。
在某些情況下，兩個(gè)定向耦合器背靠背連接可形成雙定向耦合器，以便最大程度地減少耦合端口和隔離端口之間的泄漏。
定向耦合器規格
定向耦合器具有幾個(gè)關(guān)鍵特性，包括帶寬、額定輸入功率、插入損耗、頻率平坦度、耦合系數、方向性、隔離度和殘余電壓駐波比 (VSWR)。
帶寬：耦合器的帶寬表示頻率范圍，以赫茲為單位。在該頻率范圍內，耦合器可在規格范圍內工作。
額定輸入功率：對于連續波 (CW) 和脈沖輸入信號，耦合器具有最大額定輸入功率，以瓦特為單位。該值表示在不降低性能或造成物理?yè)p壞的情況下，設備可處理的最大功率。
插入損耗：用于描述設備接入主傳輸路徑而引起的功率損耗，以分貝 (dB) 為單位。
頻率平坦度：頻率平坦度指在設備特定帶寬內主傳輸路徑的幅值響應變化，該值是輸入信號頻率變化的函數，以 dB 為單位。
耦合系數：耦合系數是指耦合器所有端口正確端接時(shí)，輸入功率與耦合端口輸出功率的比值，以 dB 為單位。這是定向耦合器的主要特性之一。耦合端口的輸出與直通路徑（從輸入到輸出）的功率水平成正比，比例系數為已知值。耦合端口輸出可連接示波器等其他儀器，而不存在儀器過(guò)載的危險。
隔離度：所有端口正確端接時(shí)，輸入端口與隔離端口的功率比值，以 dB 為單位。
方向性：所有端口正確端接時(shí)，耦合端口與隔離端口的功率比值，以 dB 為單位。對于三端口耦合器，通常進(jìn)行兩次功率測量：一次在正常正向端接情況下進(jìn)行，另一次則在輸入和輸出端口反接的情況下進(jìn)行。該規格用于衡量正向和反射分量的分離程度；通常，方向性越大，耦合器的性能越好。方向性不能直接測量，只能通過(guò)隔離度和反接隔離度的測量值來(lái)計算。
殘余 VSWR：耦合器所有端口正確端接時(shí)測得的駐波比。該值用于衡量耦合器的固有阻抗匹配。
定向耦合器拓撲
定向耦合器設計可通過(guò)若干方式實(shí)現，其中三種最常見(jiàn)的拓撲分別是射頻變壓器、電阻橋和耦合傳輸線(xiàn)?；谏漕l變壓器的拓撲使用兩臺射頻變壓器（圖 2）。其中，變壓器 T1 用于檢測輸入和負載之間的主線(xiàn)電流。另一變壓器 T2 用于檢測主線(xiàn)的對地電壓。耦合系數取決于變壓器匝數比 N。
基于射頻變壓器的定向耦合器拓撲使用兩臺射頻變壓器來(lái)檢測主線(xiàn)上的正向和反射分量。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）通過(guò)結合耦合線(xiàn)上每臺變壓器的感應電壓，再將結果相加，即可對這類(lèi)定向耦合器進(jìn)行理論操作分析（圖 3）。Vin 是正向電壓，VL 是反射電壓。
圖 3：通過(guò)分析耦合線(xiàn)上兩臺變壓器的電壓，對基于變壓器的耦合器進(jìn)行分析。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）上圖中，為了計算耦合線(xiàn)上的耦合端口電壓 (VF'') 和隔離端口電壓 (VR'')，接入電流檢測變壓器，但移除了電壓檢測變壓器。同樣，下圖中移除了電流檢測變壓器，在端口接入電壓檢測變壓器，即可計算 VF" 和 VR"。耦合端口電壓 VF 可通過(guò) VF'' 與 VF" 相加求得：
隔離端口電壓等于反射電壓除以變壓器匝數比的負數。負號表示反射電壓與正向電壓 180° 異相。
這類(lèi)定向耦合器在較寬的頻率范圍內性能良好，例如 M/A-Com 的 MACP-011045 帶寬范圍為 5 至 1225 MHz。這款基于變壓器的耦合器耦合系數為 23 dB，額定功率為 10 W。隔離度取決于頻率，頻率范圍從 30 MHz 以下至 1 GHz 以上時(shí)，對應的隔離度范圍為 45 dB 至 27 dB。該設備采用表面貼裝封裝，尺寸為 6.35 mm x 7.11 mm x 4.1 mm，因此可兼容大多數無(wú)線(xiàn)應用。
基于耦合傳輸線(xiàn)的耦合器由同軸電纜或印刷電路傳輸線(xiàn)構成。該機制將兩條或多條傳輸線(xiàn)（長(cháng)度通常為波長(cháng)的 1/4）緊密排列，從而使少量受控的信號功率從主線(xiàn)泄漏到一條或多條耦合線(xiàn)
使用耦合傳輸線(xiàn)的雙定向耦合器示例。傳輸線(xiàn)長(cháng)度通常為設計頻帶中心波長(cháng)的 1/4。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）輸入連接端口 1，大部分功率傳輸至連接端口 2 的負載。少量功率耦合到連接端口 3 和 4 的輔線(xiàn)。端口 3 是耦合端口。該端口的功率水平占輸入功率的百分比值固定。耦合系數可用于描述耦合端口功率，取決于耦合線(xiàn)的幾何排布。反射功率耦合到端口 4（隔離端口）。
Anaren 的 11302-20 是典型的耦合傳輸線(xiàn)定向耦合器，頻率范圍為 190 至 400 MHz，可處理功率高達 100 W。該設備的標稱(chēng)耦合系數為 20 dB，插入損耗為 0.3 dB。封裝采用表面貼裝形式，尺寸為 16.51 x 12.19 x 3.58 mm，可用于監測中等功率發(fā)射器的功率水平和 VSWR 測量。這類(lèi)耦合器的尺寸與頻率范圍有關(guān)，工作頻率越低，長(cháng)度越長(cháng)。因此，常用于 UHF 和高頻應用，對應的設備尺寸較小。
最后一種定向耦合器拓撲是定向橋，電路與經(jīng)典的惠斯通電橋有關(guān)。Analog Devices 的 ADL5920 RMS 和 VSWR 檢測器采用了該拓撲（圖 5）。
Analog Devices 的 ADL5920 RMS 和 VSWR 檢測器所用的雙向電橋簡(jiǎn)化原理圖。在所有端口正確端接的情況下，分析得出方向性為 33 dB，計算如圖所示）ADL5920 使用電阻橋來(lái)分離傳輸線(xiàn)上的正向和反射電壓。如圖所示，在所有端口正確端接的情況下，可計算出低頻設備的理論方向性。求得的方向性為 33 dB。電橋中，VREV 和 VFWD 輸出信號傳輸至 RMS 級聯(lián)檢測器（動(dòng)態(tài)范圍為 60 dB）。檢測器輸出可線(xiàn)性讀取，以 dB 為單位。由正向輸出和反射輸出之差得出的第三輸出電壓與回波損耗成正比，以 dB 為單位?；陔姌虻鸟詈掀黝l率范圍為 9 kHz 至 7 GHz，匹配負載為 50 ? 時(shí)，額定功率為 33 dBm (2 W)。頻率范圍為 10 MHz 至 7 GHz 時(shí)，對應的插入損耗范圍為 0.9 dB 至 2 dB。該設備采用 5 x 5 mm 表面貼裝封裝，厚度為 0.75 mm。
Analog Devices 針對 ADL5920 推出了 ADL5920-EVALZ 評估板。這款配置齊全的評估板需要連接 5 V、200 mA 電源。輸入、輸出以及主要輸出均通過(guò) 2.92 mm 連接器連接。以下原理圖顯示了 ADL5920 所需的典型連接（圖 6）。該評估板是輕松試用 ADL5920 的理想工具。
ADL5920-EALZ 評估板原理圖顯示了 Analog Devices 的 ADL5920 雙向 RMS 和 VSWR 檢測器所需的典型連接。（圖片來(lái)源：Analog Devices）以電阻橋實(shí)現的定向耦合器提供的頻率范圍最寬，基本接近直流 (DC)?；谧儔浩骱蛡鬏斁€(xiàn)的耦合器帶寬限制較多，但額定功率更大。
上述設備中任何一類(lèi)都可提取輸入功率樣本以用于信號監控電路。借助示波器或頻譜分析儀等傳統儀器來(lái)測量所得樣本，即可確定功率水平、頻率和調制度。數據也可以整合到反饋回路，從而調整輸出以保持在所需范圍內。
負載狀態(tài)可由電壓駐波比 (VSWR) 表示。使用耦合端口和隔離端口的輸出（即正向電壓和反射電壓），即可計算輸出端口的負載 VSWR。
總結
對于射頻系統設計人員而言，定向耦合器是相當有用的測量設備。它不僅可提供射頻功率電平的幅值比例視圖，還可分離正向和反射信號分量，有助于負載特性分析。如上所述，目前共有三種常用耦合器拓撲可提供這些輸出，不僅封裝小巧，而且兼容無(wú)線(xiàn)設備。
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