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 。
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、矢量网络分析仪、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，耦合器具有最大额定输入功率，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最大功率 。
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 。
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