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 。
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