定向耦合器的工作原理

定向耦合器是微波測量和其它微波系統(tǒng)中常見的微波/毫米波部件，可用于信號的隔離、分離和混合，如功率的監(jiān)測、源輸出功率穩(wěn)幅、信號源隔離、傳輸和反射的掃頻測試等。它是一種有方向性的微波功率分配器，更是近代掃頻反射計中不可缺少的部件，通常有波導(dǎo)、同軸線、帶狀線及微帶等幾種類型。

圖1為其結(jié)構(gòu)示意圖。它主要包括主線和副線兩部分，彼此之間通過種種形式小孔、縫、隙等進行耦合。因此，從主線端上“1”輸入的功率，將有一部分耦合到副線中去，由于波的干涉或疊加，使功率僅沿副線-一個方向傳輸（稱“正向”），而另一方向則幾乎毫無功率傳輸（稱“反向”）

圖2為十字定向耦合器，耦合器中端口之一終端接一內(nèi)裝的匹配負載。

定向耦合器的應(yīng)用

1、用于功率合成系統(tǒng)

在多載頻合成系統(tǒng)中，通常會用到3dB的定向耦合器（俗稱3dB電橋），如下圖所示。這種電路常見于室內(nèi)分布系統(tǒng)，來自兩路功率放大器的信號f1和f2經(jīng)過3dB定向耦合器后，每路的輸出均包含了f1和f2兩個頻率分量，每個頻率分量的幅度減少3dB。如果將其中一個輸出端接上吸收負載，另外一路輸出可以作為無源互調(diào)測量系統(tǒng)的功率源。如果需要進一步提高隔離度，可以外加一些器件如濾波器和隔離器。一個良好設(shè)計的3dB電橋的隔離度可以做到33dB以上。

定向耦合器用于功率合成系統(tǒng)一

定向溝壑區(qū)作為功率合成的另外一種應(yīng)用見下圖（a）。在這個電路中，定向耦合器的方向性得到了巧妙的應(yīng)用。假設(shè)兩個耦合器的耦合度均為10dB，方向性均為25dB，則f1和f2端之間的隔離為45dB。如果f1和f2的輸入均為0dBm，則合成后的輸出均為-10dBm。與下圖（b）中的Wilkinson耦合器（其隔離度典型值為20dB）相比，同樣輸入OdBm的信號，合成后還有-3dBm （未考慮插入損耗）。作為間樣條件下的比較，我們將圖（a）中的輸入信號提高7dB，這樣其輸出就和圖 （b）—致了，此時，圖（a）中f1和f2端的隔離度“降低”為38 dB。最終的比較結(jié)果是，采用定向耦合器的功率合成方法要比Wilkinson耦合器高出18dB的隔離度。這種方案適用十放大器的互調(diào)測量。

定向耦合器用于功率合成系統(tǒng)二

2、用于接收機的抗干擾性測量或雜散測量

在射頻測試和測量系統(tǒng)中，經(jīng)?？梢砸姷较聢D所示的電路。如果DUT （被測器件或設(shè)備）是接收機，則通過定向耦合器的耦合端可以向接收機注入一個鄰道干擾信號，再通過接在定向耦合器的直通端的綜合測試儀來測試接收機抗千擾性能。如果DUT是一臺蜂窩手機，則通過接在定向耦合器耦合端的綜合測試儀可以打開手機的發(fā)射機，再用頻譜分析儀來測景手機的雜散輸出。當然，在頻譜分析儀前還要加一些濾波器電路，由于本例僅僅是討論定向耦合器的應(yīng)用，故略去了濾波器電路。

定向耦合器用于接收機的抗干擾測量或蜂窩手機的雜散測量

在這個測試電路中，定向耦合器的方向性至關(guān)重要，接在直通端的頻譜分析儀只希望收到來自DUT的信號，而不希望收到來自耦合端的信號。

3、用于信號取樣和監(jiān)測

發(fā)射機的在線測量和監(jiān)測可能是定向耦合器最為廣泛的應(yīng)用之一，下圖是定向耦合器用于蜂窩基站測量的典型應(yīng)用，如果發(fā)射機的輸出功率為43dBm（20W），定向耦合器的耦合度為30dB，插入損耗（線路損耗加耦合損耗）為0.15dB，則耦合端有13dBm（20mW）的信號送到基站測試儀，定向耦合器的直通輸出為42.85dBm（19.3W），而泄漏到隔離端的功率則被一個負載吸收掉了。

定向耦合器用于基站測量

幾乎所有的發(fā)射機都坷以采用這種方法進行在線取樣和監(jiān)測，可能也只有這種方法可以保證發(fā)射機在正常工作情況下的性能測試。但要說明的是，同樣是發(fā)射機的測試，不同測試者的關(guān)注點是有所不同的。以WCDMA基站為例，運營商所關(guān)注的必然是其工作頻段內(nèi)（2110?2170MHz）的指標，如信號質(zhì)量、道內(nèi)功率、鄰道功率等，在這個前提下，制造商會在基站的輸出端安裝一個窄帶（如2110?2 170MHz）定向耦合器，以隨時監(jiān)測發(fā)射機的帶內(nèi)工作情況并送至控制中心。

如果是無線電頻譜的監(jiān)管者—無線電監(jiān)測站來測軟基站的指標，其關(guān)注點就完全不同，根據(jù)無線電管理規(guī)范的要求，測試頻率范圍被擴展到9kHz~12.75GHz，被測基站在如此寬的頻段內(nèi)會產(chǎn)生多少雜散輻射并干擾其他基站的正常工作？這是無線電監(jiān)測站所關(guān)注的問題。此時，需要同樣帶寬的定向耦合器進行信號的取樣，但是能覆蓋9kHz~12.75GHz的定向耦合器似乎并不存在。我們知道，定向耦合器耦合臂的長度與其中心頻率有關(guān)，一個超寬帶的定向耦合器的帶寬可以做到5~6倍頻程，如0.5~18GHz，而500MHz以下的頻段則無法覆蓋到。

4、功率在線測量

在通過式功率測量技術(shù)中，定向耦合器是一個十分關(guān)鍵的器件。下圖所示是典型的通過式大功率測最系統(tǒng)原理圖，來自被測放大器的正向功率被定向耦合器正向耦合端（3端）取樣出一小部分送至功率計，而來自負載的反射功率則被反向耦合端（4端）取樣出一小部分送至功率計。

定向耦合器用于大功率測量

請注意：反向耦合端（4端）除了收到來自負載的反射功率以外，還會收到來自正向（1端）的泄漏功率，這是由定向耦合器的方向性所導(dǎo)致的。反射功率是測試者所希望測到的，而泄漏功率則是造成反射功率測量誤差的主要來源。反射功率和泄漏功率在反向耦合端（4端）疊加后--起被送至功率計，由于二個信號的傳輸路徑不同，所以是矢量疊加，如果輸入到功率計的泄漏功率的大小可以和反射功率相比擬，則會產(chǎn)生很大的測量誤差。

當然，來自負載（2端）的反射功率也會泄漏到正向耦合端（1端，上圖中沒有畫出），但是其大小與正向功率相比非常小，所以對正向功率的測量所產(chǎn)生的誤差可以忽略不計。

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