[分享] 射频定向耦合器的基本原理及有效使用方法

        汽车雷达、5G 蜂窝、物联网等射频 (RF) 应用中，电子系统对射频源的使用量与日俱增。所有这些射频源都需要设法监测和控制射频功率水平，同时又不能造成传输线和负载的损耗。此外，某些应用需要大功率发射器输出，因此设计人员需要设法监测输出信号，而非直接连接敏感仪器，以免受高信号电平影响导致损坏。

        另外还有诸多其他挑战：在较宽的频率范围内如何确定射频负载（如天线）的特性；在发射器处于广播状态时如何监测负载变化和驻波比，以防止大反射功率和放大器损坏等。
        只需将定向耦合器接入传输线，这些要求和挑战便可迎刃而解。此方法可精确监测线路中的射频能量流，同时将功率水平降低已知的固定量。在采样过程中，定向耦合器对主线信号的干扰极小。此外，还能分离正向和反射功率，允许监测回波损耗或驻波比，从而在广播时提供负载变化反馈。

        本文讨论了定向耦合器的操作，介绍了三种拓扑及 Anaren、M/A-Com 和 Analog Devices 推出的相关产品。然后，本文详细介绍了典型的产品特征，并展示了有效的使用方法。

什么是定向耦合器？

        定向耦合器是一种测量设备，可接入信号发生器、矢量网络分析仪和发射器等射频源与负载之间的传输线，用于测量从射频源到负载的射频功率（正向分量），以及从负载反射回射频源的功率（反射分量）。若测得正向和反射分量，即可计算总功率、负载的回波损耗和驻波比。

定向耦合器的四端口电路可配置为三端子或四端子设备（图 1）。

通常情况下，电源连接耦合器的输入端口，负载则连接输出或传输端口。耦合端口输出是衰减后的正向信号。衰减值如三端口设备原理图中所示。在三端口设备中，隔离端口已在内部端接；而在四端口设备中，该端口输出与反射信号成正比。原理图符号内的箭头表示分量路径。例如，在四端口配置中，输入端口指向耦合端口，表明它接收了正向分量，而输出端口连接隔离端口，后者用于读取反射信号。端口号并未标准化，因制造商不同而有所差异。不过，各个供应商的端口命名相对统一。

耦合器是对称设备，各端口连接可互换。对于三端口设备，反接输入和输出端口会使端口 3 成为隔离端口。在四端口设备中，反接输入和输出端口会使耦合和隔离端口互换。
耦合器的输出为射频信号。耦合和隔离端口的输出通常连接峰值或 RMS 检测器，后者可产生与正向和反射功率电平相关的基带信号。定向耦合器与相关检测器组合构成反射计。
在某些情况下，两个定向耦合器背靠背连接可形成双定向耦合器，以便最大程度地减少耦合端口和隔离端口之间的泄漏。

定向耦合器规格

定向耦合器具有几个关键特性，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、隔离度和残余电压驻波比 (VSWR)。

带宽：耦合器的带宽表示频率范围，以赫兹为单位。在该频率范围内，耦合器可在规格范围内工作。
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，以瓦特为单位。该值表示在不降低性能或造成物理损坏的情况下，设备可处理的最大功率。
插入损耗：用于描述设备接入主传输路径而引起的功率损耗，以分贝 (dB) 为单位。
频率平坦度：频率平坦度指在设备特定带宽内主传输路径的幅值响应变化，该值是输入信号频率变化的函数，以 dB 为单位。
耦合系数：耦合系数是指耦合器所有端口正确端接时，输入功率与耦合端口输出功率的比值，以 dB 为单位。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，比例系数为已知值。耦合端口输出可连接示波器等其他仪器，而不存在仪器过载的危险。
隔离度：所有端口正确端接时，输入端口与隔离端口的功率比值，以 dB 为单位。
方向性：所有端口正确端接时，耦合端口与隔离端口的功率比值，以 dB 为单位。对于三端口耦合器，通常进行两次功率测量：一次在正常正向端接情况下进行，另一次则在输入和输出端口反接的情况下进行。该规格用于衡量正向和反射分量的分离程度；通常，方向性越大，耦合器的性能越好。方向性不能直接测量，只能通过隔离度和反接隔离度的测量值来计算。
残余 VSWR：耦合器所有端口正确端接时测得的驻波比。该值用于衡量耦合器的固有阻抗匹配。

定向耦合器拓扑

定向耦合器设计可通过若干方式实现，其中三种最常见的拓扑分别是射频变压器、电阻桥和耦合传输线。基于射频变压器的拓扑使用两台射频变压器（图 2）。其中，变压器 T1 用于检测输入和负载之间的主线电流。另一变压器 T2 用于检测主线的对地电压。耦合系数取决于变压器匝数比 N。

通过结合耦合线上每台变压器的感应电压，再将结果相加，即可对这类定向耦合器进行理论操作分析（图 3）。Vin 是正向电压，VL 是反射电压。

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')，接入电流检测变压器，但移除了电压检测变压器。同样，下图中移除了电流检测变压器，在端口接入电压检测变压器，即可计算 VF" 和 VR"。耦合端口电压 VF 可通过 VF' 与 VF" 相加求得：
公式 1
因此，耦合端口电压等于输入电压除以变压器匝数比。
同理，VR' 与 VR" 相加可求得隔离端口电压：
公式 2
隔离端口电压等于反射电压除以变压器匝数比的负数。负号表示反射电压与正向电压 180° 异相。

这类定向耦合器在较宽的频率范围内性能良好，例如 M/A-Com 的 MACP-011045 带宽范围为 5 至 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。隔离度取决于频率，频率范围从 30 MHz 以下至 1 GHz 以上时，对应的隔离度范围为 45 dB 至 27 dB。该设备采用表面贴装封装，尺寸为 6.35 mm x 7.11 mm x 4.1 mm，因此可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构成。该机制将两条或多条传输线（长度通常为波长的 1/4）紧密排列，从而使少量受控的信号功率从主线泄漏到一条或多条耦合线（图 4）。

输入连接端口 1，大部分功率传输至连接端口 2 的负载。少量功率耦合到连接端口 3 和 4 的辅线。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值固定。耦合系数可用于描述耦合端口功率，取决于耦合线的几何排布。反射功率耦合到端口 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 至 400 MHz，可处理功率高达 100 W。该设备的标称耦合系数为 20 dB，插入损耗为 0.3 dB。封装采用表面贴装形式，尺寸为 16.51 x 12.19 x 3.58 mm，可用于监测中等功率发射器的功率水平和 VSWR 测量。这类耦合器的尺寸与频率范围有关，工作频率越低，长度越长。因此，常用于 UHF 和高频应用，对应的设备尺寸较小。

最后一种定向耦合器拓扑是定向桥，电路与经典的惠斯通电桥有关。Analog Devices 的 ADL5920 RMS 和 VSWR 检测器采用了该拓扑（图 5）。

ADL5920 使用电阻桥来分离传输线上的正向和反射电压。如图所示，在所有端口正确端接的情况下，可计算出低频设备的理论方向性。求得的方向性为 33 dB。电桥中，VREV 和 VFWD 输出信号传输至 RMS 级联检测器（动态范围为 60 dB）。检测器输出可线性读取，以 dB 为单位。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，以 dB 为单位。基于电桥的耦合器频率范围为 9 kHz至 7 GHz，匹配负载为 50 Ω 时，额定功率为 33 dBm (2 W)。频率范围为 10 MHz 至 7 GHz 时，对应的插入损耗范围为 0.9 dB 至 2 dB。该设备采用 5 x 5 mm 表面贴装封装，厚度为 0.75 mm。

Analog Devices 针对 ADL5920 推出了 ADL5920-EVALZ 评估板。这款配置齐全的评估板需要连接 5 V、200 mA 电源。输入、输出以及主要输出均通过 2.92 mm 连接器连接。以下原理图显示了 ADL5920 所需的典型连接（图 6）。该评估板是轻松试用 ADL5920 的理想工具。

以电阻桥实现的定向耦合器提供的频率范围最宽，基本接近直流 (DC)。基于变压器和传输线的耦合器带宽限制较多，但额定功率更大。

上述设备中任何一类都可提取输入功率样本以用于信号监控电路。借助示波器或频谱分析仪等传统仪器来测量所得样本，即可确定功率水平、频率和调制度。数据也可以整合到反馈回路，从而调整输出以保持在所需范围内。

负载状态可由电压驻波比 (VSWR) 表示。使用耦合端口和隔离端口的输出（即正向电压和反射电压），即可计算输出端口的负载 VSWR。
公式 3
回波损耗可通过 VSWR 计算求得：
公式 4

总结
对于射频系统设计人员而言，定向耦合器是相当有用的测量设备。它不仅可提供射频功率电平的幅值比例视图，还可分离正向和反射信号分量，有助于负载特性分析。如上所述，目前共有三种常用耦合器拓扑可提供这些输出，不仅封装小巧，而且兼容无线设备。