3 dB定向耦合器及其在调频广播中的应用

0 引言

    在微波、雷达、广播电视、通信系统中，经常会遇到需要耦合射频功率的问题，定向耦合器就是一种具有方向性的功率分配器，它能从主传输线系统的正向波中按一定比例分出一部分功率，实现功率的分支、分配或反向合成。3 dB定向耦合器就是一种特殊的定向耦合器，它广泛用于功率合成、功率分配、恒阻滤波器、多工器、移相器、衰减器和能量倍增器等。

1 3 dB定向耦合器的原理

1．1 结构特性

    3 dB定向耦合器(如图1)是依靠框内两根平行的带状线的定向耦合作用，分出一半能量馈送到与之对称的另一根带状线上，信号从“1”端输入，则有一半能量馈送到与之对称的另一根带状线“2”端，剩下的另一半能量直接送到“4”端，如果“2”端和“4”端均与耦合器匹配，则没有能量送到“3”端。

    通常在工程中会遇到“1／4波长谐振腔”，同样原理，带状线为λ／4整数倍时，两带状线问耦合最大。为了将体积缩到最小，带状线长度应是中心频率的1／4波长。

    本文只定性说明定向耦合器的工作原理：从能量耦合情况的角度进行讨论。如图2所示，当信号由带状线的端口1输入时，带状线1-4中有交变电流I1流过，由于带状线2-3与1-4线相互靠近，故2-3线中便耦合有能量，此能量既通过电场(以耦合电容C表示)，又通过磁场耦合过来。通过C的耦合在带状线2-3中引起的电流为IC1，IC2，分别流向端口2和端口3。同时，由于交变磁场的作用，在2-3线上感应有电流IL，根据电磁感应定律，感应电流IL的方向与I1方向相反。因此，由图2可见，若能量从端口1输入，则端口2有耦合能量输出，所以端口2称为耦合端。而在端口3，因为电场耦合电流IC2和磁场耦合电流IL的方向相反，如果刚好使IC2=IL，则能量互相抵消，故端口3无能量输出，是隔离端。端口4也有能量输出，它是通过λ／4带状线直接传输过来的，称为直通端。由于耦合输出的能量具有一定的方向性，故称它为定向耦合器。
    在理想状况下，经证明，当带状线长度为λ／4时，两线间耦合最大，并且输入端口1和输出端口2，4与耦合器相匹配时，端口3没有能量输出，而端口2和4各输出信号源功率的一半。，U2与U1同相，U4滞后U190°(因为1-4线长为λ／4)，所以U2和U4间相差90°。
1．2 功率分配
    当作为功率分配时，如果端口1为输入端，所加输入信号电压为U1，可得：
   
    由此可见，当输入功率由端口1注入时，在端口2和4分别得到输入功率的一半。因为在2，4端口功率下降一倍，也即下降3 dB，所以称为3 dB定向耦合器。
1．3 功率合成
    3 dB定向耦合器也可用作功率合成。可将两信号源分别加于耦合器互为隔离的端口上(即1，3端口或2，4端口)，且两信号源相差90°，如图3所示。

    由此可见，当两信号源电压振幅相等，即U2=U4、相位相差90°，同时分别加于端口2和端口4时，则端口1和端口3总的输出电压分别为：
   
    从功率的角度看，如端口2和端口4的输入功率分别为P2=U2／R，P4=U2／R，则端口1的输出功率为P1=0，而端口3的输出功率为2P2=2P4。
    显然3 dB定向耦合器作为功率合成时，端口3为输出端，其输出功率为两输入功率之和，即二功率合成。
1．4 指标参数
    耦合度C：输入功率P1与耦合端的输出功率P3之比，一般用分贝表示，即：
   
    式中：P1／P3称为功率耦合系数；设E1为主线输入端电压；E3为耦合端电压；S31表示波由主线输入端到耦合端的传输系数。
    因P1≥P3，故耦合度大于等于0 dB。C表征耦合的强弱，当P1一定时，P3越大，C越小。故0 dB，3 dB定向耦合器为强定向耦合器；20 dB，30 dB定向耦合器为弱定向耦合器。分贝值越大，表明耦合越弱。
    隔离度D：输入功率P1与隔离端的输出功率P4之比，一般用分贝表示，即：
   
    式中：E4为隔离端电压；S41表示波由主线输入端到隔离端的传输系数。
    方向性：耦合端的输出功率P3与隔离端的输出功率P4之比，一般用分贝表示，即：
   
    式中：S11为输入端在其他各端口均接匹配负载情况下的反射系数，在实际中要求各端口的驻波比尽可能接近1。
    频带宽度：耦合度、隔离度、输入驻波比等参数均满足要求时定向耦合器的工作频带宽度。通常要求工作频带越宽越好。
2 3 dB定向耦合器在调频广播中的应用
    调频发射就是将音频信号和高频载波调制为调频波，使高频载波的频率随音频信号发生变化，再对所产生的已调制信号进行激励、放大和一系列的阻抗匹配，最后通过调频天线将功率信号发送出去。我国的调频发射机频率范围为88～108MHz，校园广播频率范围为76～87MHz，西方国家校园广播频率范围为70～90 MHz。
    3 dB定向耦合器具有方向性的功率分配器，它能从主传输线系统的正向波中按一定比例分出一部分功率，实现功率的分支、分配或合成，并且有结构简单，性能稳定，体积小巧等优良特点，在全固态调频广播发射机中已被广泛应用。主要用在功率分配、功率合成、衰减、双激励自动切换等用途。
    图4是一款国产全固态10 kW调频广播发射机原理方框图。

    3 dB定向耦合器在该款调频发射机中主要用在正交二分配器和正交合成器中。
    激励器输出的射频功率送入前级放大器，射频功率经过前级放大器放大后送入3 dB定向耦合器(正交二分配器)的输入端，假设相位为0°，3 dB定向耦合器将输入端的射频功率分成大小相等、相位相差90°的两路信号到耦合端和直通端，隔离端接假负载。耦合端接上面的同相四分配器，相位为0°。直通端接下面的同相四分配器，相位为90°。相位为0°的信号经过PA1～PA4功率放大器放大后，再经过同相四合成器合成后送入末级大功率3 dB定向耦合器(正交合成器)的“4”端，相位为90°的信号经过PA5～PA8功率放大器放大后，再经过同相四合成器合成后送入末级大功率3 dB定向耦合器(正交合成器)的“2”端．末级大功率3 dB定向耦合器“3”端接假负载，“1”端输出．相位为90°。再经过滤波器滤波、定向耦合器(取样祸合器)耦合输出最后由天线将已调波信号发射出去。
    3 dB定向耦合器还可以用在调频发射机的双激励器自动切换上，如图5所示。

    主激励器和备激励器的射频输出同时接到3 dB定向耦合器的“2”端和“4”端，“3”端接假负载，“1”端接到调频发射机的功率放大通道上。调频发射机开启工作时，主备激励器同时工作，当主备激励器功率初起时，主备激励器的取样就送到控制盒，主或备激励器的取样到了保护点，控制盒就发出指令去封锁备用激励器，只有主激励器工作。当正在工作的主激励器出现故障无射频输出时，主激励器取样消失，于是控制盒发出指令解除处于封锁状态的备用激励器的封锁，同时封锁出现故障的主激励器，这样就实现了双激励器自动切换。

3 结语

    随着国家电信网、广电网、互联网三网融合的飞速发展，射频领域层出不穷的新技术、新器件不断涌现。3 dB定向耦合器应用随着三网融合技术的发展而不断创新。笔者设想射频微带线和带状线技术与固态元器件的集成，将成为未来射频集成电路的雏态，到时将会有体积小、重量轻、频带宽、低功耗、性能稳定、价格低的射频集成电路应用于各领域。3 dB定向耦合器技术也将在其中起到重要的作用。