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一. 定向耦合器的工作原理

定向耦合器是微波測(cè)量和其它微波系統(tǒng)中常見(jiàn)的微波/毫米波部件，可用于信號(hào)的隔離、分離和混合，如功率的監(jiān)測(cè)、源輸出功率穩(wěn)幅、信號(hào)源隔離、傳輸和反射的掃頻測(cè)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(jì)中*的部件，通常有波導(dǎo)、同軸線、帶狀線及微帶等幾種類(lèi)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(guò)種種形式小孔、縫、隙等進(jìn)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(gè)方向傳輸（稱(chēng)“正向”），而另一方向則幾乎毫無(wú)功率傳輸（稱(chēng)“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(fù)載。

 

二. 定向耦合器的應(yīng)用

  01    用于功率合成系統(tǒng)

在多載頻合成系統(tǒng)中，通常會(huì)用到3dB的定向耦合器（俗稱(chēng)3dB電橋），如下圖所示。這種電路常見(jiàn)于室內(nèi)分布系統(tǒng)，來(lái)自兩路功率放大器的信號(hào)f1和f2經(jīng)過(guò)3dB定向耦合器后，每路的輸出均包含了f1和f2兩個(gè)頻率分量，每個(gè)頻率分量的幅度減少3dB。如果將其中一個(gè)輸出端接上吸收負(fù)載，另外一路輸出可以作為無(wú)源互調(diào)測(cè)量系統(tǒng)的功率源。如果需要進(jìn)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(gè)良好設(shè)計(jì)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

定向耦合器作為功率合成的另外一種應(yīng)用見(jiàn)下圖（a）。在這個(gè)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(gè)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0dBm的信號(hào)，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(hào)提高7dB，這樣其輸出就和圖 （b）—致了，此時(shí)，圖（a）中f1和f2端的隔離度“降低”為38 dB。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。這種方案適用于放大器的互調(diào)測(cè)量。

定向耦合器用于功率合成系統(tǒng)二

  02    用于接收機(jī)的抗干擾性測(cè)量或雜散測(cè)量

在射頻測(cè)試和測(cè)量系統(tǒng)中，經(jīng)常可以見(jiàn)到下圖所示的電路。如果DUT （被測(cè)器件或設(shè)備）是接收機(jī)，則通過(guò)定向耦合器的耦合端可以向接收機(jī)注入一個(gè)鄰道干擾信號(hào)，再通過(guò)接在定向耦合器的直通端的綜合測(cè)試儀來(lái)測(cè)試接收機(jī)抗干擾性能。如果DUT是一臺(tái)蜂窩WAP，則通過(guò)接在定向耦合器耦合端的綜合測(cè)試儀可以打開(kāi)WAP的發(fā)射機(jī)，再用頻譜分析儀來(lái)測(cè)景WAP的雜散輸出。當(dāng)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(jī)的抗干擾測(cè)量或蜂窩WAP的雜散測(cè)量

在這個(gè)測(cè)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(lái)自DUT的信號(hào)，而不希望收到來(lái)自耦合端的信號(hào)。

  03    用于信號(hào)取樣和監(jiān)測(cè)

發(fā)射機(jī)的在線測(cè)量和監(jiān)測(cè)可能是定向耦合器為廣泛的應(yīng)用之一，下圖是定向耦合器用于蜂窩基站測(cè)量的典型應(yīng)用，如果發(fā)射機(jī)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(hào)送到基站測(cè)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(gè)負(fù)載吸收掉了。

定向耦合器用于基站測(cè)量

  04    功率在線測(cè)量

在通過(guò)式功率測(cè)量技術(shù)中，定向耦合器是一個(gè)十分關(guān)鍵的器件。下圖所示是典型的通過(guò)式大功率測(cè)系統(tǒng)原理圖，來(lái)自被測(cè)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(jì)，而來(lái)自負(fù)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(jì)。

 

定向耦合器用于大功率測(cè)量

請(qǐng)注意：反向耦合端（4端）除了收到來(lái)自負(fù)載的反射功率以外，還會(huì)收到來(lái)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(cè)試者所希望測(cè)到的，而泄漏功率則是造成反射功率測(cè)量誤差的主要來(lái)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(jì)，由于二個(gè)信號(hào)的傳輸路徑不同，所以是矢量疊加，如果輸入到功率計(jì)的泄漏功率的大小可以和反射功率相比擬，則會(huì)產(chǎn)生很大的測(cè)量誤差。

當(dāng)然，來(lái)自負(fù)載（2端）的反射功率也會(huì)泄漏到正向耦合端（1端，上圖中沒(méi)有畫(huà)出），但是其大小與正向功率相比非常小，所以對(duì)正向功率的測(cè)量所產(chǎn)生的誤差可以忽略不計(jì)。