終于明白：定向耦合器是如何工作的了！

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(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“正向”），而另一方向則幾乎毫無(wú)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(fù)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(huì)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(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

定向溝壑區(qū)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OdBm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。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(cè)量。

定向耦合器用于功率合成系統(tǒng)二

2、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)?？梢砸?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)抗千擾性能。如果DUT是一臺(tái)蜂窩手機(jī)，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)手機(jī)的發(fā)射機(jī)，再用頻譜分析儀來(lái)測(cè)景手機(jī)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)量或蜂窩手機(jī)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)。

3、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(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

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

如果是無(wú)線電頻譜的監(jiān)管者—無(wú)線電監(jiān)測(cè)站來(lái)測(cè)軟基站的指標(biāo)，其關(guān)注點(diǎn)就完全不同，根據(jù)無(wú)線電管理規(guī)范的要求，測(cè)試頻率范圍被擴(kuò)展到9kHz~12.75GHz，被測(cè)基站在如此寬的頻段內(nèi)會(huì)產(chǎn)生多少雜散輻射并干擾其他基站的正常工作？這是無(wú)線電監(jiān)測(cè)站所關(guān)注的問(wèn)題。此時(shí)，需要同樣帶寬的定向耦合器進(jìn)行信號(hào)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(zhǎng)度與其中心頻率有關(guān)，一個(gè)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(wú)法覆蓋到。

4、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)最系統(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)。

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