射频工程师入门必学：如何设计定向耦合器电路？

Introduction to RF Engineers: how to design directional coupler circuits?|技术应用|Technology application|Technology|

2021-12-28 18:27:12 1

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）。

图 1：三端口（左）和四端口定向耦合器（右）的原理图符号。（图片来源：Digi-Key Electronics）

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。

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图 2：基于射频变压器的定向耦合器拓扑使用两台射频变压器来检测主线上的正向和反射分量。（图片来源：Digi-Key Electronics）

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）。V_in 是正向电压，V_L 是反射电压。

图 3：通过分析耦合线上两台变压器的电压，对基于变压器的耦合器进行分析。（图片来源：Digi-Key Electronics）

上图中，为了计算耦合线上的耦合端口电压 (V_F\\\\') 和隔离端口电压 (V_R\\\\')，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 V_F" 和 V_R"。耦合端口电压 V_F 可通过 V_F\\\\' 与 V_F" 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：

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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）。

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图 4：使用耦合传输线的双定向耦合器示例。传输线长度通常为设计频带中心波长的 1/4。（图片来源：Digi-Key Electronics）

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）。

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图 5：Analog Devices 的 ADL5920 RMS 和 VSWR 检测器所用的双向电桥简化原理图。在所有端口正确端接的情况下，分析得出方向性为 33 dB，计算如图所示。（图片来源：Analog Devices）

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，V_REV 和 V_FWD 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 ? 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。

图 6：ADL5920-EALZ 评估板原理图显示了 Analog Devices 的 ADL5920 双向 RMS 和 VSWR 检测器所需的典型连接。（图片来源：Analog Devices）

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。

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